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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem, insbesondere
ein fluiddynamisches Lagersystem kleiner Baugröße für Spindelmotoren, wie sie z.
B. in Festplattenlaufwerken eingesetzt werden.
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Stand der Technik
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Durch
die fortschreitende Miniaturisierung von Festplattenlaufwerken entstehen
neue konstruktive Probleme, insbesondere bei der Konstruktion kleiner
Antriebsmotoren und geeigneten Lagersystemen. Wurden bisher Wälzlagersystem
verwendetet, setzen sich nun fluiddynamische Lagersysteme aufgrund
ihrer kleineren Bauart und höheren
Präzision immer
mehr durch. Dennoch sind herkömmliche
konstruktive Lösungen
für fluiddynamische
Festplattenlager und die Verfahren zu ihrer Herstellung nicht oder
nur unter Schwierigkeiten anwendbar. Je kleiner die Lagersysteme
werden, desto geringer wird bei herkömmlicher Bauweise ihre Tragkraft
und Steifigkeit.
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Ein
weiteres Problem bei Fluidlagern stellt die Abdichtung dar. Insbesondere
eine Miniaturisierung der Lager erfordert entsprechend angepasste Dichtungsanordnungen.
Dem Lagerfluid muss ein ungehinderter Zugang vom Fluidvorrat zu
den eigentlichen Lagerbereichen ermöglicht werden. Andererseits
ist sicherzustellen, dass kein Fluid aus dem Lager entweicht. Das
ist in Anbetracht der entstehenden hohen Drücke besonders bei Lagern mit
mehreren Dichtstellen problematisch.
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In
CH 473 324 A ein
fluiddynamisches Lagersystem gemäß den Merkmalen
des Oberbegriffs des Anspruch 1 offenbart, mit einem feststehenden
Bauteil und einem rotierenden Bauteil, die zwischen einander gegenüberliegenden
Lagerflächen
einen mit einem Lagerfluid gefüllten
Lagerspalt ausbilden, der an beiden Enden offen und durch Dichtungsmittel
gegenüber
der Umgebung abgedichtet ist. Auf zwei räumlich getrennten Lagerflächen sind
(Lager- ) Pumpstrukturen
zur Erzeugung eines hydrodynamischen Drucks vorgesehen, und es ist
ein mit dem Lagerspalt verbundenes Vorratsvolumen für das Lagerfluid
vorhanden, wobei die Dichtungsmittel durch Pumpstrukturen gebildet
sind, die an den offenen Enden des Lagerspalts an einem der Lagerbauteile
angeordnet und derart ausgestaltet sind, dass sie auf das Lagerfluid
eine in das Innere des Lagers gerichtete Pumpwirkung erzeugen und
dadurch eine dynamische Abdichtung der offenen Enden des Lagerspalts
bewirken.
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DE 198 40 433 A1 offenbart
ein fluiddynamisches Lagersystem mit einem ersten Bauteil, bestehend
aus einem scheibenförmigen
Abschnitt und einem sich in Bezug auf eine Rotationsachse konzentrisch
daran anschließenden
zylindrischen Abschnitt, einem zweiten ringförmigen Bauteil, das in einem
Abstand zum scheibenförmigen
Abschnitt derart am zylindrischen Abschnitt des ersten Bauteils
befestigt ist, dass sich ein ringförmiger Freiraum zwischen den beiden
Bauteilen ausbildet und einem dritten ringförmigen Bauteil, das relativ
zum ersten und zweiten Bauteil um die Rotationsachse drehbar in
dem ringförmigen
Freiraum aufgenommen ist, wobei ein Lagerfluid, das in den Lagerspalt
eingebracht ist, der sich zwischen einander gegenüberliegenden
Lagerflächen
des ersten, zweiten und dritten Bauteils ausbildet. Es sind Pumpstrukturen
zur Erzeugung eines hydrodynamischen Drucks innerhalb des Lagerfluids offenbart,
die auf ausgewählten
einander gegenüberliegenden
Lagerflächen
des ersten, zweiten und dritten Bauteils gebildet sind.
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US 5,847,479 A offenbart
einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem mit zwei entlang
einer Welle angeordneten Radiallagern und zwei zwischen den Radiallager
an einer Druckplatte angeordneten Axiallagern.
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Offenbarung der Erfindung
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Daher
besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein fluiddynamisches Lager
zu schaffen, das bei geringer Baugröße, eine hohe Zuverlässigkeit
in Bezug auf Dichtigkeit, aufnehmbare Lagerkräfte und Steifigkeit aufweist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Bevorzugte
Ausgestaltungen und weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung
sind in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
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Ausgehend
vom Stand der Technik umfasst das fluiddynamische Lagersystem mindestens
ein feststehendes Bauteil und ein rotierendendes Bauteil, die zwischen
einander gegenüberliegenden
Lagerflächen
einen mit einem Lagerfluid gefüllten
Lagerspalt ausbilden, der an beiden Enden offen und durch Dichtungsmittel
gegenüber
der Umgebung abgedichtet ist, wobei auf mindestens zwei räumlich getrennten
Lagerflächen
Lagerpumpstrukturen zur Erzeugung eines hydrodynamischen Drucks
vorgesehen sind und mindestens ein mit dem Lagerspalt verbundenes
Vorratsvolumen für
das Lagerfluid vorhanden ist. Die Dichtungsmittel sind an den offenen
Enden des Lagerspalts an mindestens einem der Lagerbauteile angeordnet
und derart ausgestaltet, dass sie auf das Lagerfluid eine in das
Innere des Lagers gerichtete Pumpwirkung erzeugen und dadurch eine dynamische
Abdichtung der offenen Enden des Lagerspalts bewirken.
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Erfindungsgemäß sind die
Dichtungsmittel durch die Lagerpumpstrukturen des Lagersystems oder
durch von den Lagerpumpstrukturen des Lagersystems separate Dichtpumpstrukturen
gebildet, wobei im Betrieb des Lagersystems eine der beiden Dicht-
oder Lagerpumpstrukturen nur partiell mit Lagerfluid gefüllt ist,
und jenseits der Dichtungsmittel an jedem offenen Ende des Lagerspalts
ein Vorratsvolumen angeordnet ist.
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Dabei
befindet sich der Fluidvorrat in zwei voneinander getrennten Vorratsvolumen.
Durch entgegengesetzte Pumpwirkung zweier fluiddynamischer Dicht-
oder Lagerpumpstrukturen wird das Lagerfluid von einem Vorratsvolumen
in das andere gepumpt, bis sich ein Gleichgewicht einstellt. Die
Form des Vorratsvolumens ist dabei unerheblich; es muss nur eine
ausreichende statische Dichtigkeit nach außen bestehen. Diese Anordnung
ist in der Lage, auch große
Druckveränderungen
auszugleichen und dennoch einen Fluidvorrat bereitzustellen.
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Dabei
bildet das Vorratsvolumen, vorzugsweise in Verbindung mit den Dichtpumpstrukturen, ein
zusätzliches
Dichtungsmittel aus, wobei jedes dieser offenen Enden in ein Vorratsvolumen
mündet.
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Die
erfindungsgemäße dynamische
Dichtungsanordnung ist für
alle Arten von hydrodynamischen Lagersystemen, insbesondere reinen
Radiallageranordnungen, reinen Axiallageranordnungen oder konischen
bzw. sphärischen
Lagern oder Kombinationen davon, einsetzbar.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Lagersystem
ein erstes Bauteil, bestehend aus einem scheibenförmigen Abschnitt und
einem sich in Bezug auf eine Rotationsachse konzentrisch daran anschließenden zylindrischen Abschnitt;
ein zweites ringförmiges
Bauteil, das in einem Abstand zum scheibenförmigen Abschnitt derart am
zylindrischen Abschnitt des ersten Bauteils befestigt ist, dass
sich ein ringförmiger
Freiraum zwischen den beiden Bauteilen ausbildet und ein drittes ringförmiges Bauteil,
das relativ zum ersten und zweiten Bauteil um die Rotationsachse
drehbar in dem ringförmigen
Freiraum aufgenommen ist.
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In
einem Lagerspalt, der sich zwischen einander gegenüberliegenden
Lagerflächen
des ersten, zweiten und dritten Bauteils ausbildet, ist das Lagerfluid
eingebracht. Die Lagerpumpstrukturen zur Erzeugung eines hydrodynamischen
Drucks innerhalb des Lagerfluids sind als Rillenstrukturen auf ausgewählten einander
gegenüberliegenden
Lagerflächen des
ersten, zweiten und dritten Bauteils ausgebildet.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung eines solchen Lagersystems ist ein
erstes Axiallager vorhanden, das durch einander zugewandte Lagerflächen des
ersten und dritten Bauteils gebildet wird, ein zweites Axiallager,
das durch einander zugewandte Lagerflächen des zweiten und dritten
Bauteils gebildet wird und mindestens ein Radiallager, das durch einander
zugewandte Lagerflächen
des ersten und dritten Bauteils gebildet wird.
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Durch
Integration von Bauteilefunktionen besteht das vorgestellte Lager
aus wenigen Bauteilen. Diese sind mit herkömmlichen Fertigungsverfahren herstellbar.
Da die benötigte
Kippsteifigkeit nicht durch Radiallager mit großem axialem Abstand, sondern
durch die Axiallager erreicht wird, kann die nötige Bauhöhe klein ausgeführt werden.
Die axiale Steifigkeit ist dadurch groß.
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Die
noch notwendige radiale Steifigkeit kann durch das mindestens eine,
relativ „kleine" Radiallager erzielt
werden. Durch die Bauform ist es möglich, dieses Radiallager in
einer zu den angreifenden Kräften
günstigen
Position zu platzieren.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung ist die Möglichkeit, das Lager beidseitig
(oben und unten), also am ersten und zweiten Lagerbauteil zu fixieren.
Das dritte Bauteil bildet hierbei vorzugsweise das rotierende Teil
des Lagers. Für
Anwendungen mit hohen Ansprüchen
an die Laufruhe von Lagern, beispielsweise in Festplattenmotoren,
ist eine solche beidseitige Fixierung günstig. Das Prinzip ist aber
auch auf einseitig fixierte Lager anwendbar.
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Der
Lagerspalt kann in den Bereichen der beiden Axiallager durch einen
oder mehrere im dritten Bauteil vorgesehene Rezirkulationskanäle miteinander
verbunden sein. Dies fördert
die Zirkulation des Lagerfluids im Lager und unterstützt die
Wirkung der dynamischen Dichtung aufgrund des besseren Druckausgleichs
im Lager.
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Vorzugsweise
ist das Lagersystem Bestandteil eines Spindelmotors, wie er zum
Beispiel in Festplattenlaufwerken verwendet wird, wobei das dritte Bauteil
zumindest einen Teil des Rotors des Spindelmotors ausbildet. Für diese
Anwendung ist es vorteilhaft, wenn das Lagersystem beidseitig, das
heißt
am ersten und/oder zweiten Bauteil, fixierbar ist.
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In
bevorzugten Weise weist das Radiallager Lagerpumpstrukturen auf,
die eine in das Zentrum des Radiallagers gerichtete Pumpwirkung
erzeugen. Im Vergleich dazu weisen die Axiallager Lagerpumpstrukturen
auf, die überwiegend
eine radial nach innen in Richtung der Rotationsachse gerichtete
Pumpwirkung erzeugen. Dabei sind die Pumpwirkungen der beiden Axiallager
einander entgegengesetzt in Richtung des Radiallagers, also in das
Innere des Lagersystems, gerichtet.
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Bei
der Anordnung der Vorratsvolumina wird es bevorzugt, wenn ein Vorratsvolumen
am Außendurchmesser
des scheibenförmigen
Abschnitts des ersten Bauteils angeordnet ist. Das andere Vorratsvolumen,
sofern vorhanden, kann entsprechend am Außendurchmesser des zweiten
Bauteils angeordnet sein.
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Es
kann auch vorgesehen sein, dass ein Vorratsvolumen am ersten Bauteil
radial außen
liegend in der Ebene des ersten Axiallagers angeordnet ist. Das
zweite Vorratsvolumen kann dann am zweiten Bauteil radial außen liegend
in der Ebene des zweiten Axiallagers angeordnet sein.
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Vorzugsweise
sind die Vorratsvolumina durch jeweils eine ringförmige oder
konische Aussparung im betreffenden Bauteil gebildet.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen:
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Es
zeigen:
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1:
einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Lagersystem mit zwei nach
innen wirkenden Axiallagern und einem symmetrischen Radiallager;
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2:
eine Explosionsdarstellung des in 1 skizzierten
Lagers;
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3:
ein schematisches Beispiel eines einzelnen Radiallagers mit Rezirkulationskanal;
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4:
ein schematisches Beispiel eines einzelnen Radiallagers ohne Rezirkulationskanal;
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5:
ein schematisches Beispiel eines einzelnen Radiallagers mit dynamischer
Dichtung;
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6:
das Prinzip der dynamischen Dichtung in einem Fluidlager gemäß 1,
bei dem die Dichtpumpstruktur der Dichtung gleichzeitig Lagerpumpstruktur
ist;
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7:
einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Lagersystem ähnlich wie 1,
mit Rezirkulationskanal und dynamischer Dichtung mit zwei separaten
Dichtpumpstrukturen;
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8:
das Prinzip der dynamischen Dichtung in einem Fluidlager nach 7;
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9:
einen Schnitt durch eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lagersystems mit
separatem Rotor und einseitig fixiertem Lager mit seitlichen Dichtpumpstrukturen
für die
dynamische Abdichtung;
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10:
das Prinzip der dynamischen Dichtung in einem Fluidlager gemäß 9,
mit zwei Axiallagern, einem Radiallager und separaten Dichtpumpstrukturen;
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11:
einen Schnitt durch eine gegenüber 1 leicht
abgewandelte Ausgestaltung eines Lagersystems, mit Befestigung auf
einem Gehäuseflansch;
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12:
eine Explosionsdarstellung des in 11 skizzierten
Lagers;
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13:
einen Schnitt durch eine gegenüber 1 leicht
abgewandelte Ausgestaltung eines Lagersystems mit horizontaler Anordnung
der Vorratsvolumina.
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Beschreibung von bevorzugten
Ausgestaltungen der Erfindung
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1 zeigt
den grundsätzlichen
Aufbau eines erfindungsgemäßen Lagers.
Das Lager zeichnet sich vor allem durch seine einfache Bauweise
aus. Es besteht bei der in 1 gezeigten
Variante aus nur drei Bauteilen. Ein erstes Bauteil 1,
welches einen scheibenförmigen
Abschnitt 2 und einen sich in Bezug auf eine Rotationsachse 17 konzentrisch
daran anschließenden
zylindrischen Abschnitt 3 aufweist.
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Konzentrisch
zur Rotationsachse 17 ist am Bauteil 1 mindestens
eine Gewindebohrung 4 zur Befestigung des Bauteils an einem
Gehäuse
oder dergleichen vorgesehen. Ein zweites ringförmiges Bauteil 5 ist
in einem Abstand zum scheibenförmigen
Abschnitt 2 derart am zylindrischen Abschnitt 3 des
ersten Bauteils 1 befestigt, dass sich ein ringförmiger Freiraum
zwischen den beiden Bauteilen 1 und 5 ausbildet.
Die der Abschnitt 2 des Bauteils 1 und das Bauteil 5 weisen
vorzugsweise den selben Außendurchmesser
auf. Ein drittes, im wesentlichen ringförmiges, Bauteil 6 ist
teilweise in dem Freiraum aufgenommen und dort so angeordnet, dass
es relativ zum ersten 1 und zweiten Bauteil 5 um
die Rotationsachse 17 drehbar ist.
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Die
Bauteile 1, 5 und 6 sind so bemessen dass
sich ein Lagerspalt 7 von einigen μm Breite zwischen einander gegenüberliegenden
Lagerflächen des
ersten, zweiten und dritten Bauteils ausbildet. Der Lagerspalt ist
mit einem Lagerfluid, z. B. Lageröl oder auch Luft, gefüllt.
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Die
einander gegenüberliegenden
Lagerflächen 8, 10 des
scheibenförmigen
Abschnitts 2 des ersten Bauteils 1 und der oberen
Seite des dritten Bauteils 6 bilden ein erstes Axiallager.
Die einander gegenüberliegenden
Lagerflächen 11, 13 des
zweiten Bauteils 5 und des dritten Bauteils 6 bilden
ein zweites Axiallager. Die im Durchmesser großen, nach innen wirkenden (pumpenden)
Axiallager sorgen für
hohe axiale Steifigkeit und Kippsteifigkeit. Radiale Kräfte werden
von mindestens einem Radiallager aufgenommen, das durch einander
gegenüberliegende
Lagerflächen 14, 16 des
zylindrischen Abschnitts 3 des ersten Bauteils 1 und
des Innendurchmessers des dritten Bauteils 6 gebildet wird.
Es können
auch mehrere, eng beieinanderliegende, Radiallager vorgesehen sein.
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2 zeigt
eine Explosionsdarstellung des Lagers gemäß 1. Damit
das Lager tragfähig wird,
sind in bekannter Weise auf den Lagerflächen der Axiallagerbereiche
und des Radiallagerbereichs Lagerpumpstrukturen vorgesehen. Sobald
die Lagerflächen
relativ zueinander rotieren, wird durch die Lagerpumpstrukturen
ein hydrodynamischer Druck innerhalb des Lagerfluids erzeugt. Diese
Lagerpumpstrukturen bestehen aus Rillenmustern, die auf ausgewählten einander
gegenüberliegenden
Lagerflächen
des ersten, zweiten und dritten Bauteils angeordnet sind. Die Lagerpumpstrukturen
können
sowohl auf einer oder aber auch beiden einander gegenüberliegenden
Lagerflächen
vorgesehen sein. Man erkennt, dass die Lagerfläche 8 des scheibenförmigen Abschnitts 2 des
ersten Bauteils 1 eine Lagerpumpstruktur 9 trägt, die
mit der oberen Lagerfläche 10 des
dritten Bauteils 6 zusammenwirkt und das erste Axiallager
ausbildet. Die obere Lagerfläche 11 des
zweiten Bauteils 5 weist eine Lagerpumpstruktur 12 auf,
die mit der unteren Lagerfläche 13 des
dritten Bauteils 6 zusammenwirkt und das zweite Axiallager bildet.
Das Radiallager wird durch Lagerpumpstrukturen 15 gebildet,
die an der inneren Lagerfläche 14 des
dritten Bauteils 6 angeordnet sind, welches mit Lagerflächen 16 am
zylindrischen Abschnitt des ersten Bauteils 1 zusammenwirken.
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Das
Prinzip und die Funktion der Lagerpumpstrukturen wird anhand der 3 bis 5 erläutert. Die 3 und 4 zeigen
Lagerpumpstrukturen an einem einzelnen Radiallager. In 3 ist beispielhaft
ein Ausschnitt eines Radiallagerbereichs, z. B. an einer Welle 20,
mit entsprechenden Lagerpumpstrukturen 21 dargestellt.
Die Richtung und Stärke
der durch die Lagerpumpstrukturen hervorgerufenen Pumpwirkung auf
das Lagerfluid ist durch entsprechende Pfeile dargestellt. Die Länge der
Pfeile ist proportional zur Stärke
(Druck) der Pumpwirkung. Durch Fertigungstoleranzen und andere Einflüsse kann
es zu unregelmäßigen Lagerpumpstrukturen 21 und
damit zu unterschiedlich starken Pumpwirkungen kommen. Diese Asymmetrie
der Lagerpumpstrukturen 21 bewirkt unterschiedliche Drücke P1, P2 im Lager. Wie
sich aus 3 ergibt, können diese Druckunterschiede
z. B. durch sogenannte Rezirkulationskanäle 22 ausgeglichen
werden, wenn es konstruktiv machbar ist.
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Ist
der Einsatz von Rezirkulationskanälen nicht möglich, wie in 4 dargestellt,
sind die Druckunterschiede auf andere Art abzudichten oder auszugleichen.
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Hier
setzt die Erfindung ein.
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5 zeigt
schematisch ein einzelnes Radiallager mit Lagerpumpstrukturen 24,
z. B. auf einer Welle 30, mit dynamischer Dichtung zum
Ausgleich der Druckunterschiede im Lager. Es handelt sich um ein
auf beiden Seiten offenes Lager. Außerhalb des Lagers herrscht
ein Umgebungsdruck P0. Teilweise unsymmetrische
Lager- und Dichtpumpstrukturen 23, 24, 25 erzeugen
im Lager unterschiedliche Drücke
P1 und P2, wobei
die Pumpwirkung der äußeren Dichtpumpstrukturen 23 und 25 nach
innen gerichtet ist. Die Dichtpumpstrukturen 23, 25 verhindern,
dass Lagerfluid 26 aus dem Lagerspalt 27 nach
außen austritt
und wirken somit als dynamische Dichtungen. Im dynamisch gedichteten
Fluidlager stellt sich im Betrieb ein Gleichgewicht dergestalt ein,
dass die Druckunterschiede ausgeglichen werden. An beiden Enden
des Lagerspalts sind Vorratsvolumen 28, 29 für das Lagerfluid
vorgesehen. Das Lagerfluid 26 wird im Lagerspalt 27 in
die Richtung der größten resultierenden
Pumpwirkung gepumpt, gemäß der Darstellung
beispielsweise nach rechts. Dabei leert sich das eine Vorratsvolumen 28,
und das andere Vorratsvolumen 29 wird mit Lagerfluid gefüllt. Dieser
Vorgang dauert so lange an, bis die Dichtpumpstruktur 23 der Dichtung
partiell nicht mehr mit Fluid gefüllt ist. Die Pumpwirkung dieser
Dichtpumpstruktur 23 lässt
entsprechend des Füllgrades
des zugehörigen
Lagerspaltabschnitts nach, bis die Druckunterschiede im Lager ausgeglichen
sind.
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Die
dynamische Dichtung für
Fluidlager benötigt
also zwei Vorratsvolumen 28, 29 für den Fluidvorrat
und zwei entsprechende Dichtpumpstrukturen 23, 25,
wenn die Richtung der resultierenden Pumpwirkungen des bzw. der
einzelnen Lager unbekannt ist.
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Die
Form und Lage der im Beispiel nach 5 gezeigten
Vorratsvolumina ist für
das Prinzip der Erfindung weitgehend unerheblich. Sie müssen nur
einen ausreichenden Fluidvorrat bereitstellen und diesem einen Zugang
zu den jeweils zugeordneten Lager- und Dichtpumpstrukturen ermöglichen.
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Die
vorgestellte Lösung
ist prinzipiell auf alle Typen von Fluidlagern anwendbar. Das gilt
beispielsweise für
einzelne Radial- oder Axiallager, für konische oder sphärische Lager
wie auch für
Kombinationen aus diesen. Rezirkulations-Bohrungen sind nicht unbedingt
erforderlich, können
das Prinzip aber unterstützen.
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6 zeigt
das Prinzip einer dynamischen Dichtung in einem Fluidlager gemäss 1 und 2,
mit zwei Axiallagern und einem Radiallager, bei dem die Lagerpumpstrukturen
der Axiallagerbereiche gleichzeitig die Dichtpumpstrukturen für die dynamischen
Dichtungen ausbilden. Die Lagerpumpstrukturen der Axiallager bilden
also gemeinsam mit zwei Vorratsvolumina ein dynamisches Dichtungssystem,
das Fertigungstoleranzen ausgleicht. Die Lagerpumpstrukturen der
Axiallager können
sich auf einem oder auf beiden Lagerpartnern befinden. Dabei sind
auch andere als die in den 1 und 2 gezeigten
Formen der Lagerpumpstrukturen möglich.
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Der
Lagerspalt 7 zwischen den Bauteilen 1, 5 und 6 ist
in dieser Zeichnung vergrößert dargestellt. Man
erkennt, dass der Lagerspalt 7 mit dem Lagerfluid gefüllt ist.
Durch die Lagerpumpstrukturen 9, 12 der Axiallagerbereiche,
die sich auf der Unterseite des Bauteils 1 bzw. der Oberseite
des Bauteils 5 befinden, sowie eine Lagerpumpstruktur 15' auf dem zylindrischen
Abschnitt 3 des Bauteils 1 (in 1 war die
Lagerpumpstruktur 15 alternativ auf dem Bauteil 3 vorgesehen)
wird das Lagerfluid in Richtung der Rotationsachse 17 gepumpt.
Zwei Vorratsvolumina 18, 19, die beispielsweise
ringförmig
ausgebildet sein können
und an den Enden des Lagerspalts angeordnet sind, sorgen für einen
Füllstandausgleich
im Lagerspalt 7. Durch Unregelmäßigkeiten in den Lagerpumpstrukturen
wird zum Beispiel durch die obere Lagerpumpstruktur 9 ein
höherer,
nach innen gerichteter, Druck erzeugt, als durch die untere Lagerpumpstruktur 12.
Daher wird das Lagerfluid so lange aus dem oberen Vorratsvolumen 18 durch
den Lagerspalt 7 in das untere Vorratsvolumen 19 gepumpt,
bis die obere Lagerpumpstruktur 9 partiell nicht mehr mit Fluid
gefüllt
ist, so dass sich ein Gleichgewicht in Bezug auf die untere Lagerpumpstruktur 12 einstellt,
da die Pumpwirkung dieser Struktur 9 entsprechend des Füllgrades
nachlässt,
bis die Asymmetrie des Lagers ausgeglichen ist. In diesem Beispiel
dienen die Lagerpumpstrukturen 9, 12 des Axiallagers
gleichzeitig als Dichtpumpstrukturen zur dynamischen Abdichtung
des Lagerspalts 7 in Richtung des Vorratsvolumina 18, 19.
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In 1 ist
der durch die Lager- und Dichtpumpstrukturen hervorgerufene Druckverlauf
nicht durch Pfeile, sondern durch entsprechende rampenförmige Markierungen
dargestellt. Die Vorratsvolumina sind als ringförmige Aussparung am Außendurchmesser
des Anschnitts 2 des ersten Bauteil 1 und des zweiten
Bauteils 45 ausgebildet.
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7 zeigt
ein gegenüber 1 abgewandeltes
Lagersystem, wobei mit Bezug auf die 1 und 2 gleichartige
Bauteile mit gleichen Bezugsziffern versehen sind. Das Lagersystem
umfasst einen sogenannten Rezirkulationskanal 41 und einer dynamischen
Dichtung mit zwei separaten Dichtpumpstrukturen, dargestellt durch
die Markierungen 42 und 43. Der Rezirkulationskanal 41 ist
zum Beispiel als Bohrung innerhalb des dritten Bauteils 6 ausgebildet
und unterstützt
die Wirkung der dynamischen Dichtung und ein Fließen des
Lagerfluids um die Lagerpumpstrukturen herum, indem er die äußeren Bereiche
des Lagerspalts 7 miteinander verbindet. Die Dichtpumpstrukturen 42 und 43,
welche die dynamische Dichtung ausbilden, sind unabhängig von
den Lagerpumpstrukturen der Axiallagerbereiche ausgebildet und radial
außerhalb
der Axiallagerbereiche und des Rezirkulationskanals 41 angeordnet.
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Aus 8 wird
das Fließverhalten
und der Druckverlauf im Lagerfluid innerhalb des Lagersystems gemäss 7 deutlich.
Unabhängig
von der Pumpwirkung der Axiallagerstrukturen erzeugen die Dichtpumpstrukturen 42 und 43 eine
eigene in das Lagerinnerer gerichtete Pumpwirkung, unterstützt durch
die in den Vorratsvolumina 18, 19 vorgehaltene Menge
an Lagerfluid. Der Rezirkulationskanal 41 sorgt für einen
schnellen Druckausgleich zwischen den Endbereichen des Lagerspalts.
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9 zeigt
eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lagers als einseitig fixierbares Lager,
mit einem ersten Bauteil 1 und einem zweiten Bauteil 5,
wobei das dritte Lagerbauteil 44 ein weiteres, als Rotorglocke
dienendes, Bauteil 45 trägt. Die Ausgleichsvolumina 18, 19 befinden
sich wiederum am Außenumfang
des ersten Bauteils bzw. des zweiten Bauteils und sind mit dem Lagerspalt 7 verbunden.
Neben den bereits beschriebenen Lagerpumpstrukturen der Axiallagerbereiche
und des Radiallagerbereichs sind wiederum separate Dichtpumpstrukturen 46, 47 zur
dynamischen Abdichtung der Lageranordnung vorgesehen. Im gezeigten
Fall sind jedoch die Dichtpumpstrukturen 46, 47 nicht
in der Ebene der Axiallagerbereiche, sondern am Innenumfang der
Rotorglocke 45 angeordnet und wirken mit den Umfangsflächen des
ersten Bauteils 1 bzw. zweiten Bauteils 5 zusammen.
Alternativ können
die Dichtpumpstrukturen für
die dynamische Dichtung auch seitlich am Außenumfang der Lagerbauteile 1 und 5 angeordnet
sein.
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10 zeigt
den durch die Lager- und Dichtpumpstrukturen erzeugten Druckverlauf
innerhalb des Lagerspalts 7. Die Lagerpumpstrukturen des
Radiallagerbereichs sind so ausgestaltet, dass sie einen entgegengesetzten,
in Richtung der Mitte des Lagerspalts gerichteten, Druckaufbau erzeugen.
Der obere und untere Axiallagerbereich weist ebenfalls Lagerpumpstrukturen
auf, die einen zur Mitte dieser Lagerpumpstrukturen gerichteten
Druckverlauf erzeugen, wobei jedoch der in Richtung des Inneren
des Lagerspalts gerichtete Druck etwas höher ist, als der nach außen gerichtete
Druck. Schließlich
erzeugen die Dichtpumpstrukturen 46, 47 der dynamischen
Dichtung ebenfalls einen in Richtung des Lagerinneren gerichteten
Druckverlauf, so dass ein Niveau-Ausgleich des Lagerfluids zwischen
dem oberen Vorratsvolumen 18 und dem unteren Vorratsvolumen 19 stattfinden
kann.
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Die 11 und 12 zeigen
einen Schnitt bzw. eine Explosionsdarstellung eines Lagersystems, ähnlich zum
Lagersystem der 1 und 2. Gleichartige
Bauteile sind mit gleichen Bezugsziffern versehen. Im Vergleich
zu 1 ist das dritte Lagerbauteil 6 etwas
dicker ausgeführt,
so dass die Axiallagerbereiche einen etwas größeren Abstand zueinander haben.
Das zweite Lagerbauteil weist unterhalb des Vorratsvolumens 19 eine
ringförmige
Aussparung auf, mittels der es in einen ringförmigen Gehäuseflansch 48 eingesetzt
und dort befestigt werden kann. Die Ausgestaltung der Lager- und Dichtpumpstrukturen
auf den entsprechenden Lagerflächen
der Bauteile 1, 5 und 6 entspricht dem
Ausführungsbeispiel
gemäss
den 1 und 2.
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13 zeigt
schließlich
eine erfindungsgemäße Ausgestaltung
eines Lagersystems im wesentlichen identisch zu 1,
bei dem die Vorratsvolumina 49 und 50 in der gleichen
Ebene wie die den Axiallager zugeordneten Lagerflächen der
Bauteile 1 und 5 angeordnet sind. Die dynamische
Dichtung wird hier wiederum durch die Lagerpumpstrukturen der Axiallagerbereiche
bewerkstelligt. Es sind also keine separaten Dichtpumpstrukturen
für die
Dichtungen vorhanden. Durch die „horizontale" Anordnung der Vorratsvolumina
hat diese Ausgestaltung des Lagersystems im Vergleich zu 1 eine
geringere Bauhöhe.
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- 1
- Bauteil
(erstes)
- 2
- Scheibenförmiger Abschnitt
- 3
- Zylindrischer
Abschnitt
- 4
- Gewindebohrung
- 5
- Bauteil
(zweites)
- 6
- Bauteil
(drittes)
- 7
- Lagerspalt
- 8
- Lagerfläche (Bauteil 1)
- 9
- Lagerpumpstruktur
- 10
- Lagerfläche (Bauteil 3)
- 11
- Lagerfläche (Bauteil 2)
- 12
- Lagerpumpstruktur
- 13
- Lagerfläche (Bauteil 3)
- 14
- Lagerfläche (Bauteil 3)
- 15
- Lagerpumpstruktur 15'
- 16
- Lagerfläche (Bauteil 1)
- 17
- Rotationsachse
- 18
- Vorratsvolumen
- 19
- Vorratsvolumen
- 20
- Welle
- 21
- Lagerpumpstruktur
- 22
- Rezirkulationskanal
- 23
- Dichtpumpstruktur
- 24
- Lagerpumpstruktur
- 25
- Dichtpumpstruktur
- 26
- Lagerfluid
- 27
- Lagerspalt
- 28
- Vorratsvolumen
- 29
- Vorratsvolumen
- 30
- Welle
- 41
- Rezirkulationskanal
- 42
- Dichtpumpstruktur
- 43
- Dichtpumpstruktur
- 44
- Bauteil
(drittes)
- 45
- Rotorglocke
- 46
- Dichtpumpstruktur
- 47
- Dichtpumpstruktur
- 48
- Gehäuseflansch
- 49
- Vorratsvolumen
- 50
- Vorratsvolumen