PL168027B1 - Lozysko hydrodynamiczne z ciagla konstrukcja wsporcza powierzchni roboczej PL PL PL PL PL - Google Patents

Abstract

p o dparcia w al u , k tó re to lozysko posiada ciagla pow ie- rzchn ie n osna oraz k o n s - tru k c je w sporcza, po d piera - ja c a te ciagla p o w ie rzch n ie nosna, k tó ra to k o n s tru k c ja w sporcza je s t zlozona z se kcji w sporczych o zróznicow a- n y m p rze kro ju , znamienne tym, ze k o n s tru k c ja w spo- rcza zaw iera pow tarzajace sie szeregi sekcji w sporczych, p rzy czym kazda z se kcji w sporczych posiada calkow icie sztyw na czesc ( 1 0), zasadniczo sztyw n a we w szystkich k ie ru n k a c h , czesciowo sztyw n a czesc ( 2 0), zasadniczo sztyw na w pie rw szym k ie ru n k u , poprzecznym do tej czesci pow ie rzch n i no sn ej, k tó ra p o d piera i elastyczna w d ru g im k ie ru n k u , k tó ry je s t zasadniczo poprzeczny do pierwszego k ie ru n k u , pierw szy segm ent laczacy ca l- kow icie sztyw na czesc ( 1 0) z czesciowo sztyw na czescia ( 20) w z d lu z lin i ( 20L) p rzy czym pierw szy segm ent laczacy (30) je s t c ie n k i w zd lu z lin ii polaczenia ta k, ze pierw szy segm ent laczacy (30) m a znacznie zredukow a- na zdolnosc przenoszenia m o m e n tu i d ru g i segm ent laczacy (30), laczacy czesciowo sztyw na czesc (20) z calkow icie sztyw n a czescia ( 10) sasiedniej sekcji w spo- rczej w zd lu z lin ii (20R ), p rzy czym d ru g i segm ent lacza- cy (30) je s t c ie n k i w z d lu z lin ii polaczenia, ta k ze d ru g i segm ent laczacy (30) posiada znacznie zredukow ana zdolnosc przenoszenia m o m e n tu : p rzy czym k o n s tru - kcja w sporcza p o d p ie ra pow ie rzch n ie nosna ( 8) ta k, ze pod w plyw em ta rc ia i n a c is k u p o w ie rzch n ia nosna o d - kszta lca sie ta k , ze tw o rz y rozsta w io n y obwodow o szereg k lin ó w h yd ro d yn a m iczn ych . FIG .1 A PL PL PL PL PL

Description

Wynalazek dotyczy łożysk hydrodynamicznych z ciągłą konstrukcją wsporczą powierzchni roboczej. W takich łożyskach przedmiot wirujący, czyli wał, jest wsparty na nieruchomej panewce łożyskowej poprzez warstwę ściśniętego płynu, przykładowo oleju, powietrza lub wody. Łożyska hydrodynamiczne wykorzystują zjawisko polegające na tym, że podczas ruchu obiektu wirującego nie porusza się on po powierzchni zastosowanego płynu. Przeciwnie, płyn ten pozostaje w kontakcie z przedmiotem wirującym, a ruch obrotowy jest przenoszony przez siły poślizgu lub siły ścinające między cząsteczkami płynu na całej głębokości warstwy płynu.

168 027

Tak więc, gdy obiekt wirujący i stykający się z nim płyn porusza się ze znaczną prędkością obrotową, prędkości na pośrednich głębokościach warstwy płynu zmniejszają się według znanej zależności, tak że płyn stykający się z nieruchomą panewką pozostaje bez ruchu. Gdy z powodu obciążenia wywołanego podparciem przedmiotu wirującego panewka podlega odkształceniu o niewielki kąt w stosunku do przedmiotu wirującego, płyn jest wciskany do szczeliny w kształcie klina oraz wytwarza się ciśnienie w płynie, wystarczające do podparcia obciążenia. Zjawisko to jest wykorzystywane w łożyskach oporowych turbin wodnych i okrętowych wałów a także w zwykłych hydrodynamicznych łożyskach promieniowych.

Zarówno łożyska oporowe, jak łożyska poprzeczne czyli promieniowe zazwyczaj znamienne są nieciągłymi panewkami wsporczymi rozmieszczonymi wokół wału. Oś, wokół której panewki są rozłożone zasadniczo odpowiada osi podłużnej wału podpartego przez łożysko, zarówno oporowe jak i promieniowe. Taka oś będzie nazywana osią główną.

W idealnym łożysku hydrodynamicznym kliny hydrodynamiczne rozciągają się wzdłuż całej powierzchni czołowej panewki, warstwa płynu jest wystarczająco gruba dla utrzymania obciążenia, główna oś łożyska i oś wału pokrywają się, wyciek płynu na krańcach powierzchni panewki, przylegających do krawędzi wlotu i spływu jest minimalizowany, warstwa płynu powstaje natychmiast gdy wał zaczyna wirować i w przypadku łożysk oporowych, panewki są jednakowo obciążone. Dla zbudowania idealnego łożyska hydrodynamicznego, czyli łożyska posiadającego wyżej wymienione cechy konieczna- jest optymalizacja tworzenia się klinów hydrodynamicznych.

W znanych łożyskach ślizgowych, promieniowych-uznawano dotychczas za niezbędne utworzenie dokładnie określonego odstępu między łożyskiem i przedmiotem wirującym, tak podpartym, żeby możliwe było właściwe ugięcie panewki łożyskowej dla stworzenia klina hydrodynamicznego. Warunek utrzymywania ścisłych tolerancji wymiarowych jest szczególnie kłopotliwy przy produkcji łożysk ze smarowaniem gazowym. Innym problemem łożysk gazowych jest zrywanie się filmu gazowego przy wysokich prędkościach. Problemy te ograniczały zastosowanie łożysk hydrodynamicznych ze smarowaniem gazowym.

Opis patentowy Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 3 107 955 zawiera przykład łożyska posiadającego panewki zamocowane dźwigniowo, które odkształcają się przez obrót lub ruchem wahadłowym wokół środka znajdującego się na czole powierzchni panewki. Takie łożysko, podobnie jak inne łożyska według dotychczasowych technologii pracuje na zasadzie dwukierunkowego ugięcia panewki. W rezultacie nie osiąga się optymalizacji tworzenia się klina.

W opisie patentowym US nr 2 137 487 pokazano hydrodynamiczne ruchome łożysko panewkowe, w którym powstaje klin hydrodynamiczny przez ześlizg panewek po powierzchniach kulistych. W wielu przypadkach właściwy kontakt panewki z wałem i odpowiadający mu klin nie mogą być wytworzone. W opisie patentowym nr US 3 930 691 wahliwość jest uzyskana przez zastosowanie elastomerów, ale są one przedmiotem zanieczyszczeń i uszkodzeń.

Opis patentowy US nr 4 099 799 zawiera niejednorodne, sprężynujące, zamocowane wspornikowo panewki łożyska gazowego. Przedmiotowe łożysko zawiera panewkę montowaną na prostokątnej belce wspornikowej dla wytworzenia klina smarującego między powierzchnią panewki a obracającym się wałem. Patent dotyczy zarówno łożysk promieniowych jak i oporowych.

W opisie patentowym US nr 4 496 251 jest pokazana panewka podlegająca ugięciu na wiązarach żebrowych, tak że klinowo ukształtowany film smaru tworzy się między współpracującymi częściami.

Opis US patentowy nr 4 515 486 przedstawia hydrodynamiczne łożyska oporowe i promieniowe posiadające kilka panewek, z których każda posiada część czołową i część wspornikową, które są przedzielone oraz połączone razem przez elastomer.

Opis US patentowy nr 4 526 482 przedstawia łożyska hydrodynamiczne, głównie przeznaczone do zastosowania w układach smarowych, czyli łożyska pracują w płynie smarującym. Łożyska hydrodynamiczne posiadają część środkową, przenoszącą obciążenie, która jest bardziej podatna niż pozostała część łożyska, tak że może się ono odkształcić pod obciążeniem i utworzyć kieszeń ze sprężonym płynem, przenoszącą duże obciążenia.

168 027

W opisie patentowym US nr 4 676 668 stwierdzono, że panewki łożyskowe mogą być oddzielone od elementu wspornikowego co najmniej jedną podstawą słupową, która zapewnia elastyczność w trzech kierunkach. Dla zapewnienia elastyczności w płaszczyźnie ruchu podstawy słupowe są nachylone do środka, tak że tworzą formę stożkową z wierzchołkiem stożka, czyli punktem przecięcia się osi, na czole powierzchni panewki. Każda podstawa słupowa posiada względnie mały wskaźnik wytrzymałości w kierunku pożądanego kierunku ruchu dla umożliwienia kompensacji nieosiowości. Takie zalecenia mają zastosowanie zarówno dla łożysk promieniowych jak i oporowych. Pomimo tego, że wynalazek stanowi znaczny postęp w przedmiotowej technice, posiada szereg niedogodności. Jedną z nich jest sztywność struktury wsporczej oraz panewka, która nie może odkształcać swojej powierzchni. Także konstrukcja łożyska nie jest ciągła.

Ostatnie dwa wynalazki są szczególnie interesujące, ponieważ dowodzą one, że pomimo znacznych· różnic charakteru pracy łożyska oporowego i promieniowego można stworzyć wspólną ideę dla hydrodynamicznych łożysk oporowych i promieniowych.

Niniejsze zgłoszenie dotyczy częściowo hydrodynamicznych łożysk oporowych. Gdy hydrodynamiczny klin w takim łożysku zostanie zoptymalizowany obciążenie każdego z obwodowo rozłożonych łożysk będzie właściwie równe.

Aktualnie najszerzej stosowanymi hydrodynamicznymi łożyskami oporowymi są tak zwane łożyska ślizgowe Kingsbury. Łożyska takie znamienne są złożoną budową, zawierającą wahliwe ślizgi i pierścień obciążenia wirujący z wałem, przekazujący obciążenie na ślizgi, pierścień podstawy wspomagający ślizgi, obudowę lub-pancerz mieszczący wszystkie elementy wewnętrzne łożyska oraz system smarowania i system chłodzenia. W wyniku takiej skomplikowanej budowy ślizgowe łożyska Kingsbury są na ogół bardzo drogie.

Jako rozwiązanie alternatywne do łożysk Kingsbury można stosować łożyska stojące, tego typu łożyska są stosowane miedzy innymi w pompach głębinowych. Taka względnie prosta konstrukcja jest wytwarzana przez odlewanie w formach piaskowych lub innymi prostymi metodami wytwarzania. Łożysko charakteryzuje płaska podstawa z grubym, wewnętrznym obwodowym występem oraz duża liczba sztywnych występów wystających poprzecznie z podstawy oraz panewek oporowych centrowanych na każdym występie.

Zasada centralnego podparcia obrotowego stosowana w obu szeroko stosowanych typach, sztywnym łożysku stojącym i łożysku ślizgowym Kingsbury przyczynia się do nieefektywnego łożyskowania. Należy także zauważyć, że ze względu na swoje sztywne podparcie ani łożysko Kingsbury, ani łożysko stojące nie może się odkształcić z sześcioma stopniami swobody dla optymalizacji wytworzenia klina. Tak więc, pomimo że w niektórych przypadkach dotychczas stosowane łożyska są zdolne do ruchu z sześcioma stopniami swobody to ponieważ nie były one konstruowane według tej zasady ich możliwości są ograniczone.

Znane łożyska hydrodynamiczne, zarówno promieniowe jak i oporowe wykazują, w różnym stopniu, szereg wad. Przykładowo, dotychczas stosowane łożyska hydrodynamiczne wykazują wyciek płynu, powodujący przerwanie filmu smarującego. W łożyskach promieniowych wyciek występuje głównie na końcówkach poosiowych powierzchni panewki łożyskowej. W łożyskach oporowych wycieki występują głównie w strefie zewnętrznej obwodowej powierzchni panewki w wyniku oddziaływania na płyn siły odśrodkowej. Gdy wyciek płynu może być znacznie ograniczony przez takie podparcie panewki aby nastąpiło optymalne ugięcie to znane łożyska, posiadające panewki nieciągłe /i w rezultacie przestrzenie w powierzchni łożyskowania/, zawsze wykazują pewne ubytki płynu.

Co więcej, jest bardzo trudno zoptymalizować jakość obróbki powierzchni panewki łożyskowej w łożyskach konwencjonalnych, posiadających panewki oddzielne. Jakość obróbki jest bardzo istotna dla zapewnienia jednolitego rozłożenia warstwy filmu smarującego.

Niniejszy wynalazek dotyczy łożysk hydrodynamicznych z ciągłą strukturą wsporczą, w których wewnętrzna średnica łożyska promieniowego lub płaszczyzna oporowa łożyska oporowego jest ciągła, czyli że nie występują indywidualne panewki. Taka konstrukcja pozwala na dokładną obróbkę szlifowaniem /docieraniem/ powierzchni łożyskowej do jakości, która nie może być osiągnięta w łożyskach z indywidualnymi panewkami. Łącznie z brakiem nieciągłości powierzchni łożyskującej prowadzi to do powstania łożyska o doskonałych własnościach

168 027 utrzymania płynu smarującego. Ciągła powierzchnia łożyskująca jest wsparta na korzystnie ciągłej konstrukcji wsporczej. Konstrukcja wsporczajest korzystnie ukształtowana przez wycięcia w bocznych i tylnych częściach łożyska. Dla łożyska promieniowego wycięcia winny być czołowe i na zewnętrznej średnicy obróbki maszynowej. Dla łożysk oporowych wycięcia winny występować w tylnej i bocznych częściach łożyska.

W jednym wykonaniu konstrukcja wsporcza składa się z powtarzających się sekcji wsporczych. Każda sekcja posiada element sztywny /czyli względnie sztywny we wszystkich kierunkach/, pierwszy segment łączący nie wykazujący zasadniczo możliwości przenoszenia momentu lub bardzo ograniczoną możliwość przenoszenia momentu, oraz częściowo sztywny segment, który wykazuje sztywność w pierwszym, określonym kierunku i elastyczność w drugim określonym kierunku, który jest w zasadzie poprzecznym do pierwszego oraz drugi segment łączący, nie posiadający w zasadzie możliwości przenoszenia momentu lub możliwość ta jest znacznie ograniczona. Całkowicie sztywny segment każdej sekcji jest dołączony do drugiego segmentu łączącego, który posiada znacznie ograniczoną zdolność przenoszenia momentu sąsiedniej sekcji i przez to tworzy się ciągła struktura wsporcza. Łożysko może być łożyskiem promieniowym, oporowym lub kombinowanym łożyskiem oporowopromieniowym. Pionowy segment wsporczy to jest segment, który jest sztywny w określonym kierunku i elastyczny w kierunku poprzecznym może być montowany na dodatkowym segmencie wsporczym, który może być segmentem sztywnym, membraną elastyczną lub pierścieniem wsporczym. Dodatkowo, pionowy segment wsporczy może być ukształtowany z ograniczonym przekrojem, dla zapewnienia elastyczności w trzecim kierunku. Jest także możliwym zastosowanie materiału wchłaniającego płyn smarujący, takiego jak porowate tworzywa sztuczne, w otworach w konstrukcji wsporczej i nasycenie materiału wchłaniającego smarem dla zapewnienia połączenia szczelinowego źródła smaru z ciągłą powierzchnią łożyskową.

Alternatywna konstrukcja wsporcza ciągłej powierzchni roboczej może składać się z pewnej liczby obwodowo rozmieszczonych elementów typu ucho, połączonych z powierzchnią roboczą cienkimi szyjkami. Każde ucho posiada zewnętrzną promieniową płaszczyznę, natomiast promieniowo wewnętrzna płaszczyzna ucha jest oddzielona od zewnętrznej popromieniowo powierzchni podstawy płaszczyzny roboczej, a promieniowo zewnętrzna powierzchnia ucha jest oddalona od osi łożyska o odległość większą, niż promień obudowy. Każde wcięcie współpracuje swoją obwodową płaszczyzną promieniowo wewnętrznej powierzchni ucha z promieniowo zewnętrzną płaszczyzną podstawy powierzchni roboczej. Ucho i wcięcie są tak obliczone, ze gdy łożysko jest montowane w obudowie podstawa ciągłej powierzchni roboczej odkształca się, tworząc rozłożony obwodowo ciąg klinów hydrodynamicznych.

Łożyska według niniejszego wynalazku kształtowane są we wszystkich trzech wymiarach, żeby zapewnić ugięcie z sześcioma stopniami swobody, tak aby uzyskać optymalne ukształtowanie klinów w dowolnej chwili. W rezultacie, konstrukcja wsporczajest w stanie zapewnić powierzchni roboczej ruch z sześcioma stopniami swobody /czyli przemieszczenie lub ruch w kierunkach: +x, -x, +y, -y, +z i -z / oraz obrót wokół osi X,Y, i Z, dla optymalizacji wytworzenia klina hydrodynamicznego. W wyniku takiej budowy, pod obciążeniem /siły tarcia i nacisk/ ciągła powierzchnia robocza łożyska odkształca się, tworząc ciąg odpowiednio rozłożonych klinów hydrodynamicznych. Każdy klin odpowiada i jest podparty przez jeden element konstrukcji wsporczej. Chociaż kliny nie posiadają rzeczywistych krawędzi wlotu i spływu /ponieważ powierzchnia robocza jest ciągła/ są one tak ukształtowane, że spełniają funkcje krawędzi wlotu i krawędzi spływu.

Generalnie łożyska hydrodynamiczne pracują najefektywniej, gdy klin hydrodynamiczny posiada szereg cech charakterystycznych. Przykładowo, klin powinien się tworzyć w poprzek całej powierzchni panewki, klin winien mieć właściwą grubość w dowolnej chwili, klin winien być tak ukształtowany aby zapewnić minimalny wyciek płynu, klin winien równoważyć nieosiowość, tak żeby oś główna łożyska była współosiowa lub względnie równoległa do osi wału, klin winien się tworzyć przy możliwie najniższej prędkości, aby zapobiec zniszczeniu powierzchni panewki, co często się zdarza w wyniku kontaktu wału i panewki przy niskich prędkościach. Co więcej w łożyskach oporowych rozłożenie obciążenia pomiędzy poszczególne panewki łożyskowe winno być równe.

168 027

W odniesieniu do grubości filmu płynowego jest zrozumiałym, że optymalna grubość zmienia się-z obciążeniem. Przy dużych obciążeniach potrzebna jest względnie gruba warstwa płynu, żeby odpowiednio podeprzeć ciężar. Jednak gruby film zwiększa tarcie i zużycie energii. Dlatego łożyska są korzystnie konstruowane dla uzyskania minimalnej grubości filmu niezbędnego do podparcia wału przy maksymalnym obciążeniu. Jest to jednym z powodów dlaczego cechy klina optymalnego zależą od zastosowania łożyska.

Łożyska mogą posiadać dodatkową konstrukcję wsporczą, która jest korzystnie jednolita i składa się ze słupów wspornikowych, pierścieni i/lub taśm dobudowywanych do obudowy, która jest ograniczona skrajną zewnętrzną częścią łożyska w przypadku łożyska promieniowego lub, dla łożysk oporowych, obudową, w której łożysko jest montowane.

W wielu zastosowaniach specjalnych jak na przykład dla łożysk pracujących z dużymi prędkościami, jest niezbędnym zbadanie i określenie dynamicznej elastyczności całego systemu złożonego z wału i wirnika, hydrodynamicznego filmu smarującego oraz łożyska. Analizą komputerową systemu przy wykorzystaniu metody elementów skończonych zostało określone, że niezbędnym jest potraktowanie całego łożyska jako elementu całkowicie elastycznego, który może zmieniać swój kształt w takt zmiany obciążenia. Przez zwiększenie lub zmniejszenie elastyczności przez obróbkę przygotówki, można osiągnąć charakterystykę łożyskowania, która zapewnia pracę w warunkach małego tarcia w szerokim zakresie pracy. Wykryto kilka zmiennych, które zasadniczo wpływają na zachowanie się łożyska. Wśród najważniejszych zmiennych są: kształt, wymiary, umieszczenie, cechy materiałowe /np. moduł sprężystości itd./ elementów wsporczych i dodatkowej konstrukcji wsporczej uzyskiwane przez otwory, szczeliny, wcięcia i żłobki wykonane w łożysku. Kształt członów wsporczych okazał się szczególnie istotnym. Także dzięki zapewnieniu podparcia płynowego elemntów elastycznych można osiągnąć wysoki stopień tłumienia nadający systemowi łożyskowemu dużą stabilność. W niektórych przypadkach takie tłumienie może zastąpić wtórną warstwę ściśniętego płynu występującą, gdy stosuje się wypełnienia olejowe miedzy korpusem łożyska a jego-obudową.

W niektórych przypadkach stwierdzono, że łożyska skonstruowane na zasadzie symulacji warunków pracy nie pracują optymalnie w rzeczywistych warunkach pracy. Dlatego też występuje zapotrzebowanie na łożyska, które mogą być dopasowywane do rzeczywistych warunków pracy.

Niniejszy wynalazek dotyczy także łożysk hydrodynamicznych, których konstrukcja wsporcza posiada wmontowane jeden lub kilka elementów piezoelektrycznych w szczeliny w konstrukcji wsporczej-łożyska i pomiędzy konstrukcją wsporczą a panewką. Takie zastosowanie elementów piezoelektrycznych stwarza możliwość aktywnej kontroli oraz dopasowania kształtu panewki i jej położenia oraz na zmianę charakterystyki ugięcia konstrukcji wsporczej. Może to być wykonane przez dostarczenie odpowiedniej ilości energii elektrycznej do odpowiednio umieszczonych elementów piezoelektrycznych, aby zmienić kształt klina lub powierzchni panewki w celu minimalizacji tarcia, możliwości przenoszenia większego obciążenia, zmiany sztywności lub tłumienia konstrukcji wsporczej, co z kolei eliminuje rezonans oraz wibrację wału, czyli optymalizuje pracę łożyska przez dokładne zestrojenie panewki i konstrukcji wsporczej z aktualnymi warunkami pracy.

W związku z dalszą formą niniejszego wynalazku, prąd zasilający każdy element piezoelektryczny może być kontrolowany centralną jednostką komputera /CpU/ w takt warunków pracy łożyska, dla optymalizacji tworzenia się klina hydrodynamicznego. Klin może być tak tworzony, aby przenosił maksymalne obciążenie lub zapewniał minimalne zużycie energii itd. W szczegółach, CPU może odebrać sygnały od czujników wykrywających takie parametry fizyczne jak: temperatura, kontakt wału z panewką, szum, tarcie jako funkcja zużycia energii /tzw. wzrost prądu/, które mogąposłużyć do oceny jakości klina. CPU obraca dostarczone sygnały i kontroluje wielkość prądu każdego z elementów piezoelektrycznych tak, aby poprawić jakość klina lub utrzymać jego jakość, gdy stwierdzono, że jego wartość jest odpowiednia. Alternatywnie CPU może dostarczać prąd do elementów piezoelektrycznych zgodnie z instrukcjami obsługi aby wytworzyć odpowiednie ugięcie lub odkształcenie łożyska. Przykładowo, operator może przesłać instrukcję ZWIĘKSZYĆ SZTYWNOŚĆ lub ZWIĘKSZYĆ WYSOKOŚĆ KLINA, a

168 027

CPU dostarczy prąd do elementów piezoelektrycznych w takiej ilości aby osiągnąć zamierzony efekt.

Jakość klina może być także zmieniana mechanicznie, przez śruby obciskające lub płyn hydrauliczny, czyli przez fizyczną zmianę charakterystyki ugięcia konstrukcji wsporczej łożyska. Oba te sposoby regulacji mogą być sterowane elektrycznie, jako odpowiedź na wykryte warunki pracy, lub przez ręczne wprowadzenie sygnałów. Według aktualnego stanu wiedzy elementy piezoelektryczne są najskuteczniejszym sposobem zmiany charakterystyki łożyskowania w takt wykrytych warunków pracy.

Łożyska według niniejszego wynalazku mają wiele zastosowań. Charakterystyczne zastosowanie łożysk z ciągłą konstrukcją wsporczą według niniejszego wynalazku obejmuje: sprężarki, turbiny/rozprężacze, turboładowarki, silniki elektryczne, przekładnie, aparaty klimatyzacyjne, sprzęt chłodniczy, pompy, mieszalniki, maszyny wiertnicze, sprężarki doładowujące, wentylatory, napędy tarczowe i walce.

W przeciwieństwie do dotychczas stosowanych łożysk panewkowych, które posiadają konstrukcję wsporczą zasadniczo zorientowaną w kierunku obciążenia, niniejszy wynalazek zapewnia orientację pozwalającą na porównywalne ugięcia w mniejszej objętości / czyli między promieniowo wewnętrzną płaszczyzną i promieniowo zewnętrzną płaszczyzną łożyska promieniowego/, głównie w łożyskach promieniowych; zezwala na ruch powierzchni łożyskującej w dowolnym kierunku /czyli w sześciu stopniach swobody/, kształtowanie klina: pozwala powierzchni łożyskującej na zmianę kształtu / przykładowo: spłaszczenie/ dla poprawy jakości pracy, pozwala na wprowadzenie membranowego systemu tłumienia dla zwiększenia stabilności; pozwala też na zlikwidowanie nieosiowości podpartej części wału oraz na zrównoważenie obciążenia między panewkami łożyskowymi w łożysku oporowym. Wszystkie z tych możliwości związane są z ukształtowaniem optymalnego klina hydrodynamicznego.

Podczas gdy można utworzyć wiele dodatkowych i wspomagających konstrukcji wsporczych przez wprowadzenie otworów, żłobków, nacięć lub szczelin w cylindrycznej przygotówce, podstawowo występują dwa rodzaje ugięcia, jedno przez stworzenie wiązań lub membran, które uginają się w podstawowym kierunku przyłożenia obciążenia przez zgięcie i drugie, przez odkształcenie skrętne podstawy lub membrany w kierunku od panewki wzdłuż podłużnej osi wału łożyska promieniowego. Stopień odkształcania rodzaju ugięcia jest częściowo funkcją sztywności konstrukcji wsporczej w kierunku promieniowym. Powierzchnia robocza łożyska także może być tak wykonana aby uginała się pod obciążeniem i przybierała różny kształt, przez wprowadzenie wewnętrznych nacięć pod tą powierzchnią lub przez nacięcie krawędzi powierzchni roboczej. W każdym przypadku nacięcia te wykonywane są specjalnie tak, aby uzyskać określony kształt pod obciążeniem. Przez otoczenie lub wsparcie wiązadeł lub membran płynem smarującym konstrukcja uzyskuje element tłumiący.

Podobne napięcia stosowane są w łożyskach promieniowych i oporowych. Podstawowym warunkiem jest uzyskanie pożądanego ugięcia dla optymalnej pracy. Ponieważ jednak łożyska promieniowe i oporowe spełniają zupełnie różne funkcje, występują także odpowiednie różnice w pożądanym zachowaniu się łożyska, wymagające różnych, niezbędnych ugięć. W rezultacie, pomimo ogólnej podstawowej analogii między łożyskami promieniowymi i łożyskami oporowymi wykonanymi według niniejszego wynalazku, występują także znaczne różnice w zasadzie działania oraz wyraźnie widoczne różnice w budowie.

Łożyska według niniejszego wynalazku posiadają ciągłą konstrukcję wsporczą, która może zmienić swój kształt i przemieszczać się w dowolnym kierunku /czyli powierzchnia robocza jest wsparta z zapewnieniem ruchu z sześcioma stopniami swobody/. Łożysko może posiadać także wbudowany system tłumienia i jest korzystnie konstrukcji zwartej, czyli zbudowane jest z jednego kawałka materiału, co zapewnia tanie wykonanie przy dużej serii. Łożyska promieniowe według niniejszego wynalazku mogą być umieszczane w niewielkiej obudowie, /co znaczy, że mała jest odległość między zewnętrzną średnicą obudowy a wewnętrzną średnicą panewki/.

W łożyskach według niniejszego wynalazku powierzchnia robocza może być tak podparta, że pozwala to jej dostosować się do nieosiowości wału i nierównomierności obciążenia panewek.

168 027

Jest to uzyskane głównie przez modyfikację konstrukcji wsporczej lub stosowanie dodatkowych wsporników.

Niniejszy wynalazek ma zastosowanie do dowolnego łożyska promieniowego, oporowego lub promieniowo-oporowego, a także do łożysk przystosowanych 'do pracy w jednym lub w obu kierunkach obrotu, co zależy od jego obudowy. Wyjaśniając, można podać, że gdy konstrukcja wsporcza łożyska jest symetryczna w stosunku do jego głównej osi to łożysko może być dwukierunkowe, czyli zdolne do podparcia wału tak samo przy obrocie w obu kierunkach. Natomiast gdy konstrukcja wsporcza łożyska jest asymetryczna w stosunku do jego głównej osi, łożysko może się odkształcić inaczej podczas podparcia wału przy pracy w pierwszym kierunku obrotu w porównaniu do odkształcenia przy obrocie w przeciwnym kierunku. Zarówno dla łożysk promieniowych i oporowych osią główną łożyska jest centralna oś cylindrycznej przygotówki, z której łożysko jest zbudowane.

Gdy chodzi o inną, ważną własność łożysk według niniejszego wynalazku to powierzchnia robocza łożyska może być tak podparta przy ugięciach, aby utrzymać płyn hydrodynamiczny, a przez to eliminuje się problem wycieków.

W przypadku łożysk promieniowych konstrukcja wsporczajest tak skonstruowana, że pod obciążeniem panewka łożyska odkształca się tworząc kieszeń blokującą. W zasadzie takie podparcie osiąga się gdy powierzchnia robocza podpartajest blisko osiowych krawędzi panewki łożyskowej, a środek powierzchni roboczej nie jest bezpośrednio podparty, czyli że może się odkształcić na zewnątrz w kierunku popromieniowym. W odniesieniu do łożysk oporowych, to ich powierzchnia robocza jest tak podparta, że pod obciążeniem może się wychylić w kierunku wewnętrznej średnicy łożyska, co zapobiega wyciekowi wywołanemu siłą odśrodkową. Ogólnie jest to osiągane wówczas, gdy powierzchnia robocza jest podparta w punkcie, który jest umieszczony bliżej zewnętrznej średnicy łożyska i dalej od jego średnicy wewnętrznej. Jak to będzie dalej przedyskutowane, elementy piezoelektryczne powodują wzmocnienie efektu lub zapewniają takie odkształcenia, które zatrzymują płyn.

Łożyska mogą być budowane z metali, proszków metali, tworzyw sztucznych, elementów ceramicznych oraz kompozytów. Gdy łożyska produkowane są w małych seriach to można wykonywać je obróbką mechaniczną przez planowanie, toczenie i frezowanie przygotówek w celu uzyskania większych żłobków i otworów, mniejsze otwory mogą być wykonane cięciem strumieniem wody, obróbką elektroerozyjną lub obróbką laserową, co łatwo pozwala dostosować łożysko do wymaganych własności. Dostosowanie takie zmienia zasadniczo sztywność konstrukcji, co z kolei eliminuje wibracje. Wytwarzanie dużych serii jednego typu łożyska może być korzystnie prowadzone przez wtryskiwanie, odlewanie, prasowanie z proszków, odlewanie metodą traconego wosku i innymi podobnymi technikami. Zgodnie z jedną z form niniejszego wynalazku średnie serie łożysk mogą być wykonywane nowoczesną metodą łączącą obróbkę mechaniczną z odlewaniem metodą traconego wosku. Konstrukcja według niniejszego wynalazku obejmuje łożyska z materiałów łatwo poddających się wytłaczaniu gdy nie występują w nich otwory złożone, tak że łożysko może być wytłoczone w prostej, dwuczęściowej matrycy. Ogólnie łożyska według niniejszego wynalazku mogą być wytworzone przy koszcie stanowiącym ułamek kosztów produkcji łożysk konkurencyjnych.

Rozważano także wiele metod produkcji łożysk według niniejszego wynalazku. Wybór konkretnej metody zależy głównie od wielkości serii produkcyjnej i zastosowanego materiału. Przy zastosowaniach niskoseryjnych lub gdy jest celowym wyprodukowanie prototypów do prób lub wytworzenia form, łożyska winny być korzystnie wytworzone z cylindrycznej przygotówki metalowej, przykładowo rury grubościennej lub pręta, w którym obróbką mechaniczną wykonuje się czołowe i promieniowe otwory i żłobki oraz formuje się promieniowe nacięcia lub szczeliny za pomocą elektrodrążarek, obrabiarek laserowych lub obrabiarek ze strumieniem wodnym sterowanych numerycznie. Przy średnich seriach łożyska według niniejszego wynalazku są korzystnie wytwarzane przez odlewanie metodą traconego wosku według niniejszego wynalazku. Przy dużych seriach produkcyjnych łożyska według niniejszego wynalazku mogą być wytwarzane przy zastosowaniu dużej gamy różnych materiałów, jak na przykład tworzyw sztucznych, ceramiki, metali, proszków metali, kompozytów. Przy zastosowaniach wielkoseryjnych ekonomicznie może być użyta duża liczba metod obróbki: wtryskiwanie, odlewanie,

168 027 wytłaczanie, odlewanie w formach piaskowych i matrycowych. Łożyska według niniejszego wynalazku mogą być wykonywane w takich kształtach, które można łatwo uzyskać przez kształtowanie matrycowe.

Przedmiot wynalazku w przykładach wykonaniajest uwidoczniony na rysunku, na którym: fig. 1A-1C pokazuje schematy ideowe zasady działania systemu łożyskowania, a fig. 2A-2B - przekroje boczne systemu łożyskowania, fig. 3 - widok z boku wycinka łożyska promieniowego, fig.4 - widok z boku innego łożyska promieniowego, fig. 5A-5B - przekrój i widok z boku innego łożyska promieniowego, fig. 6A-6B - przekrój i widok z boku innego łożyska promieniowego, fig. 7 - widok z boku innego łożyska promieniowego, fig. 8 - widok z boku zmodyfikowanego łożyska promieniowego, fig. 9A - widok z góry łożyska oporowego, fig. 9B - rozłożony widok z boku łożyska oporowego z fig. 9A, fig. 9C - widok aksonometryczny łożyska oporowego z fig. 9A, fig. 10A i 10B - widok od tyłu i przekrój innego łożyska oporowego, fig. 11A i 11B - widok od tyłu i przekrój innego łożyska oporowego, fig. 12A i 12B - widok od tyłu i przekrój innego łożyska oporowego, fig. 13A i 13B - widok od tyłu i przekrój innego łożyska oporowego, fig. 14A i 14B - widok od tyłu i przekrój innego łożyska oporowego, fig. 15 - przekrój innego łożyska oporowego, fig. 16 - przekrój innego łożyska oporowego, fig. 17A jest przekrojem /wzdłuż linii pokazanych na fig. 17B/ kombinowanego łożyska promieniowo-oporowego, fig. 17B jest widokiem od przodu kombinowanego łożyska promieniowo-oporowego z fig. 17A, fig. 17Cjest rozłożonym widokiem z boku/odcinka łożyska pokazanego na fig. 17B/kombino wanego łożyska promieniowo-oporowego, fig. 18A-18C dotyczą łożyska oporowego łatwego do wykonania metodą-kształtowania matrycowego, fig. 19A - widok z boku cylindrycznej tulei lub przygotówki przed obróbką, fig. 19B - widok z boku obrobionej tulei, fig. 19C - widok z boku cylindrycznej tulei po kolejnej fazie obróbki, fig. 19D - przekrój tulei z fig. 19A, fig. 19E - przekrój tulei z fig. 19B, fig. 19F - przekrój tulei z fig. 19C, fig. 20 - widok z boku innego łożyska, fig. 20A - przekrój według linii wskazanej na fig. 20, fig. 20B - przekrój według linii wskazanej na fig. 20, fig. 20C - przekrój według linii wskazanej na fig. 20, fig. 20D - schemat przedstawiający charakterystykę ugięcia łożyska z fig. 20.

Fig. 1A-1C przedstawiają zasadę działania łożyska z ciągłą konstrukcją wsporczą. W szczegółach jak pokazano to na fig. 1A łożysko jest wsparte na konstrukcji wsporczej, która składa się z: szeregu całkowicie sztywnych segmentów 10, które są sztywne zarówno w kierunku pionowym V, jak i poziomym H; z szeregu częściowo sztywnych, czyli w kierunku pionowym segmentów wsporczych 20, z których każdy jest położony pomiędzy dwoma całkowicie sztywnymi segmentami 10; oraz z szeregu segmentów 30, które nie posiadają zdolności przenoszenia momentu, segmenty 30 mogą być traktowane ideowo jako struny, które dołączone są do naroży całkowicie sztywnych segmentów 10 i do naroży częściowo sztywnych segmentów 20 jak to pokazano na fig. 1.

Fig. 1A przedstawia jedną sekcję S, z których zbudowana jest cała konstrukcja wsporcza łożyska. Każda sekcja zawiera całkowicie sztywny pod obciążeniem segment 10, częściowo sztywny segment pionowy 20 oraz dwa segmenty łączące 30, które nie są w stanie przenosić momentów siły. Segmenty łączące 30 występują pomiędzy pionowym segmentem wsporczym

168 027 każdej sekcji i pionowym segmentem wsporczym następnej sekcji oraz pomiędzy całkowicie sztywnymi segmentami 10 sekcji sąsiadujących z sobą.

Ponieważ łożysko, bez względu czy jest to łożysko promieniowe, oporowe'lub kombinowane promieniowo-oporowe zasadniczo posiadają ciągłą, czyli okrągłą konstrukcję wsporczą. Sekcje segmentów łożyska wykorzystywane w tym wynalazku także winny być ze sobą połączone to znaczy, że koniec ostatniej sekcji winien być połączony z początkiem pierwszej sekcji segmentów wsporczych tak aby stworzyć ciągłą konstrukcję wsporczą. Patrząc z punktu widzenia statyki konstrukcji wsporczej całkowicie sztywne segmenty wsporcze 10 pracują jako nieskończenie sztywna część panewki, pionowe segmenty wsporcze 20 pracują jako wsporniki, a segmenty łączące 30 pracują jako struny nie posiadające zdolności przenoszenia momentu. Tak więc, gdy jak pokazano to na fig. 1B do konstrukcji będzie -przyłożona siła F pionowe segmenty wsporcze ugną się zgodnie z zasadą pracy wspornika /ugięcia są pokazane na wszystkich rysunkach z dużą przesadą/. W konsekwencji, ponieważ- segmenty łączące 30 nie mogą przenosić momentu, a segmenty wsporcze 10 są całkowicie sztywne, to znaczy nie podlegają ugięciom, to ugięcie pionowych segmentów wsporczych 20 powoduje, że sztywne segmenty 10 przechylają się'w sposób pokazany na fig. lB. Jak to,także pokazano na fig. 1B ugięcie systemu wsporczego powoduje, że niektóre' ze strunowych segmentów łączących są zluźnione, podczas gdy inne są naprężone. A ponieważ segmenty łączące nie mogą przenosić momentu, mogą one spowodować ugięcie segmentu 10, ponieważ te ostatnie mają w zasadzie stałą długość, czyli są nieelastyczne.

Wielkość nachylenia segmentów 10 zależy od różnicy wzniesienia górnych naroży segmentów pionowych 20. Szczegółowo, gdy jak pokazano to na fig. 1A górne lewe naroże 20L i górne prawe naroże 20R segmentu wsporczego są na tym samym poziomie konstrukcja wsporcza jest w równowadze, a segment 10 leży poziomo. Gdy w rezultacie ugięcia wspornika pionowego 20 górne lewe naroże 20L odchyli się tak, że będzie wyżej od pozycji prawego naroża 20R wspornika pionowego, konstrukcja znajdzie się w stanie równowagi, w którym bloki 10 są nachylone w rezultacie elastyczności segmentów łączących 30 i sztywności segmentów 10.

Ponieważ stopień nachylenia segmentów 10 zależy od różnicy wysokości górnych naroży segmentów pionowych wielkość nachylenia może być zwiększona przez zwiększenie elastyczności segmentów wsporczych w kierunku poziomym. Jednakże stwarza to szereg problemów i występują ograniczenia w zakresie elastyczności pionowych segmentów wsporczych. Lepszym sposobem zwiększenia stopnia nachylenia segmentów 10 jest zwiększenie odstępu między górnym narożem 20R wspornika pionowego, ponieważ dla każdego kąta ugięcia wspornika 20 osiąga się większy poziomy odstęp między górnym lewym narożem 20L i górnym prawym narożem 20R. Oczywiście, gdyby wspornik pionowy 20 był poprostu szerszy, dla zwiększenia odległości między narożem 20L i 20R to wówczas wspornik pionowy byłby sztywniejszy w kierunku poziomym i dlatego podlegałby mniejszemu ugięciu pod obciążeniem.

Rozwiązaniem optymalnym jest zastosowanie pionowych segmentów wsporczych w kształcie litery T, jak to pokazano na fig. 1C. Ponieważ szczytową część wspornika tworzy poprzeczka, która jest długa, różnica wysokości przypadająca na jednostkę kąta ugięcia jest znacznie zwiększona. Ponieważ dolna część segmentu wsporczego jest nadal względnie cienka, wspornik pionowy może się ugiąć lub pochylić w odpowiedni sposób. Jak pokazano to na fig. 1C zastosowanie pionowych segmentów wsporczych w kształcie litery T znacznie zwiększa kąt nachylenia konstrukcji wsporczej przy odpowiednim ugięciu pionowych segmentów wsporczych 20.

Fig. 2A i 2B pokazują ideowo zastosowanie wyżej omówionych zasad do łożyska z ciągłą powierzchnią łożyskowania. Szczegółowo, figury te pokazują jedną sekcję łożyska zbudowanego z identycznych sekcji, połączonych ze sobą tak, że tworzą jedną całość. Łożysko składa się z ciągłej powierzchni roboczej 8 i konstrukcji wsporczej, składającej się z identycznych sekcji. Każda sekcja posiada całkowicie sztywny segment wsporczy 10, pionowy, częściowo sztywny segment wsporczy 20 w kształcie litery T i segmenty łączące 30, pomiędzy segmentami sztywnymi 10 i pionowymi wspornikami 20.

W przeciwieństwie do strun dyskutowanych w rozwiązaniu ideowym segmenty łączące 30 posiadają małą zdolność przenoszenia momentu, ale segmenty te wykonywane są tak

168 027 cienkimi, jak tylko to jest możliwe, aby jak najbardziej ograniczyć ich zdolność przenoszenia momentu. Gdy segmenty łączące są wykonywane jako coraz cieńsze ogranicza to ich zdolność do przenoszenia momentu, a zachowanie się konstrukcji wsporczej zbliża się do cech systemu teoretycznego, opisanego wyżej i pokazanego na fig. 1A-1C. Oczywiście segmenty łączące 30 muszą być na tyle grube, aby nie uległy zniszczeniu zmęczeniowemu lub innym uszkodzeniom pod wpływem obciążenia. Gdy element poziomu segmentu wsporczego w kształcie litery T znacznie się ugnie, korzyści uzyskane przez zastosowanie elementu poziomego, czyli zwiększenie względnej i poziomej odległości między górnymi narożami 20L i 20R wspornika są ograniczone. Dlatego też ważnym wnioskiem konstrukcyjnym jest, że element pionowy segmentu wsporczego w kształcie litery T winien być względnie sztywny w kierunku pionowym, a wówczas wspornik ten nie będzie się-znacznie uginał pod wpływem obciążenia.

Fig. 2A przedstawia konstrukcję wsporczą nieobciążoną. W takim stanie ciągła powierzchnia robocza łożyska jest płaska. Fig. 2B pokazuje ugięcie /w znacznej przesadzie/ konstrukcji wsporczej i odpowiadającąjej deformację powierzchni roboczej 8 gdy obciążeniejest przyłożone poprzecznie do powierzchni roboczej 8. Szczegółowo, jak pokazano to fig. 2B pionowe elementy segmentów wsporczych ugną się tak, że górne, lewe naroże 20L przyjmie pozycję znacznie powyżej pozycji górnego prawego naroża 20R. Jak to wspomniano, pozioma część segmentu wsporczego winna być względnie sztywna, w przeciwnym przypadku segment wspornikowy 20 o kształcie T mógłby się ugiąć w kształcie parasola, a przez to zmniejszyć efekt poziomego podniesienia naroża 20L w stosunku do naroża 20R. Konstrukcja wsporcza przyjmuje pozycję równowagi pokazaną na fig. 2B w konsekwencji ugięcia się segmentu wspornikowego 20 w kształcie-litery T /co powoduje wysoki wznios lewego naroża 20L nad prawym 20R/ oraz w wyniku ekstremalnie ograniczonej zdolności przenoszenia momentu segmentów łączących 30, a także przez brak ugięcia całkowicie sztywnych segmentów 10. W takiej pozycji powierzchnia robocza łożyska odkształcona jest na obwodowo rozłożony ciąg powierzchni klinowych. Gdy konstrukcja wsporcza jest tak zaprojektowana, aby uzyskać właściwe ugięcie, przestrzenie klinowe odpowiadają optymalnym klinom hydrodynamicznym, tak że wał który ma-być podparty w czasie obracania się jest podparty poprzez płyn sprężony przez kliny hydrodynamiczne między powierzchnią wału a ciągłą powierzchnią roboczą łożyska.

Pomimo tego, że specjalne zalecenia są niezbędne w odniesieniu do łożysk promieniowych i łożysk oporowych w celu ułatwienia zrozumienia istoty wynalazku, niektóre zasady projektowania łożyska stosuje się bez względu na rodzaj projektowanego łożyska. Przykładowo, obydwa typy łożysk pracują na zasadzie wytworzenia klinów hydrodynamicznych. Dalej, główna oś, zarówno łożyska promieniowego jak i oporowego jest osią centralną cylindrycznej przygotówki, z której łożysko jest kształtowane. Odpowiednio, gdy zarówno łożysko promieniowe, jak i oporowe jest symetryczne w stosunku do tej osi to łożysko takie jest łożyskiem dwukierunkowym.

Występują znaczne różnice między łożyskiem oporowym i promieniowym. Najistotniejszą różnicę stanowi część podparta wału, a w rezultacie zorientowanie i/lub położenie powierzchni konstrukcji wsporczej panewki łożyska. Szczegółowo, łożysko promieniowe wspiera obwodową część wału, łożysko oporowe wspiera występ lub osiową, końcową część wału. Następne różnice wynikają z tych różnic podstawowych. Przykładowo, w łożyskach promieniowych obciążenie jest przyłożone nierównomiernie wzdłuż powierzchni panewki, ciężar wału obciąża najniższą część powierzchni panewki. W łożysku oporowym obciążenie jest przyłożone równomiernie na całej powierzchni panewki. Co więcej, łożyska promieniowe w zasadzie posiadają naturalny klin hydrodynamiczny z powodu różnicy między średnicą wału i średnicą łożyska; i przeciwnie, taki naturalny klin nie występuje w łożyskach oporowych. W dodatku, gdy łożysko promieniowe utrzymuje stabilność obracania się wału i jego obciążenie, łożyska oporowe przenoszą tylko obciążenie. Należy także rozumieć, że konstruowanie łożysk promieniowych, a w szczególności hydrodynamicznych łożysk promieniowych jest znacznie bardziej złożone niż projektowanie łożysk oporowych. Częściowo wynika to z ograniczeń powstających w związku z koniecznością zmniejszenia popromieniowego wymiaru łożyska promieniowego. Pomimo tego, jak wynika to z tych rozważań, wiele omówionych zasad stosuje się zarówno do łożysk oporowych jak i promieniowych.

168 027

Przy czytelnym opisie łożysk według niniejszego wynalazku pomocnym jest opis struktury łożyska, jaka jest ukształtowana z cylindrycznej przygotówki przez wykonanie żłobków, szczelin, otworów i innych przestrzeni wewnętrznych w takiej przygotówce. Jak to opisano niżej jest to także metoda praktycznego wykonania prototypu łożyska. Jednakże odniesienie się do cylindrycznej przygotówki jest głównie wprowadzone dla ułatwienia zrozumienia przedstawionego wynalazku. Należy dodać, że chociaż wiele łożysk według niniejszego wynalazku może być wykonanych z cylindrycznej przygotówki, niejest niezbędnym aby tak wykonywać dowolne łożyska. Łożyska mogą być wykonywane szeregiem różnych technologii, z których niektóre będą dalej przedyskutowane.

Konstrukcja pokazana na fig. 3 to wycinek łożyska promieniowego posiadający żłobki, szczeliny i otwory w nim wytworzone, tak aby stworzyć ciągłą powierzchnię roboczą 8 wspartą na konstrukcji wsporczej, która posiada obudowę, szereg obwodowo rozmieszczonych całkowicie sztywnych segmentów 10, taką samą liczbę częściowo sztywnych, ukształtowanych w kształcie litery T segmentów wsporczych 20, rozmieszczonych między całkowicie sztywnymi segmentami 10 i pewną liczbę segmentów łączących 30, łączących całkowicie sztywne segmenty 10 z pionowymi wspornikami. Łożysko zbudowane przez wytworzenie żłobków i otworów jest symetryczne w stosunku do osi centralnej- 7 cylindrycznej przygotówki, z której łożysko jest wytworzone, czyli do głównej osi łożyska. Odpowiednio, pokazane łożysko jest promieniowym łożyskiem dwukierunkowym, czyli może być wykorzystywane do promieniowego podparcia wału gdy obraca się on w jednym lub w drugim kierunku. W pokazanym wykonaniu łożysko podpiera wał 5 przy obracaniu się zgodnie z kierunkiem ruchu wskazówek zegara lub w kierunku przeciwnym. Z drugiej strony, gdy łożysko jest niesymetryczne w stosunku do głównej osi 7 byłoby ono zdolne do podparcia wału 5 tylko przy obrocie zgodnym z kierunkiem ruchu wskazówek zegara lub w kierunku przeciwnym, natomiast nie mogłoby podpierać właściwie wału dla obu kierunków.

Fig. 3 przedstawia fragment łożyska promieniowego, posiadającego ciągłą powierzchnię roboczą 8 i zbudowanego z konstrukcji wsporczej, która pracuje według poprzednio omówionych zasad. Łożysko promieniowe składa się z ciągłej powierzchni roboczej 8, konstrukcji wsporczej zbudowanej z szeregu identycznych sekcji. Każda sekcja posiada całkowicie sztywny segment 10 pionowy segment wsporczy 20 w kształcie litery T i segmenty łączące 30, łączące segmenty sztywne 10 do pionowych, segmentów wsporczych 20 a także łączących pionowy segment wsporczy do sztywnego segmentu 10 sąsiedniej sekcji. Na fig. 3 kompletna sekcja oznaczona jest literą S, pokazane łożysko promieniowe posiada sześć takich sekcji.

Łożysko pokazane na fig. 3 ma korzystnie konstrukcję ciągłą i może być wykonane z cylindrycznej przygotówki przez wykonanie odpowiednich wycięć i żłobków, aby wytworzyć potrzebne elementy. Jest oczywistym, że wymiary poszczególnych elementów zależą od przewidywanego zastosowania, nie mniej obowiązują zasady ogólne. Po pierwsze, całkowicie sztywny segment 10 musi być względnie szeroki i gruby, aby zapewnić jego sztywność. Po drugie, wcięcia lub żłobki, które kształtują segmenty łączące 30 powinny być odpowiednio głębokie, dla uzyskania najmniejszej, możliwej grubości bez powstawania pęknięć, po to, aby silnie zredukować możliwość przenoszenia momentu przez segmenty łączące 30. Po trzecie, podstawa 20B pionowego segmentu wsporczego w kształcie litery T winna być jednym elementem konstrukcji wsporczej, który jest mocowany do obudowy lub innego elementu dla zapewnienia sztywności segmentu 20 w kierunku pionowym. Po czwarte, poprzeczny element wspornika pionowego 20 winien być względnie sztywny w kierunku pionowym, dla zapewnienia, ze nie będzie się on znacznie uginał pod wpływem zastosowanego obciążenia. Po piąte element pionowy segmentu pionowego powinien mieć wystarczająco mały przekrój aby zapewnić mu możliwość ugięcia pod wpływem przyłożonego obciążenia. Generalnie, moduł sprężystości segmentu pionowego może być zmniejszony, czyli zapewnić mu łatwą możliwość ugięcia przez bądź zwiększenie jego długości w stosunku do szerokości, bądź przez ograniczenie szerokości przez zastosowanie odpowiednich nacięć czołowych lub utworzenie żłobka, tak aby był on cieńszy w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny rysunku. Ponieważ podstawa 20B pionowego segmentu wsporczego 20 ma względnie niewielki przekrój, jest na ogół korzystnym zastosowanie dodatkowego elementu wsporczego 50 podpierającego segment 20 w obudowie.

168 027

W niektórych przypadkach, ten dodatkowy segment wsporczy 50 może być elementem pełnym, tak żeby tylko ugięcia segmentów koastrhtcji wsporczej łożyska 10, 20 i 30 decydowały o uginaniu się łożyska. Czasami jednakże, dodatkowy element wsporczy 50 może być tak zaproCektowaaż, aby również uginał się pod obciążeniem. Jest to szczególnie praktyczne dla wyrównania aieosiowoęri wału. Przykładowo, dodatkowy element wsporczy może być tak ukształtowany, że będzie podpierał podstawę 20B pionowego segmentu wsporczego na membranie, tak że cała konstrukcja wsporcza 10, 20, 30 będzie mogła być regulowana. Różne rozwiązania z dodatkowym segmentem wsporczym są niżej opisane i przedstawione na fig. 5-7 i 10-17.

Fig. 4 pokazuje budowę łożyska promieniowego, podobnego do pokazanego na fig. 3. Podobnie jak łożysko z fig. 3 takie łożysko posiada ciągłą powierzchnię roboczą 8, konstrukcję wsporczą zbudowaną z kompletu identycznych sekcji, z których każda składa się z segmentu całkowicie sztywnego 10, segmentów łączących 30 o ograniczonej możliwości przenoszenia momentu oraz z segmentów wspornikowych 20 w kształcie litery T i z dodatkowego segmentu łączącego 30 dla połączenia wspornika 20 z sąsiednim segmentem sztywnym.

Fig. 4 potazuje także, jak powtarzające się sekcje segmentów są połączone w jeden ciąg, aby utworzyć w zasadzie cylindryczną, ciągłą powierzchnię roboczą łożyska 8. Łożysko pokazane na fig. 4 posiada także dodatkowy segment wsporczy 50. W tym przypadku segment ten tworzy element ciągły w kształcie pierścienia. Jak to omówiono wcześniej, dodatkowy segment 50 może być różnie kształtowany, aby uzyskać różne charakterystyki ugięcia łożyska. Przykładowo, jeżeli dodatkowy segment wsporczy 50 podpiera pionowe segmenty wsporcze 20 -na membranie ciągłej, oś 8A ciągłej powierzchni roboczej łożyska może być ustawiana dla dostosowania do nieliniowości z osią wału. Jest to możliwe, ponieważ dodatkowy segment wsporczy 50 pozwala na przemieszczenie się podstawy 20B pionowych wsporników T-kształtnych do i od osi 8A. Różne konstrukcje dodatkowego -segmentu wsporczego są dalej przedyskutowane.

Podobnie jat łożysko pokazane na fig. 3, łożysko z fig. 4 może być wykonane różnymi technikami. Łożysko jest zasadniczo konstrukcją ciągłą. Prototypy i małe serie łożysk mogą być wykonywane z cylindrycznej przygotówki przez obróbkę mechaniczną i wycięcie odpowiednich szczelin, żłobków i otworów, dla wytworzenia odpowiednich elementów konstrukcji łożyska. Większe serie łożysk mogą być wytwarzane przez wtrysk lub kształtowanie matrycowe, jat to dalej opisano.

Fig. 5A i 5B oraz fig. 6A i 6B pokazują inne łożysko promieniowe według niniejszego wynalazku. Podobnie jat uprzednio opisane konstrukcje, łożyska posiadają ciągłą powierzchnię roboczą 8 i konstrukcję wsporczą złożoną z serii identycznych setcji. Tatże każda sekcja stłada się z segmentu sztywnego 10, pionowego T-kształtnego wspornika 20 i segmentów łączących 30. Podstawowa toastrhtcja wsporcza jest budowana przez wykonanie odpowiednich wycięć i otworów w ściance orsygotówti. Na ogół otwory te mają szerokość od 0,05 mm do 3,2 mm. Stopień ugięcia może być zmieniany, między innymi przez zmianę długości zastosowanych wcięć. Dłuższe wcięcia powodują dłuższe ramię momentu, a przez to silniejsze ugięcie. Krótsze wcięcia tworzą elementy o mniejszej elastyczności i większej możliwości przenoszenia momentu. Przy wykonywaniu wcięć o różnej długości trzeba pamiętać o możliwości powstania rezonansu.

Przez umieszczenie wycięć i szczelin jat to pokazano na fig. 5A i 5B i fig. 6A i 6B konstrukcja wsporcza łożyska odtształca się w sposób wyżej opisany. W rezultacie takich ugięć szczelina między roboczą powierzchnią łożyska 8 i zewnętrzną powierzchnią wału, przez ttórą przepływa płyn, formuje się w serię przestrzeni klinowych, które wywołują dobrze znany efett podparcia hydrodynamicznego wału. ogólnie stosunek szczeliny pomiędzy krawędzią spływu każdej przestrzeni Ślinowej i wałem do szczeliny miedzy krawędzią wpływu przestrzeni klinowej i wałem powinien wynosić 1:2 do 1:5. Innymi słowy, szczelina miedzy trawędzią wpływu i wałem powinna być 2 do 5 razy większa niż szczelina między trawędzią spływu i wałem. W celu otrzymania takiej idealnej szczeliny lub stosunku klinowego dla każdej konkretnej konstrukcji muszą być dobrane odpowiednie zmienne ugięcia obeCnująre liczbę, wielkość, lokalizację, kształt i charakterystyki materiału, z którego zbudowane jest łożysko. Klin idealny jest

168 027 uzależniony także od potrzebnej charakterystyki roboczej łożyska. Przykładowo, klin idealny dla cechy maksymalnego przeniesienia obciążenia nie jest taki sam, jak klin idealny dla zminimalizowania tarcia i związanego z tym zużycia energii. Analiza komputerowa metodą elementów skończonych stanowi najbardziej efektywne narzędzie dla optymalizacji tych zmiennych. Analiza wsparta zastosowaniem komputera jest szczególnie użyteczna dla łożysk opisanego wyżej typu, które są zdolne do ruchu we wszystkich sześciu kierunkach / mają sześć stopni swobody/.

W niektórych przypadkach stwierdzono, że łożysko zaprojektowane dla optymalnej pracy w zasymulowanych warunkach, nie zachowuje się optymalnie przy rzeczywistych warunkach pracy. Łożyska według niniejszego wynalazku mogą być dostosowywane do rzeczywistych warunków pracy w celu skorygowania ich niewłaściwej pracy. Bardziej szczegółowo, łożyska według niniejszego wynalazku mogą posiadać oddzielne elementy, fizycznie zmieniane, takie jak: kształt klina, powierzchnię panewki i/lub charakterystykę ugięcia konstrukcji wsporczej. Te oddzielne elementy mogą być sterowane przez jednostkę centralną komputera, która odwrotnie otrzymuje sygnały wskazujące jakość wytworzonego klina. Przykładowo, czujniki mogą wykrywać takie wielkości fizyczne jak: temperaturę, styk wału z panewką, moment, hałas, zużycie energii itd. Sygnały z czujników są przekazywane do CPU i porównywane z warunkami, przy których występuje optymalny klin. Gdy wystąpi znacząca różnica między aktualnie wykrytymi warunkami a warunkami wskazującymi istnienie klina optymalnego jednostka centralna komputera przekazuje sygnały do urządzeń fizycznego dostosowania kształtu klina, powierzchni panewki i/lub charakterystyki ugięcia struktury wsporczej żeby wymusić dostosowanie klina do wielkości optymalnej. Należy przypomnieć że optymalna charakterystyka klina zależy od przewidywanego zastosowania łożyska, czyli od warunków dużego obciążenia lub małego tarcia. Alternatywnie lub dodatkowo, jednostka centralna komputera może być przystosowana do bezpośredniego przyjmowania ręcznych rozkazów, takich jak ZWIĘKsZyĆ SZTYWNOŚĆ lub ZWIĘKSZYĆ WYSOKOSĆ KLINA. Po otrzymaniu takiego rozkazu CPU wykonuje rutynowe czynności niezbędne do osiągnięcia zamierzonego celu.

Dla osiągnięcia fizycznej zmiany jakości klina stosuje się różne środki. Przykładowo, jakość klina może być fizycznie zmieniona przez wpompowanie płynu hydraulicznego do przestrzeni tłumiącej /omówionej wyżej/ żeby zmienić charakterystykę tłumienia konstrukcji wsporczej łożyska. Alternatywnie, pręt mechaniczny lub podstawa śrubowa może być doprowadzana do kontaktu ze strukturą wsporczą dla wywołania zmiany charakterystyki ugięcia konstrukcji wsporczej łożyska. Każdy z tych sposobów może być sterowany elektronicznie. Chociaż można stosować wiele sposobów fizycznego dostosowania klina do stwierdzonych warunków pracy, aktualnie uznaje się, że najlepszym sposobem jest zastosowanie jednego lub kilku elementów piezoelektrycznych w szczelinach konstrukcji wsporczej łożyska lub między konstrukcją wsporczą a podstawą powierzchni roboczej łożyska. Zastosowanie elementów piezoelektrycznych umożliwia aktywną kontrolę lub dostosowanie kształtu panewki i jej położenia i wpływanie na charakterystykę ugięcia konstrukcji wsporczej. W szczegółach oznacza to, że zastosowanie prądu elektrycznego do niektórych kryształów i minerałów ceramicznych tak zwanych materiałów piezoelektrycznych może wytworzyć mechaniczne siły rozszerzające. Gdy przyłożone jest napięcie zmienne, materiały krystaliczne lub ceramiczne podlegają drganiom oscylacyjnym. Przy przyłożeniu prądu stałego grubość kryształu nie zmienia się. Natomiast jest znanym, że pewne materiały piezoelektryczne mogą zmieniać wymiary pod wpływem przyłożonego napięcia. Szczególnie znane są takie materiały jak: kwarc, winian sodowopotasowy, odpowiednio spolaryzowany tytanian baru, bezwodny fosforan amonu, zwykły cukier i niektóre materiały ceramiczne. Ze wszystkich tych materiałów wykazujących efekt piezoelektryczny żaden nie posiada wszystkich pożądanych własności takich jak: stabilność, duża wydajność, niewrażliwość na zmiany temperatury i wilgotności oraz możliwość kształtowania w dowolną formę. Winian sodowopotasowy zapewnia najwyższą wydajność lecz wymaga ochrony przed wilgocią i dostępem powietrza i nie może być stosowany powyżej 45°C. Kwarc jest niewątpliwie najbardziej stabilnym, jednak ma małą wydajność. Ze względu na swoją stabilność kwarc jest szeroko stosowany w oscylatorach elektronicznych. Wybór elementu piezoelektrycznego do zastosowań związanych z łożyskami według niniejszego wynalazku wymaga rozpatrzenia tych

168 027 i innych, znanych charakterystyk materiałów piezoelektrycznych w stosunku do przewidywanego zastosowania w łożyskach.

Elementy piezoelektryczne mogą być umieszczane w szczelinach dowolnego łożyska hydrodynamicznego według niniejszego wynalazku. Jednakże wygoda-umieszczania takiego elementu w konstrukcji wsporczej lub między konstrukcją wsporczą a panewką łożyska zależy od wymiarów tych szczelin i otworów. Ponieważ dalej opisane łożyska mogą posiadać bardzo różne wymiary szczelin i ponieważ wymiary tych szczelin zależą także od wielkości łożyska, wybór tych typów łożysk, z całej gamy łożysk, w których może być zastosowana kontrola piezoelektryczna zależy między innymi od średnicy zastosowanego łożyska.

Łożyska pokazane na fig. 5A, 5B i 6A, 6B różnią się od- łożysk pokazanych na fig. 3 i fig. 4 tym, że dodatkowy segment wsporczy 50jest zmodyfikowany dla zapewnienia dodatkowej elastyczności konstrukcji wsporczej.

W łożyskach pokazanych na fig. 5A i 5B segment wsporczy, membranowy wspierający konstrukcję wsporczą, wytworzony jest przez wprowadzenie ciągłego, zewnętrznego rowka na płaszczyźnie zewnętrznej łożyska promieniowego, który stanowi podcięcia dodatkowego segmentu wsporczego 50. Membrana jest podparta przez dwa ciągłe, zewnętrzne pierścienie 52 umieszczone na zewnętrznej płaszczyźnie membrany. Podobna membrana może być uzyskana przez wycięcie czołowe osiowego żłobka w dnie łożyska oporowego lub łożyska promieniowo-oporowego. Membrana pracuje jako tłumik płynowy, na którym konstrukcja wsporcza jest podparta w sposób płynny, tak że cała konstrukcja wsporcza może być dostosowana do nieosiowości wału. Elastyczność membrany, w połączeniu z płynem smarującym, stanowi sposób na zmianę funkcji tłumienia, a także izoluje panewkę od obudowy. Tłumienie ma podobny charakter jak działanie amortyzatora tłokowego, a więc jest silnie tłumiące.

Dodatkowy segment wsporczy 50 posiada odpowiednie nacięcia, żłobki, szczeliny i otwory, aby podzielić ciągłą membranę lub ciągłe pierścienie zewnętrzne 52 na jeden lub więcej dyskretnych elementów wspierających konstrukcję wsporczą.

Membrana jest wykonana przez uformowanie płytkiego, obwodowego rowka na zewnętrznej powierzchni łożyska; tak utworzona membrana wspiera się na dwóch, ciągłych elementach pierścieniowych 52. Ciągła membrana może być podzielona na szereg dyskretnych elementów wsporczych tworzących układ membrany z pierścieniami wsporczymi dla podparcia częściowo sztywnych segmentów wsporczych 20. Może to być osiągnięte przykładowo, przez wykonanie dużej liczby dużych, symetrycznie rożłożonych otworów, przez wykonanie mniejszych otworów lub /nieobowiązująco/ wykonanie małych, nierozmieszczonych symetrycznie otworów. Wykonanie niesymetrycznie rozłożonych otworów powoduje, że konstrukcja wsporcza jest bardziej elastyczna, a przez to nachylona w kierunku tych otworów.

Przykładowo, mogą być wykonane wewnętrzne podcięcia i szczeliny dla wytworzenia wycinka podpory na pierścieniowej konstrukcji wsporczej. Szczegółowo, łożysko jest wykonywane przez tworzenie żłobków i nacięć tworzących odcinki oparte na obudowie. Panewka jest połączona z odcinkami na wspornikach czopowych i znowu łożysko powstaje przez wykonanie wąskich nacięć i szczelin w ścianie łożyska.

Nacięcia i szczeliny mogą być tworzone pod podstawą powierzchni roboczej dla wprowadzenia dodatkowej elastyczności, tak że pod obciążeniem powierzchnia robocza zmienia kształt, tworząc kliny do wprowadzenia płynu smarującego. W ten sposób, przez podparcie segmentów w dwóch punktach, panewka pracuje jako sprężynująca membrana.

W budowie łożyska pokazanego na fig. 6A-6B dodatkowy element wsporczy jest podzielony na wycinki pierścienia dla podparcia każdego, pionowego, częściowo sztywnego T-kształtnego segmentu 20. Zestaw wycinków pierścieni posiada cienki, membranowokształtny pierścień 54 i pierścienie zewnętrzne 52; przewidziany jest element piezoelektryczny 100 pod każdą membraną. Zasilanie prądowe w postaci przewodów 101; lub taśm metalowych jest dołączone do każdego elementu piezoelektrycznego zapewniając dopływ prądu elektrycznego. Zasilenie prądem jest sterowane jednostką centralną komputera lub innym urządzeniem sterującym, do którego urządzenie zasilające jest dołączone.

Fig. 7 przedstawia konstrukcję innego łożyska promieniowego według niniejszego wynalazku. Łożysko jest wytworzone przez wykonanie stosunkowo dużych otworów, i podobnie jak

168 027 uprzednio opisane łożyska, posiada szereg identycznych sekcji, z których każda składa się z segmentu całkowicie sztywnego-10, segmentu częściowo sztywnego 20 i segmentów łączących 30. Z uwagi na to, że łożysko posiada ciągły przekrój, taka konstrukcja jak pokazano na fig. 7, może być wykonana techniką wtrysku lub formowania matrycowego, w prostej, dwuczęściowej matrycy, czyli jest łatwo formowalne.

Łożysko z fig. 7 posiada także dodatkowy segment wsporczy 50, który jest zmodyfikowany przez obwodowo rozłożone żebra wsporcze 56. Dzięki takiej obudowie częściowo elastyczny segment 20jest elastycznie podparty, bez rezygnacji z ciągłego przekroju łożyska i wynikających z tego korzyści. W szczególności, dołączone żebra 56 działają jako wsporniki podpierające pozostałą część dodatkowego segmentu wsporczego 50 w sposób elastyczny. Między innymi, pozwala to na dostosowanie łożyska do nieosiowości wału, który podpiera.

Konstrukcje łożysk z fig. 3-4 znamienne są tym, że konstrukcja wsporcza jest utworzona przez względnie duże otwory i szczeliny utworzone w cylindrycznej przygotówce. Zazwyczaj taki rodzaj konstrukcji byłby wykonywany przez frezowanie przygotówki, a nie przez obróbkę elektroiskrową lub inne podobne techniki stosowane do wykonywania małych otworów. Zaletą takiej budowy jest to, że w niektórych zastosowaniach, wymagających szczególnie małych łożysk, łatwiej jest wytworzyć dokładnie proporcjonalne, duże otwory i wycięcia, niezbędne do wykonania konstrukcji pokazanych na fig. 3 i 4, w porównaniu z proporcjonalnie mniejszymi wycięciami i otworami niezbędnymi w takiej konstrukcji jak przykładowo pokazane na fig. 5 i 6. Co więcej, większe wycięcia i otwory są w zasadzie łatwiejsze do uzyskania metodą wtrysku lub formowania matrycowego. Łożyska uzyskane przez wykonanie większych wycięć znajdują zastosowanie w skrajnie dużych łożyskach, ze sztywną konstrukcją wsporczą panewki łożyskowej.

Co więcej, łożyska pokazane na fig. 3, 4 i 7 posiadają ciągły przekrój bez ukrytych otworów. Z tego powodu łatwo je wykonać przez wtrysk i formowaniem matrycowym. Oczywiście konstrukcja wsporcza może być zmieniona poza sekcjami, przez wykonanie popromieniowych otworów, dla zmiany budowy konstrukcji wsporczej, a przez to do zmiany charakterystyki pracy.

Fig. 8 przedstawia łożysko o konstrukcji podobnej do konstrukcji z fig. 4, lecz w której wycięcia i otwory tworzące strukturę wsporczą wypełnione są porowatym tworzywem sztucznym 40 wysyconym płynem smarującym. Duża liczba otworów smarujących 42 w konstrukcji wsporczej, uchodzących do ciągłej powierzchni roboczej łożyska 8 zapewnia połączenie porowatego tworzywa, które jest źródłem płynu smarującego z powierzchnią roboczą. Pod obciążeniem, porowate tworzywo uwalnia płyn przez otwory smarownicze 42 do powierzchni roboczej, dla zapewnienia smarowania.

Fig. 9A-9C pokazują łożysko oporowe z ciągłą powierzchnią roboczą według niniejszego wynalazku. Fig. 9A jest widokiem z góry łożyska oporowego z pierścieniową i w zasadzie płaską powierzchnią, z częściowym wycięciem, dla uwidocznienia górnej części konstrukcji wsporczej, która składa się z segmentu całkowicie sztywnego 10, segmentu łączącego 30 łączącego ten segment sztywny do T-kształtnego segmentu, wsporczego 20, ze sztywnością pionową oraz drugi segment łączący 30, łączący segment wsporczy 20 -z segmentem sztywnym 10 sąsiedniej sekcji konstrukcji wsporczej. Wycięty dodatkowo, dalszy fragment ciągłej powierzchni roboczej 8 ujawnia alternatywną budowę T-kształtnego pionowego segmentu wsporczego 20. W szczegółach, pionowy element pionowego członu posiada ograniczony przekrój dla zwiększenia jego elastyczności i wzmocnieniajego działaniajako dźwigni. Mimo że fig. 9A pokazuje alternatywne rozwiązania elementów na jednym rysunku, uczyniono to tylko dla celów demonstracyjnych, w praktyce wykonanie wszystkich segmentów winno być identyczne.

Fig. 9b pokazuje schematycznie rozwinięcie przekroju łożyska oporowego z fig. 9A. Jak widać na rysunku, łożysko oporowe także posiada dodatkowy segment wsporczy 50, który może być wykonany w różny sposób, jak to będzie dalej opisane, segment służy do zmiany charakterystyki ugięcia łożyskajako całości. Pod obciążeniem łożysko odkształca się w sposób już wyżej opisany.

Fig. 9C pokazuje widok aksonometryczny łożyska oporowego z fig. 9A. Na fig. 9C widać także otwory smarownicze 42 na ciągłej powierzchni roboczej łożyska oporowego. Oczywiście,

168 027 takie otwory są tylko wtedy stosowane gdy przestrzenie wewnętrzne konstrukcji wsporczej łożyska wypełnione są porowatym tworzywem sztucznym, nasyconym płynem smarującym /nie jest to pokazane na rysunku/.

Fig. 9A-9C pokazują ciągłe, hydrodynamiczne łożysko oporowe według niniejszego wynalazku. Takie łożyska jak to już uprzednio opisano posiadają niektóre ze wspólnych cech z łożyskami promieniowymi. Przykładowo, podobnie jak łożyska promieniowe, łożyska oporowe pos.iadąją główną oś, określaną jako centralną oś przygotówki, z której formowane jest łożysko. Gdy łożysko oporowe jest symetryczne względem tej osi jest łożyskiem dwukierunkowym; gdy łożysko jest niesymetryczne względem swojej głównej osi jest łożyskiem jednokierunkowym. Jednakże, z uwagi na swoje inne funkcje, łożyska oporowe mają nieco odmienną budowę.

Fig. 9A pokazuje promieniową linię podziału RDL powierzchni roboczej łożyska. Powierzchnia robocza leży w płaszczyźnie, która jest w zasadzie poprzeczna do osi wału, który jest wsparty i do głównej osi łożyska. Oczywiście, gdy podstawa powierzchni roboczej ugina się pod obciążeniem lub jest pożądanym żeby łożysko było lekko ukośne w stosunku do wału w stanie statycznym, powierzchnia robocza może być niezupełnie płaska i nieco ukośna w stosunku do swojej głównej osi lub osi podpieranego wału.

Szczególnie wiele uwagi przy projektowaniu łożysk oporowych według niniejszego wynalazku poświęca się zabezpieczeniu przed wyciekiem płynu smarowniczego. Dzięki ciągłej konstrukcji powierzchni roboczej, łożyska według niniejszego wynalazku zapewniają wyjątkowe warunki szczelności. W dużym stopniu ta cecha jest uzyskana przez takie uformowanie konstrukcji wsporczej, że pod obciążeniem wewnętrzna krawędź powierzchni roboczej ugina się do dołu /według rzutu pokazanego na fig. 9A/, a górna krawędź - do góry. Każde z łożysk oporowych tutaj opisane może być tak zaprojektowane. Przykładowo, w łożysku pokazanym na fig. 9, częściowo sztywne segmenty mogą być tak podcięte, aby wypadały w stosunku do powierzchni panewki 8 w punktach bliższych krawędzi zewnętrznej, ciągłej powierzchni roboczej. W ten sposób środek podparcia wału będzie umieszczony popromieniowo na zewnątrz od promieniowej linii podziału pokazanej na fig. 9A. Gdy łożysko jest tak zaprojektowane, pod obciążeniem jego wewnętrzna krawędź ugnie się w dół. W czasie pracy ugięcie w dół odpowiada ugięciu w kierunku od wału, a ugięcie w dół zewnętrznej krawędzi powierzchni roboczej łożyska odpowiada ugięciu w kierunku wału. Łożysko w stanie ugiętym znacznie zapobiega stratom płynu, jakie w innych przypadkach występują, w wyniku działania siły odśrodkowej. Dodatkowo lub alternatywnie, panewki mogą być specjalnie odkształcane za pomocą np. elementów piezoelektrycznych, tak aby sprzyjać utrzymaniu płynu.

Powierzchnia robocza łożyska jest wsparta na konstrukcji wsporczej /wyżej opisanej/. Konstrukcja wsporcza może być z kolei wsparta na dodatkowym segmencie wsporczym 50. Segment ten może być w kształcie membrany lub pierścienia opartego na dwóch pierścieniach ciągłych, tworzących jego podstawę 52.

Przez wykonanie otworów lub wycięć w pierścieniu lub w membranie, membrana ciągła staje się zbiorem elementów podpierających. Alternatywnie, ciągły pierścień podstawy membrany może być zastąpiony zbiorem krótkich fragmentów pierścienia, a nawet całkowicie wyeliminowany, co stwarza podparcie w sposób dźwigniowy. Gdy otwory i wycięcia są symetrycznie rozłożone w stosunku do głównej osi łożyska jest ono symetryczne i dlatego dwukierunkowe.

Otwory i wycięcia dzielące cięgło membranowe na odcinki pierścienia mogą być okrągłe, dla ułatwienia wykonania prototypu łożyska /otwory okrągłe mogą być łatwo wywiercone w materiale łożyska/. Dotyczy to wszystkich tutaj opisywanych łożysk.

Pomimo tego, że kształt podpór może wynikać z wygody wykonania, kształt ten ma wpływ na zachowanie się danego łożyska. Tak więc, chociaż określony kształt łożyska mógł być dobierany z uwagi na łatwość wykonania, to przyjmuje się, że musi on zapewnić doskonała pracę w konkretnym zastosowaniu. Każda zmiana kształtu może wpłynąć na zachowanie się łożyska przez, przykładowo, zmianę charakterystyki ugięcia segmentów wsporczych panewki. Dlatego, gdy rozważane są inne kształty podpór, panewek i membran trzeba brać pod uwagę zarówno łatwość wykonania jak i wpływ na zachowanie się łożyska.

168 027

Przykłady innych wykonań łożysk oporowych pokazane są na fig. 10-16. Każda z figur pokazuje widok z tyłu /AJ i przekrój /B/, /ponieważ powierzchnia robocza B jest zawsze ciągła, a łożyska oporowe posiadają budowę podstawy powierzchni roboczej typu pokazanego na fig. 9A i 9C/. Różnica między tymi łożyskami a łożyskiem z fig. 9A-9C głównie polega na innej budowie dolnej części częściowo sztywnych segmentów wsporczych 20. Jakkolwiek nie jest to pokazane, każde z łożysk oporowych według niniejszego wynalazku może być modyfikowane, jak to już wyżej przedyskutowano, przez wprowadzenie wycięć, otworów i żłobków w dodatkowym segmencie wsporczym, aby uzyskać różne podparcia membrany segmentu.

Fig. 11A-11B pokazują inne wykonanie łożyska. Takie łożyska posiadają częściowo sztywne segmenty posiadające wewnętrzny, obwodowy człon wsporczy 20I, zewnętrzny obwodowy człon wsporczy 200, wewnętrzną, skrajną membranę 55I i zewnętrzną skrajną membranę 550 oraz wewnętrzny i zewnętrzny pierścienie wsporcze 52. Jak to najlepiej widać na fig. 11B, obwodowe pierścienie wsporcze 20I, 200 są częściowo wykształcone przez wytoczenie głębokiego, obwodowego kanału w dnie łożyska. Pierścienie wsporcze mogą być wytworzone- przez wykonanie szeregu wcięć i otworów rozłożonych symetrycznie wokół konstrukcji wsporczej panewki, które dzielą te pierścienie na liczne odcinki.

Fig. 12Ά i 12B pokazują inn e łożysko wedłu g niejejszego wynalik:ku. Wedłu g taki ej konstrukcji, częściowo sztywny segment 20 posiada element czopowy20S, który jest z kolei wsparty na poziomym elemencie 20H, który jest z kolei oparty na pochyłym do środka, kątowym wsporniku 20I. Łożyska w innych szczegółach konstrukcyjnych są podobne. Element piezoelektryczny może być umieszczony między podstawą powierzchni roboczej a poziomym elementem wsporczym.

Fig. 13 pokazuje podobne łożysko z pionowym wspornikiem 20V zastępującym element pochyły. Brak nachylonego elementu tego łożyska powoduje, że jest ono sztywniejsze w kierunku pionowym.

Fig. 14A-14B przedstawiają inne wykonania konstrukcji łożyska według niniejszego wynalazku.

Dolna część każdego częściowo sztywnego segmentu wsporczego 20 jest zbudowana ze względnie sztywnego elementu stożka ściętego 200 i odpowiadającego mu elementu wspartego na dodatkowym segmencie wsporczym, który posiada rozdzieloną zewnętrzną membranę 55 podpartą na dwóch pierścieniach zewnętrznych 52. Te pierścienie 52 są podobne do konstrukcji uprzednio opisanych. Membrana 55 różni się od poprzednio opisanych membran tym, że jest popromieniowo rozcięta przez żłobek uformowany w dnie konstrukcji wsporczej łożyska, które tworzy wpasowany stożek ścięty. Zewnętrzna część stożka jest nachylona w stosunku do części pionowej, tak że średnie osie obu części przecinają się w punkcie 35, położonym powyżej powierzchni roboczej łożyska 8 i posiadają przekrój podobny do odwróconej litery V. Ponieważ średnie osie części przecinają się ponad powierzchnią powierzchni roboczej; jest ona podparta obrotowo w stosunku do punktu położonego nad powierzchnią roboczą. Zapewnia to właściwe ugięcie.

Alternatywnie, elementy 200 i 20V mogą być nachylone w stosunku do siebie pod tym samym kątem, nachylone w stosunku do siebie pod różnymi kątami, jeden wspornik nachylony, a drugi nie nachylony lub nachylone w jednym kierunku. Oczywiście zmiany stopnia nachylenia wpływają na charakterystykę ugięcia łożyska.

Pewna liczba otworów i wycięć może być symetrycznie rozłożona, aby podzielić strukturę w kształcie odwróconej litery V na liczne wsporniki i podzielić podstawę na skończoną liczbę podpór. W ten sposób dolna część częściowo sztywnego segmentu może być uformowana w podwójny zestaw elementów podporowych, które są nachylone w stosunku do siebie i tworzą układ geometryczny, utworzony przez rozłożone walcowo otwory przenikające strukturę w kształcie odwróconej litery V.

Liczne inne modyfikacje mogą być zastosowane w budowie konstrukcji wsporczej łożyska. Przykładowo, stopień ugięcia konstrukcji może być zmieniony przez zmianę nachylenia wsporników, zmianę umieszczenia otworów i wycięć tworzących nogi konstrukcji, zmianę długości wsporników i membran i zmianę szerokości i grubości dowolnego wspornika i membrany.

168 027

Fig. 15 pokazuje zmodyfikowane łożysko, w którym zewnętrzny wspornik stożkowy 200 jest dużo mniej sztywny, niż wspornik z fig. 14A i 14B. Pod innymi względami łożyska są bardzo podobne.

Fig. 16 pokazuje zmodyfikowane łożysko w którym częściowo sztywny segment ma wspornik wklęsło-wypukły 20C.

Fig. 20A, 20B, 20C i 20D pokazują inną formę łożyska z ciągłą powierzchnią roboczą według niniejszego wynalazku.

Łożysko pokazane na fig. 20 ma budowę opartą na ciągłej cylindrycznej podstawie powierzchni roboczej 70 i pewnej liczbie elastycznych występów w kształcie ucha, o średnicy zewnętrznej O.D. Występy posiadają cienką szyjkę łączącą 80, łączącą jeden kraniec ucha 90 do ciągłej podstawy 70. Jak widać, na fig. 20, łożysko ma kształt pierścienia z pewną liczbą, w tym przypadku z czterema, promieniowymi występami w kształcie ucha. Jak pokazano na przekrojach 20A, 20B i 20C łożysko ma przekrój w kształcie litery U.

Średnica zewnętrzna /O.D./ łożyska określona skrajnymi powierzchniami 93 występów jest znacząco większa od cylindrycznej średnicy obudowy, w której łożysko jest montowane. Z uwagi na elastyczne połączenie występów z podstawą powierzchni roboczej 70 przez szyjki 80 ucha 90 mogą się ugiąć promieniowo do ośrodka i umożliwić montaż łożyska w obudowie. Gdy średnica zewnętrzna /O.D./ jest właściwie dobrana, ugięcie ucha 90 będzie wystarczające do odkształcenia podstawy ciągłej powierzchni roboczej 70. Takie odkształcenie w dużej przesadzie jest pokazane na fig. 20D. W ten sposób powierzchnia robocza uformowanajest w szereg klinów, które, podobnie jak w uprzednio opisanych łożyskach, umożliwiają hydrodynamiczne podparcie wału. Powierzchnia nie odkształcona jest pokazana na fig. 20D linią przerywaną.

Istnieje wiele sposobów wykonania potrzebnych elementów łożyska, czyli ciągłej podstawy powierzchni roboczej, szyjek i uszu. W rezultacie może być wiele możliwych wykonań. W wykonaniu pokazanym na fig. 20, 20A, 20B, 20C i 20D ciągła podstawa powierzchni roboczej 70 występuje w postaci ciągłej membrany 71 z odstającymi popromieniowo wspornikami 72 na obu jej poosiowych końcach. Dzięki takiej budowie membrana 71 ma tendencję do tworzenia kanału pod wpływem obciążenia, co pomaga w utrzymaniu płynu smarującego. Uszy 90 są ukształtowane jako występy wsporników 72 i mają kształt wycinka koła. Ponieważ uszy są ukształtowane jako występy wsporników 72, są one rozłożone obwodowo, parami na przeciw siebie, jak to widać na fig. 20A i fig. 20B. Szyjki 80, łączące ucho 90 do podstawy 70 są wykonywane przez utworzenie /obróbkę mechaniczną/ wycięcia 73 między podstawą 70 i występem 90. Dzięki takiej budowie uszy 90 posiadają popromieniowo wewnętrzną powierzchnię 97, najbardziej odległą od szyjki 80. Powierzchnia 97 zbliża się do punktu 75 na podstawie powierzchni roboczej 70 gdy uszy 90 uginają się, aby umożliwić umieszczenie łożyska w obudowie.

Forma łożyska z fig. 20 powinna zapewnić dobre wyniki eksploatacyjne, lecz możliwe są także inne wykonania. Przykładowo, łożysko według fig. 20 może mieć pełny przekrój, zamiast U-kształtnego, jaki jest pokazany na fig. 20A-20C. W takim przypadku łożysko łatwo można wykonać formowaniem matrycowym. Także grubość podstawy powierzchni roboczej 70 może być zmieniona, można także zmienić wymiary i kształt uszu i szyjek występów. Potrzeba jedynie, aby podstawa 70 formowała się w szereg klinów w czasie montażu łożyska do obudowy.

Zgodnie z inną formą niniejszego wynalazku, jeden lub więcej elemetów piezoelektrycznych może być zamontowanych w łożysku według fig. 20, dla umożliwienia precyzyjnej kontroli tworzenia się klinów w czasie pracy łożyska. Przykładowo, fig. 20 pokazuje element piezoelektryczny 100 wmontowany w skrajnym, zewnętrznym punkcie 100 jednego ucha 90 i inny element piezoelektryczny 100 wmontowany w wewnętrznej powierzchni tego ucha 90. W praktyce takie elementy powinny być montowane we wszystkich uszach, aby zapewnić symetrię kontroli. Lecz z drugiej strony, nie należy umieszczać elementów piezoelektrycznych na zewnętrznej powierzchni o średnicy O.D. łożyska 93 i na powierzchni zewnętrznej 97 ponieważ, jak to będzie opisane, takie elementy wykonują taką samą funkcję, czyli dostosowują wewnętrzne ugięcie uszu tak, że zmienia się profil klina.

Zasilanie elementów piezoelektrycznych 100 prądem stałym może zmienić wymiary tych elementów. Gdy elementy piezoelektryczne są umieszczone w odpowiednich miejscach ich

168 027 rozszerzenie się lub skurczenie, może wywołać ugięcie w mniejszym lub w większym stopniu podstawy powierzchni roboczej 70 przyległej do punktu 75 i przez to zwiększyć lub zmnniejszyć wymiary klina. Wpływa to na efekt hydrauliczny klina.

W razie potrzeby element piezoelektryczny może być sterowany jednostką centralną komputera, która może być zaprogramowana tak, żeby efekt zasilenia elementu piezoelektrycznego powodował odpowiednie działanie równoważne ręcznym rozkazom, na przykład ZWIĘKSZYĆ WYSOKOŚĆ KLINA. Alternatywnie lub dodatkowo, CPU może dostosowywać zasilanie elementów piezoelektrycznych do aktualnych warunków pracy łożyska, wykrywanych przez czujniki zdolne do wykrycia parametrów fizycznych takich jak: temperatura, moment, ciśnienie płynu, styk wału z panewką, które świadczą o jakości klina.

Fig. 17A-17C pokazują kombinowane łożysko promieniowo-oporowe według niniejszego wynalazku. Łożysko z fig. 17 jest- bardzo podobne do łożyska z fig. 9 i zastosowano podobne liczby do oznaczenia podobnych elementów budowy. Łożysko kombinowane różni się od łożyska promieniowego tym, że powierzchnia robocza 8 jest nachylona w stosunku do głównej osi łożyska. Dzięki takiemu nachyleniu łożysko promieniowo-oporowe podpiera obciążenie zarówno wzdłuż głównej osi, jak i obciążenie po promieniu.

Wał, który ma być podparty przez nachyloną powierzchnię łożyskową musi być wyposażony w kołnierz oporowy, z kątem nachylenia pasującym do kąta nachylenia powierzchni łożyska. Część osiowego obciążenia przenoszona przez łożysko i część 'obciążenia popromieniowego zależy od kąta powierzchni panewki. Gdy panewka jest pochylona pod kątem w stosunku do głównej osi, obciążenie osiowe łożyska może być określone z następującego równania:

Przyłożone obciążenie osiowe = Całkowite obciążenie osiowe /sin x/ i podobnie, obciążenie poprzeczne, popromieniowe przyłożone do łożyska może być określone z następującego równania:

Przyłożone obciążenie popromieniowe - Całkowite obciążenie popromieniowe /cos x/

Konstrukcja wsporcza łożyska pokazanego na fig. 17 jest podobna do konstrukcji łożyska pokazanego na fig. 9. ·

W zasadzie wszystkie elementy konstrukcyjne opisane w niniejszym opisie mogą być zastosowane w budowie łożyska kombinowanego, promieniowo-oporowego, przedstawionego na fig. 17. Dla osiągnięcia charakterystyki łożyska kombinowanego powierzchnia panewki musi być nachylona pod kątem zawartym miedzy 0° i 90° w stosunku do osi głównej. Co więcej, potrzeba przeniesienia zarówno osiowego jak i promieniowego obciążenia ma wpływ na kształt konstrukcji wsporczej panewki.

Ważną formą niniejszego wynalazku jest zapewnienie kształtów łożyska łatwych do wykonania obróbką mechaniczną. Innymi słowy, kształty łożysk, które mogą być osiągnięte przez obróbkę grubościennej tulei lub podobnej cylindrycznej przygotówki używając normalnych technik obróbczych. Takie łożyska są znamienne tym, że są one wykonane z odcinka tulei grubościennej, z cylindrycznej lub o zbliżonym kształcie przygotówki przez wykonanie otworów, szczelin i żłobków. Zaletą takich łożysk jest łatwość wykonania prototypu i możliwość poprawy takiego prototypu po przeprowadzeniu badań. Oczywiście, gdy takie łożyska są produkowane w dużych seriach, przy zastosowaniu, przykładowo, kształtowania matrycowego lub odlewania, inne warunki produkcji mogą dyktować inne kształty. Dlatego ważnym jest, w jaki sposób zmiany kształtu łożyska wpływają na jego prawidłowe działanie. Inną korzyścią z punktu widzenia techniki wytwarzania jest łatwość otrzymania łożyska kształtowaniem matrycowym. Większość konstrukcji łożysk według niniejszego wynalazku może być łatwo wykonana tą techniką. Jednakże tylko określone kształty mogą być uzyskane matrycowo, w prostej, dwuczęściowej matrycy, czyli w matrycy nie zawierającej rdzeni. Inną zaletą łożysk według niniejszego wynalazku jest to, że korzystnie mogą być one kształtowane tak, że można je łatwo wykonać w dwuczęściowej matrycy. Taki kształt charakteryzuje się brakiem ukrytych otwo22

168 027 rów, które wymagałyby stosowania rdzeni. Przykładowo dotyczy to wykonania wcięć popromieniowych w wewnętrznej i zewnętrznej średnicy i w ciągłym osiowym przekroju poprzecznym. Pokazane przykłady są łożyskami promieniowymi łatwo kształtowanymi w matrycach.

Podobnie, łatwo kształtowalne matrycowo łożyska oporowe znamienne są tym, że mogą być wytłaczane z pojedynczą linią podziału matrycy, czyli przykładowo patrząc z góry lub z dołu widać jest wszystkie powierzchnie konstrukcji.

Fig. 18 pokazuje łożysko oporowe łatwo kształtowane matrycowo. Łożysko posiada konstrukcję wsporczą z całkowicie sztywnymi segmentami 10, częściowo sztywnymi segmentami 20 i segmentami łączącymi 30. Konstrukcja wspiera powierzchnię roboczą 8.

Możliwe są różne warianty przedstawionych łatwo kształtowalnych wsporczych łożyska. Przykładowo, może być zmieniana długość i grubość dowolnego elementu dla uzyskania różnych charakterystyk ugięcia. Dolny wspornik 20L częściowo sztywnego segmentu 20 może być szczególnie łatwo modyfikowany przez wymiary i kształt dla uzyskania różnych własności roboczych.

Dla zilustrowania różnych możliwych konstrukcji wsporczych fig. 18C pokazuje różne rozwiązania dla częściowo sztywnych segmentów 20. Na rysunku przedstawiony jest widok od tyłu pokazujący takie różne wykonania. Oczywiście trzeba pamiętać, że te różne rozwiązania podane są tylko dla celów demonstracyjnych, a w normalnym łożysku wszystkie segmenty częściowo sztywne muszą być identyczne. Jak widać z rysunków łożyska łatwo kształtowalne matrycowo nie posiadają żadnych ukrytych otworów wymagających skomplikowanych kształtów matrycy i stosowania rdzeni. Przykładowo, na fig. 18, ponieważ wszystkie powierzchnie robocze są bezpośrednio widoczne z góry i z dołu, łożysko może być wykonane w prostej, dwuczęściowej matrycy. Pierwsza część matrycy kształtuje elementy widoczne tylko z góry, a druga część matrycy elementy widoczne z dołu łożyska z fig. 18A. Powierzchnie, których krawędzie widoczne są zarówno na fig. 18A jak i 18B mogą być wykonane przez dowolną z obu części matrycy. Na pokazanym łożysku łatwość kształtowania matrycowego jest uzyskana przez to, że drugorzędne i trzeciorzędne elementy wsporników są obwodowo rozmieszczone w przestrzeni między panewkami.

Oczywiście każda budowa zapewnia inne charakterystyki ugięcia, co należy uwzględniać przy dostosowywaniu łożyska do tworzenia idealnych klinów. Dodatkowo, charakterystyka optymalnego klina jest uzależniona od zastosowania łożyska, czyli czy chodzi o pracę w warunkach dużego obciążenia, czy pracę z minimalnym tarciem w łożysku.

W niektórych łożyskach panewkowych, smarowanych gazem lub powietrzem występują momenty obciążenia lub prędkości przekraczające możliwości filmu powietrznego. W takich przypadkach koniecznym jest wprowadzenie smaru płynnego do płaszczyzny współpracy bez zainstalowania zasobnika smaru płynnego. Fig. 8 i fig. 9 pokazują konstrukcje łożyskowe dla takich zastosowań. Jest to nowoczesne łożysko samosmarne według następnej formy niniejszego wynalazku. Łożysko posiada budowę nie różniącą się od uprzednio opisanych konstrukcji, natomiast jego otwory i przestrzenie wewnętrzne zostały wypełnione materiałem smarującym.

Zastosowano tworzywo twardniejące w postaci porowatej, które jest w stanie zaabsorbować płyn smarujący przez zanurzenie. W zasadzie tworzywa porowate można uzyskać z różnych materiałów przez wtrysk powietrza do płynnego tworzywa, by wytworzyć pory. Tworzywo porowate może być nasycone płynem smarującym metodą knota.

Łożysko smarowane jest tworzone przez zastosowanie konstrukcji łożyskowej łożyska promieniowego, oporowego lub kombinowanego według niniejszego wynalazku i wlanie lub wtryśnięcie normalnych tworzyw porowatych w otwory i przestrzenie wewnętrzne łożyska. Otwory i przestrzenie w takich łożyskach są połączone ze sobą i z panewką. W wyniku takiej konstrukcji, podczas pracy ruch wału i jego nacisk na konstrukcję wsporczą łożyska powoduje wyciskanie smaru z tworzywa i przepływ smaru na panewkę. Utworzenie klinów wypełnionych płynem znacznie zwiększa obciążalność i możliwą prędkość maksymalną łożyska.

Ważną formą niniejszego wynalazku jest zaproponowanie struktury kompozytowej łożyska, łączącej normalne materiały konstrukcyjne z porowatym tworzywem. Możliwe jest wówczas wykorzystanie zalet obu tych materiałów. W szczegółach, same tworzywa porowate stanowią materiał o niekorzystnej charakterystyce na łożyska panewkowe, ponieważ pory w

168 027 tworzywie tworzą luki, które nie pozwalają na powstanie bardzo cienkiego filmu płynu smarującego. Z drugiej strony, toaweacjoaalae materiały łożyskowe jat tworzywa i metale nie posiadające porów, nie są zdolne do zaabsorbowania odpowiedniej ilości smaru. Natomiast przez zastosowanie obu materiałów w opisany sposób można uzyskać sprawne, samosmarujące się łożysko hydrodynamiczne. Występuje tatże efekt syaergiczay przy połączeniu wspólnego zastosowania zwykłych materiałów łożyskowych i tworzyw absorbujących płyn smarujący. Przykładowo, ugięcie się konstrukcji wsporczej łożyska korzystnie wpływa na wypływanie płynu smarującego przez otwory smarownicze. Co więcej, ukształtowanie powierzchni roboczej w kliny i formy utrzymujące płyn pomaga w utrzymaniu płynu.

Fig. 8 i 9C pokazują dwa przykłady samosmarnych łożysk panewkowych według niniejszego wynalazku. Rysunki te pokazują łożyska podobne do już opisanych, z tym że są one zmodyfikowane przez umieszczenie tworzyw porowatych absorbujących płyn smarujący w przestrzeniach między elementami konstrukcji wsporczej łożyska. Do pewnego stopnia konstrukcja ta tworzy szkielet, w którym znajduje się tworzywo pracujące jak gąbka pochłaniająca i uwalniająca płyn smat·ują^cż.

Fig. 8 pokazuje aamoamaohCące się łożysko o konstrukcji wsporczej bardzo podobnej do łożyska z fig. 4. Modyfikacja polega na wypełnieniu konstrukcji wsporczej łożyska tworzywem porowatym i wytworzeniu otworów do przepływu płynu smaouCąceąo na powierzchnię roboczą łożyska 8.

Podobnie, fig. 9C pokazuje rzut aksonometotczny łożyska o konstrukcji pokazanej na fig. 9A i 9B. I tutaj porowate tworzywo jest wstrzyknięte w wewnętrzne przestrzenie konstrukcji wsporczej łożyska miedzy panewkami. Przewidziano także otwory smarujące.

W szczegółach, podobnie jak łożysko z fig. 8 wewnętrzna konstrukcja wsporcza łożyska z fig. 9C posiada przestrzenie mieszczące smar i otwory doprowadzające go do panewki. W czasie pracy ruch wału i nacisk na elementy konstrukcji wsporczej powoduje wpływ smaru i doprowadzenie, go do t^t^ao^ę^eizi wlotów klinów hydraulicznych. Wytworzenie wypełnionych smarem klinów zwiększa znacznie możliwości przenoszenia obciążeń i pracę z większymi prędkościami łożyska.

Wytwarzanie samosmarującyrh się łożysk z panewką elastyczną obejmuje trzy fazy. W pierwszej tworzony jest podstawowy szkielet łożyska, ze zwykłego materiału łożyskowego. Ten szkielet musi posiadać przepusty dla płynu smarującego. W drugiej fazie wtryskuje się porowate tworzywo w odpowiednie przestrzenie w konstrukcji wsporczej. Dla wygody wykonania tworzywo jest wtryskiwane bez płynu snaoująrego. W trzeciej fazie łożysko wypełnione tworzywem jest nasycane płynnym smarem. Właściwe nasycenie osiąga się przez efekt tapilarny, łożysko wciąga smar z jednej strony.

Jat podano w odniesieniu do tażdego z przykładów objaśniających łożyska według niaiejszeąo wynalazku mogą być budowane tat, aby zapewnić współczynnik tlina 1:2 do 1:5, mieć deformowalną powierzchnię roboczą, której kształt może być zmieniany, pozwalają na sześć stopni swobody ruchu panewki i mogą mieć zdolności tłumienia amortyzatorowego. Łożyska typowo posiadają toastrutcje ciągłą.

Dzięki wytworzeniu klina przez ugięcie przestrzeni roboczej i przez możliwość ruchu powierzchni w sześciu stopniach swobody łożysta według niniejszego wynalazku wykazują wyjątkowe własności pracy. W szczegółach, zmienność wymiarów i ugięć obejmuje: liczbę, wymiary, kształt, umieszczenie i materiał elementów wytworzonych w ciągłym łożysku, ttóre mogą być dostosowywane do różnych, specjalnych warunków pracy, przy różnych obciążeniach łożysta. Wśród tych zmienaaych kształt toastrhtcji wsporczej i istnienie dodatkowego segmentu wsporczego ma szczególne znaczenie. Wpływ kształtu segmentów wsporczych ma charakterystykę ugięcia konstrukcji wsporczej może być oceniony gdy na przykład zastosujemy wzór na moment bezwładności bh³/12 /w jednostkach brytyjskich/, który stanowi główny składnik modułu sprężystości dla przekroju prostokątnego z= I/c = bh2/6. Co więcej, możliwość ruchu panewki z sześcioma stopniami swobody zezwala łożysku na kompensowanie aieosiowoęri wału. Pod tym względem można powiedzieć, 0e łożysta według niniejszego wynalazku posiadają charakterystykę samoteghlacyCaą, powodującą, że łożysto ma tendencję do stanu aieoeksstałroaeąo ze względu na swoją sztywność. Oczywiście, sztywność łożystajest w pierwszym

168 027 rzędzie funkcją kształtu konstrukcji wsporczej, ale także innych zmiennych ugięcia jak: liczba, wielkość, umieszczenie i materiał elementów ukształtowanych przez wycięcia i szczeliny wykonane w ciągłym materiale. Sztywniejsze łożysko posiada,większą tendencję do samoregulacji, lecz jest mniej podatne na możliwość dostosowania się do nieosiowości wału.

W małych ilościach opisywane łożyska są korzystnie wykonywane obróbką elektroiskrową lub cięciem promieniem lasera. Podwójne linie na rysunkach /przykładowo fig. 5 i 6/ pokazują rzeczywiste ślady przejścia elektrody lub promienia laserowego, które normalnie mają średnicę 0,50 - 1,52 mm. Płyn smarujący, który wpływa do śladów po obróbce elektrodą kształtującą działa jak tłumik, który ogranicza wibracje i ruch obrabianego materiału przy częstotliwościach rezonansowych. W przypadkach wyżej opisanych, gdy obrabiana jest cylindryczna membrana, tłumienie ma formę tłumienia amortyzatorowego, o wysokiej charakterystyce tłumienia. Dużą uwagę należy poświęcić aby długość i kierunek konstrukcji wsporczej układała się tak, aby ugięcia następowały do środka. Niewielkie ugięcia się samej panewki w kierunku obciążenia powodują zmianę ekscentryczności; co dalej poprawia własności łożyska. W podręczniku Projektowanie Elemntów Maszyn /Faires, Desing of Machinę Elements/ odległość między środkiem łożyska a środkiem wału nazywana jest ekscentrycznością łożyska. Taka terminologia jest dobrze znana fachowcom. Przy nowym podejściu do dobierania i modyfikowania sztywności konstrukcji łożyska, a w szczególności kształtowania wsporników dla zapewnienia określonych własności, łatwo jest osiągnąć własności optymalne. Według ostatnio przeprowadzonych analiz komputerowych można praktycznie osiągnąć dowolną sztywność lub ugięcie.

Jak to już podano, przy produkcji małoseryjnej lub wytwarzaniu prototypu łożysk według niniejszego wynalazku korzystnie jest stosować obróbkę elektroiskrową lub laserową. Takie prototypy i małe serie są zazwyczaj wykonywane w metalu. Jednakże, gdy planuje się produkcję wielkoseryjną pewnego typu łożyska, bardziej ekonomiczne są inne metody obróbki, takie jak: wtrysk matrycowy, odlewanie, kształtowanie matrycowe proszków metali i wytłaczanie. Przy tych metodach może być bardziej ekonomiczne zastosowanie tworzyw, materiałów ceramicznych, proszków metali lub kompozytów. Można założyć, że takie metody obróbki jak: wtrysk matrycowy, odlewanie, kształtowanie matrycowe proszków metali ze spiekaniem oraz wytłaczanie są wystarczająco znane, aby nie opisywać ich tutaj. Można także założyć, że gdy już jest zbudowany prototyp łożyska, metoda produkcji matrycy lub innej formy do produkcji wielkoseryjnej jest znana fachowcom odlewnictwa i obróbki plastycznej. Co .więcej należy przyjąć, że tylko niektóre typy łożysk według niniejszego wynalazku mogą być przystosowane do wielkoseryjnej produkcji przez wytłaczanie. Ogólnie, występują tutaj łożyska, które są wytwarzane tylko przez wykonanie obwodowych żłobków i promieniowych i obwodowych wycięć, szczelin, które rozciągają się poosiowo przez całe łożysko. Innymi słowy, takie łożyska posiadają stały, czyli możliwy do wytłoczenia przekrój.

W związku z inną formą przedstawionego wynalazku stwierdzono, że szczególnie użyteczną metodą produkcji średnich wielkości serii łożysk, czyli mniej niż 5000 sztuk, jest nowoczesna metoda traconego wosku.

Według takiej metody wytwarzania, pierwszą operacją jest wytworzenie prototypu łożyska. Jak to opisano wyżej i jak to będzie dalej uszczegółowione, prototyp może być wytworzony dowolnym sposobem, lecz korzystnie przez obróbkę mechaniczną grubościennej tulei lub podobnego materiału cylindrycznego. W większych łożyskach cylindryczna przygotówka jest zazwyczaj obrabiana na tokarce, dla utworzenia czół i rowków obwodowych, a przez frezowanie wytwarza się osiowe i promieniowe otwory. Przy obróbce mniejszych przygotówek zazwyczaj bardziej odpowiednie są takie metody, jak cięcie strumieniem wody, obróbka laserowa lub elektroiskrowa. W każdym przypadku dla wykonania większych żłobków stosuje się toczenie, i frezowanie.

Po wykonaniu prototypu pożądanym jest jego przetestowanie, aby potwierdzić założoną charakterystykę łożyska. W rezultacie badań może okazać się, że prototyp musi być zmodyfikowany lub poprawiony dla osiągnięcia założonych celów.

Po wykonaniu prawidłowego prototypu wykonuje się jego gumowy model. Zazwyczaj operacja ta polega na zanurzeniu prototypu w roztopionej gumie i pozwolenie gumie na

168 027 stwardnięcie, żeby utworzyć gumowy negatyw modelu. Następnie powłoka gumowa jest rozcinana, wyjmuje się prototyp i powstaje gumowy negatyw modelu.

Po otrzymaniu negatywu modelu stosuje się go do wykonania odlewu woskowego. Ta operacja polega na wlaniu roztopionego wosku do gumowego negatywu i pozwoleniu na stwardnięcie wosku, aby utworzył się woskowy model łożyska.

Po otrzymaniu modelu woskowego, stosuje się go do wykonania modelu z gipsu. Operacja polega na oblepieniu woskowego modelu gipsem, pozwolenie na stwardnięcie gipsu, co tworzy matrycę gipsową.

Matryca gipsowa może być użyta do uformowania łożyska. Stopiony metal łożyskowy, na przykład brąz, jest wlewany do formy gipsowej, brąz topi wosk i wchodzi na jego miejsce. Tak matryca gipsowa jest wypełniona stopionym materiałem łożyskowym a wosk jest usunięty z matrycy. Gdy stopiony materiał łożyskowy stwardnieje, rozbija się matrycę i powstaje łożysko.

Ponieważ w trakcie tej metody następuje tracenie modelu woskowego, metoda nosi nazwę traconego wosku.

Pomimo faktu, że opisana metoda traconego wosku wymaga tracenia modelu woskowego, wykonywania modelu gumowego i gipsowego, przez co jest dość pracochłonna, stwierdzono, że jest ona opłacalna przy średnich seriach produkcyjnych /około 5000 sztuk/. Jej opłacalność dla niskich serii wynika stąd, że matryce stosowane w tej metodzie są znacznie tańsze od wykonywania całkowitej matrycy wymagającej kształtowania matrycowego lub prasowania proszków metali.

Jak to już podano, pierwsza operacja w metodzie traconego wosku, a praktycznie we wszystkich metodach, polega na wykonaniu prototypu. W związku- z inną formą niniejszego wynalazku można stwierdzić, że względnie skomplikowane łożyska promieniowe i oporowe według niniejszego wynalazku mogą być wykonane przy zastosowaniu prostych technik obróbki. Podobne techniki stosowane są do produkcji zarówno łożysk promieniowych jak i oporowych.

W związku z tym uważa się, że wystarczy opisać metodę wykonywania łożyska promieniowego techniką obróbki elektroiskrowej. Taki opis przekonywująco demonstruje łatwość wykonania względnie złożonej konstrukcji łożyska według niniejszego wynalazku.

Formą wyjściową każdego łożyskajest cylindryczna przygotówka z poosiowym otworem, taka jak pokazano na fig. 19A. Przygotówka jest następnie obrabiana mechanicznie, tak aby wykonać popromieniowy żłobek dla płynu smarującego oraz zewnętrzne nacięcia jak pokazano to na fig. 19A. Dla niektórych zastosowań pożytecznym jest także wykonanie rowków czołowych, które winny być, korzystnie, symetrycznie rozłożone na promieniowej powierzchni łożyska. Wykonanie tych rowków czołowych powoduje, że łożysko będzie się łatwo uginało pod wpływem momentu obciążenia. Możliwe jest wykonanie rowków okrągłych lub skośnych. Rowki skośne powodują, że łożysko ma lepszą charakterystykę ugięcia dzięki kątowemu ugięciu się segmentów wsporczych łożyska, gdy segmenty te są nachylone wzdłuż linii, które przecinają się w punkcie położonym w pobliżu głównej osi łożyska. Zapewnia to, że ugięcia odbywają się wokół centralnej osi łożyska, tak że panewki mogą kompensować nieosiowość wału. W zasadzie pochylenie segmentów wsporczych powoduje, że łożysko pracuje w podobny sposób jak łożysko kulkowe, skupiając siły obciążenia w jednym punkcie, wokół którego wał może się przesuwać we wszystkich kierunkach i wyrównywać nieosiowość. Strzałki na fig. 14A pokazują linie działania siły odkształcającej.

Łożyska posiadające przekrój typu pokazanego na fig. 19B szczególnie skutecznie utrzymują płyn smarujący. Wynika to z tego, że panewka łożyska jest podparta na jej poosiowych krańcach, a środkowa część panewki nie jest bezpośrednio podparta. W taki sposób, pod obciążeniem łożysko odkształca się w ten sposób, że tworzy wklęsłą kieszeń, czyli środkowa część łożyska ugina się na zewnątrz w kierunku popromieniowym. Zmniejsza to znacznie wycieki płynu smarującego. Oczywiście, wielkość tworzącej się kieszeni zależy od wymiarów łożyska i jego konstrukcji wsporczej. Większą kieszeń akumulującą można uzyskać przy zastosowaniu cieńszej podstawy panewki i przez podparcie panewki na jej skrajnych, zewnętrznych krawędziach.

168 027

Po wykonaniu obróbki cylindrycznej przygotówki do stanu pokazanego na fig. 19B przystępuje się do wykonania promieniowych i/lub obwodowych nacięć i rowków na popromieniowej płaszczyźnie obrabianej przygotówki dla wytworzenia konstrukcji wsporczej. Fig. 19C pokazuje takie rowki dla przygotówki według rysunków 19B i 14B. Przy obróbce krótkiej serii lub prototypu dla dalszego wykorzystania w- technice kształtowania matrycowego wcięcia i szczeliny korzystnie jest wykonywać obróbkę elektroiskrową lub promieniem lasera. Obróbka przygotówki do stanu pokazanego na fig. 19B może być wykonana konwencjonalnie na tokarce lub innym narzędziem.

Chociaż niniejszy opis dotyczy głównie łożysk promieniowych, podane sposoby obróbki mogą być też zastosowane do łożysk oporowych. Przykładowo, łożysko oporowe pokazane na fig. 9 może być wykonane przez obróbkę tulei grubościennej, przez wykonanie wewnętrznych i zewnętrznych żłobków, powierzchni czołowych, otworów poosiowych, nacięć-popromieniowych i ukośnych, tak aby powstała panewka i konstrukcja wsporcza łożyska.

Charakterystyka pracy łożysk według niniejszego wynalazku zależy od kształtu, wielkości, umieszczenia i cech materiałowych panewki i konstrukcji wsporczej określonych przez wykonanie otworów, nacięć i szczelin w obrabianej przygotówce. Parametry te w silnym stopniu zależą od wymiarów i umieszczenia położonych popromieniowo obwodowych otworów, nacięć i szczelin wykonanych w łożysku w stosunku do kształtu zastosowanej przygotówki.

Jak to już podano, konstrukcja łożyska według niniejszego wynalazku jest łatwiej zrozumiała przez opisanie procesu jej wykonania; większe serie łożysk są korzystnie wykonywane przez odlewanie metodą traconego wosku według niniejszego wynalazku, ajeszcze większe serie produkcyjne mogą być wykonywane mniejszym kosztem przez: wtrysk, odlewanie, z proszków metali, odlewanie matrycowe, wytłaczanie itp. Przy wytłaczaniu wielkoseryjnym łożysk z cylindrycznej przygotówki w kształcie rury przed wytłoczeniem należy wykonać popromieniowe rowki smarujące, pokazane na fig. 19B, na długości rurowej przygotówki. Można także wykonać takie rowki po odcięciu poszczególnych łożysk z wytłoczonej i obrobionej przygotówki. Z tych powodów wytłaczanie niejest najkorzystniejszą metodą gdy produkcja łożysk wymaga utworzenia czołowych rowków dla zwiększenia poosiowej elastyczności.

Claims (21)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Łożysko hydrodynamiczne z agłą konsrrnkcją wsporczą powiezzchn i robozzej pzzystosowane do podparcia wału, które to łożysko posiada ciągłą powierzchnię nośną oraz konstrukcję wsporczą, podpierającą tę ciągłą powierzchnię nośną, która to konstrukcja wsporcza jest złożona z sekcji wsporczych o zróżnicowanym przekroju, znamienne tym, że konstrukcja wsporcza zawiera powtarzające się szeregi sekcji wsporczych, przy czym każda z sekcji wsporczych posiada całkowicie sztywną część (10), zasadniczo sztywną we wszystkich kierunkach, częściowo sztywną część (20), zasadniczo sztywną w pierwszym kierunku, poprzecznym do tej części powierzchni nośnej, którą podpiera i elastyczną w drugim kierunku, który jest zasadniczo poprzeczny do pierwszego kierunku, pierwszy segment łączący całkowicie sztywną część (10) z częściowo sztywną częścią (20) wzdłuż lini (20L) przy czym pierwszy segment łączący (30) jest cienki wzdłuż linii połączenia tak, że pierwszy segment łączący (30) ma znacznie zredukowaną zdolność przenoszenia momentu i drugi segment łączący (30), łączący częściowo sztywną część (20) z całkowicie sztywną częścią (10) sąsiedniej sekcji wsporczej wzdłuż linii (20R), przy czym drugi segment łączący (30) jest cienki wzdłuż linii połączenia, tak że drugi segment łączący (30) posiada znacznie zredukowaną zdolność przenoszenia momentu; przy czym konstrukcja wsporcza podpiera powierzchnię nośną (8) tak, że pod wpływem tarcia i nacisku powierzchnia nośna odkształca się tak, że tworzy rozstawiony obwodowo szereg klinów hydrodynamicznych.
2. 2. Łożysko według zattrz . 1 , znameenne tym, że cęęrciowo sztywna część (20j kodej, sekcji wsporczej składa się z segmentu posiadającego górną i dolną część, przy czym część górna jest znacznie szersza niż część dolna.
3. 3. wedfog ^^trzzi 2 , znamienne tym i że częściowo sztywna część 2^0j w każd^ sekcji wsporczej -ma p^t^r^^Sc^ćCj w kształcie liteiy Ti a piewszy i diuigi segment łączący (30) odchodzi od przeciwległych końców górnej części przekroju T.
4. 4. Łożysko wedhig zat^z. 1 , ^^m , że posiada dodatkowy segmenj wsporczy , wspierający jednolitą konstrukcję wsporczą.
5. 5. Łożysko według zastrz. 4, znamienne tym, że dodatkowy segment wsporczy stanowi ciągłą membranę (50) i dwie ciągłe obwodowe belki (52) odchodzące od krawędzi tej membrany (50), przy czym każda z częściowo sztywnych części (20) jednolitej konstrukcji wsporczej jest połączona z tą membraną (50).
6. 6. Łożysko według zaatrs. 5, znamienne tym, że dodatkowy segment wsporczy zawiera co najmniej jedną belkę (54), podpierającą każdą, częściowo sztywną część (20) i co najmniej jedną dodatkową belkę (52) wspierającą wspomnianą co najmniej jedną belkę (54).
7. 7. Łożysko weduug zatttz . 1 , znamienne tym , że częŁiowo sztywna częćc 220j pogada przekrój zredukowany w dwóch poprzecznych kierunkach tak, że ta częściowo sztywna część (20) jest elastyczna w tych dwóch poprzecznych kierunkach, które są zasadniczo poprzeczne do pierwszego kierunku.
8. 8. Łżyskoo wedkg aast^. , , annminnne tym, ee saaoow i iożasOo ooorowe, a ciąga a powierzchnia nośna (8) łożyska jest zasadniczo płaska.
9. 9. Łożysko wedbig zatU.. 1 , znamienne tym, że stenów j iożysko promieniowe , a cąągła powierzchnia nośna (8) łożyska jest zasadniczo cylindryczna.
10. 10. Łożysko wedkg zas^z, 1, znamienne tym , że ^a^r^o^j kombinowane iożysko promie, mowo-oporowe, a powierzchnia nośna (8) łożyska jest powierzchnią stożka ściętego.
11. 11. ŁożssOo wedd^ugg astU-z. , , annmianne tym , eejeaooliła woporcaaiast umieszczona niesymetrycznie w stosunku do płytek łożyskowych tak, że płytki łożyskowe są odchylone w jednym SieruaSh.

    168 027
12. 12. Łożysko według zastrz. 1, znamienne tym, że jednolita konstrukcja wsporcza jest symetryczna względem płytek łożyskowych tak, że płytki te mogą podpierać wał przy jego obrocie w obu kierunkach.
13. 13. Łożysko według zastrz. 1, znamienne tym, że konstrukcja wsporcza ma kształt łatwouzyskiwalny metodą kształtowania matrycowego.
14. 14. Łożysko według zastrz. 1, znamienne tym, że jego promieniowe wcięcia i cylindryczne rowki są wypełnione porowatym tworzywem sztucznym (40).
15. 15. Łożysko według zastrz. 14, znamienne tym, że porowate tworzywo sztuczne (40) jest nasycone płynem smarującym.
16. 16. Łożysko według zastrz. 1, znamienne tym,, że każda sekcja wsporcza zawiera co najmniej jeden element piezoelektryczny (100) do przeprowadzania regulacji charakterystyki ugięcia łożyska.
17. 17. Łożysko hydrodynamiczne promieniowe z ciągłą konstrukcją wsporczą powierzchni roboczej posiadające oś i przystosowane do zamontowania w obudowie mającej wstępnie określony promień otworu dla podparcia wału, które to łożysko posiada ciągłą powierzchnię podporową zawierającą ciągłą, promieniowo wewnętrzną podporową powierzchnię nośną i promieniowo zewnętrzną powierzchnię, znamienne tym, że ma liczne obwodowo rozmieszczone segmenty (90) w kształcie ucha, przy czym każdy segment (90) posiada promieniowo skrajnie wewnętrzną krawędź (97) i promieniowo skrajnie zewnętrzną krawędź (93), przy czym promieniowo wewnętrzna krawędź (97) jest oddalona od promieniowo zewnętrznej powierzchni ciągłej powierzchni podporowej (70), zaś promieniowo zewnętrzna powierzchnia (93) jest oddalona od osi łożyska o odległość większą niż promień obudowy i liczne przewężenia (80) w kształcie szyjki, przy czym każde przewężenie (80) łączy obwodową krawędź promieniowo wewnętrznej powierzchni ucha z promieniowo zewnętrzną powierzchnią ciągłej powierzchni podporowej (70), przy czym segmenty (90) w kształcie ucha i szyjkowe przewężenia (80) są tak umieszczone, że gdy łożysko jest zamocowane w obudowie, wówczas ciągła powierzchnia podporowa jest odkształcona, przyjmując kształt zasadniczo obwodowo rozmieszczonego szeregu klinów hydrodynamicznych.
18. 18. Łożysko według zastrz. 17, znamienne tym, że ciągła powierzchnia podporowa (70) stanowi cienką membranę o przeciwległych osiowych krańcach i dwie obwodowe podpory wystające promieniowo na zewnątrz z osiowych krańców membrany, przy czym każde przewężenie (80) jest połączone z ciągłą powierzchnią podporową (70) przy jednej z tych podpór.
19. 19. Łożysko według zastrz. 18, znamienne tym, że jego szyjkowe przewężenie (80) i segmenty (90) w kształcie ucha są rozłożone jako ustawione obwodowo wzdłuż jednej linii pary, przy czym jedno szyjkowe przewężenie i segment w postaci ucha są podłączone do jednej podpory, a drugie szyjkowe przewężenie i segment w postaci ucha są dołączone do drugiej podpory.
20. 20. Łożysko według zastrz. 17, znamienne tym, że ma przekrój pozbawiony ukrytych otworów, tak że łatwo można je uformować metodą kształtowania matrycowego.
21. 21. Łożysko według zastrz. 17, znamienne tym, że posiada co najmniej jeden element piezoelektryczny (100) umieszczony w każdym segmencie (90) w kształcie ucha dla wybiórczej regulacji odległości między segmentem (90) w kształcie ucha a ciągłą powierzchnią podporową (70).