DE2264874A1 - Schmieranordnung - Google Patents

Description

Litton Industries, Inc., 360 North Crescent Drive, Beverly Hills,

California 90210, U. S. A.

Schmieranordnung (Ausscheidung aus Patentanmeldung P 22 60 080^2-12)

Die Erfindung bezieht sich auf die Schmiertechnik im allgemeinen und im besonderen auf geschmierte Anordnungen von Bauelementen in Verbindung mit Lagern beliebiger Art, wobei Bauelemente beweglich in Bezug auf andere Elemente angeordnet sind und ein Schmiermittel innerhalb eines zwischen den Oberflächen der eine Schmierung erfordernden Elemente ausgebildeten Spalte vorgesehen ist.

Aufgrund in jüngster Zeit erzielter Entwicklungen stehen neue Substanzen zur Verfügung, die als magnetisierbare Flüssigkeiten bezeichnet werden« Eine solche magnetisierbare Flüssigkeit (magnetizable fluid), die in der Literatur manchmal auch als magnetisch© Flüssigkeit oder als Ferrofluid bezeichnet wird, stellt eine kolloidale Dispersion von fein verteilten

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Gerichtsstand Regensburg

> ? 6 4 8 7 Λ

magnetischen Partikeln innerhalb einer TrägerflUsägkeit dar_f wobei das Wort "magnetisch" sich auf die Fähigkeit, sich magnetisieren zu lassen, so daß die Flüssigkeit "magnetisierbar" ist, bezieht. Der Träger nimmt die flüssige Phase innerhalb normaler Temperaturbereiche einschließlich der Temperaturen bei Betriebsbedingungen ein, die abgesehen von extremen Bedingungen Raumtemperaturen mit einschließen.

Es gibt eine verhältnismäßig breit gestreute Auswahl geeigneter Flüssigkeiten zur Verwendung als Trägerflüssigkeiten/ solche magnetisierbarer Flüssigkeiten können als Wasserträger Silikonöle, Hydrokarbonate, z.B. Kerosin, und insbesondere schwere Mineralöle oder Dibuthyl-Phthalate enthalten· Diese Angaben stellen jedoch in keiner Weise eine Beschränkung, sondern lediglich ein Beispiel der. Die fein verteilten Partikel aus magnetischem Material bestehen vorzugsweise aus Ferritmaterialien einschließlich Granatsteinen, Spinellen oder Magneteisenstein, Üblicherweise mit einem Überzug zur Verhinderung des Koaleszierens in magnetisiertem Zustand, und ferner, um zu verhindern, daß die Trügerflüssigkeit das nagnetisierbare Material angreift. Eine typische Magnetpartikelgröße weist einen mittleren Durchmesser von 100 Angström-Einheiten auf. Bei einer Partikelgröße dieser Größenordnung werden kolloidale Dispersionen erhalten, die fUr alle praktischen Zwecke stabil sind, da die thermische Agitation, die als Brown*sehe Bewegung bekannt ist, verhindert, daß die Partikel sich setzen. Eine typische magnetisierbare Flüssigkeit der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden Art, die kommerziell als die elektrische Wärmeübergangsflüssigkeit zur Verfügung steht, hat folgende Eigenschaften:

absolute Viskosität 76,7 Celsius 1,0 ep (centipoise)

-54 ° Celsius 25,0 cp

Gießpunkt -95 Celsius Dichte 25° Celsius 0,892 gm/cm Thermischer Expansionskoeffizient 0,000576 cm /cm /F Dampfdruck 76,7 Celsius 5 mm Hg Sättigungsmagnetisierung 200 Gauss.

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Obige Angaben sind als Beispiel gegeben· Es kann jede entsprechende Kombination eines FlUssigkeitsträgers mit Partikeln einer kolloidalen Größe eines geeigneten Materiales zur Erzielung einer magnetisierbaren Flüssigkeit kombiniert werden.

Aus vorstehender Beschreibung der Substanzen, die als magnetisierbare Flüssigkeiten bezeichnet werden, ergibt sich, daß sie die Eigenschaften von Flüssigkeiten mit denen von magnetischen Materialien kombinieren· In gewisser Weise stellt eine magnetisierbare Flüssigkeit ein homogenes magnetisches Material, wie bisher bekannte Feststoffe, dar, behält aber seine FlUssigkeitseigenschaften bei.

In Bezug auf viele Eigenschaften der magnetisierbaren Flüssigkeiten fallen diese Eigenschaften im Prinzip mit denen der Trägerflüssigkeit zusammen, mit Ausnahme der erhöhten Viskosität und Dichte aufgrund des Vorhandenseins der Partikel. Bei der Betrachtung der magnetischen Eigenschaften hat man frühzeitig festgestellt, daß magnetisierbare Flüssigkeiten, die ihrem Wesen nach einen Flußpfad fUr Magnetfelder ergeben, durch Anlegen magnetischer Steuerfelder von äußeren Quellen aus modifiziert werden können· So wird die Viskosität einer magnetisierbaren Flüssigkeit erhöht, wenn die Flüssigkeit einem Magnetfeld ausgesetzt wird· Da der Fluß magnetischer Felder verhältnismäßig leicht konzentriert werden kann, lassen sich einige Eigeschaften in einer bestimmten, begrenzten Zone dadurch modifizieren, daß der Flußpfad in ausgewählten Zonen konzentriert wird. Alle diese Eigenschaften der neuen Substanzen fuhren zu vielfältigen möglichen Anwendungsfällen auf ganz unterschiedlichen technologischen Gebieten.

Aus vorstehenden Erläuterungen ergibt sich, daß aufgrund von magetisierbaren Flüssigkeiten Versuche gemacht worden sind, diese neuen Substanzen auf den verschiedensten technologischen Anwendungsgebieten einzusetzen. Von beson-

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deren Interesse für die Anwendung magnetisierbarer Flüssigkeiten auf technologischem Gebiet ist z.B. die Anwendung in Verbindung mit Dichtungen. Man hat festgestellt, daß dann, wenn eine öffnung zwischen zwei Elementen, meist zwischen flußkonzentrierenden PolstUcken oder Ankern ausgebildet, so ausgeführt ist, daß eine magnetisierbar Flüssigkeit vorhanden ist, und ein ausreichend starkes Magnetfeld an die Flüssigkeit angelegt wird, ein Abdichteffekt dadurch erzielt wird, daß die Flüssigkeit von dem Feld zurückgehalten wird. Dieser Abdichteffekt hat sich bei vielen Anwendungsfällen und auf sehr zuverlässige Weise als ausserordentlich interessant und vorteilhaft herausgestellt· Einige andere mögliche Anwendungsfälle fUr magnetisierbare FlUss-igkeiten ergeben sich beispielsweise mit Pumpsystemen und bei der Entfernung von verschmutztem Wasser aus der Oberfläche einer Wassertasse, um nur einige wenige Beispiele anfuhren zu wollen.

Bei der Entwicklung von Dichtungen hat man festgestellt, daß magnetisierbar e Flüssigkeiten zur Erzielung der Dichtungen für Schmiermittel in Lagern verwendet werden können. In verschiedenen, bekannten Fällen war das eigentliche Lagerschniernittel ein Gas, meist Luft, und der Luftkörper, der das Schmiermittel innerhalb des Spaltes zwischen zwei Flächen eines Lagers dargestellt hat, welche während des Betriebes relativ zueinander in Bewegung waren, wurde an einem Entweichen durch Abdichtungen verhindert, die durch eine magnetisierbar Flüssigkeit innerhalb eines begrenzenden Magnetfeldes ausgebildet wurden. Eine Entwicklung aus jüngster Zeit in dieser Richtung ist in der US-Patentschrift 3 439 961 beschrieben und dargestellt. Die Anordnung nach diesem Patent ist als hydrodynamisches Bifluidlager bezeichnet, da das Schmiermittel fUr einen Lagerabschnitt ein Gas, normalerweise Luft ist, während ein weiterer Abschnitt des Lagers durch da« Vorhandensein einer nagnetisierbaren Flüsigkeit in einem Magnetfeld geschmiert wird, was insgesamt den Effekt hat, daß die magnetisierb«re Flüssigkeit, wenn sie de« Magnetfeld ausgesetzt ist, eine Dichtung autbildet, die verhindert, daß Luft von dem ersterwähnten Abschnitt des

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Lagers entweicht. Aus der Beschreibung des hydrodynamischen Bifluidlagers nach der vorgenannten US-Patentschrift 3 439 961 kann geschlossen werden, daß selbst die maßgeblichsten Experten bei der Auslegung von Lagern unter Verwendung von magnetisierbaren Flüssigkeiten der Auffassung waren, daß es notwendig sei, ein zweites Schmiermittel zu verwenden, das im Falle der vorgenannten Patentschrift Luft war.

Diese Auffassung hat sich nun als Vorurteil unter den Experten herausgestellt, die mit der Konstruktion von Lagern unter Verwendung magnetisierbarer Flüssigkeiten befaßt sind, dc festgestellt wurde, daß die Auslegung und Konstruktion von Lagern unter Verwendung zweier strömender Medien ungewöhnlich und unnötig kompliziert ist· Darüber hinaus konnten Bifluidlager aber auch nicht den gasgeschmierten Lagern anhaftenden Nachteil vermeiden, da Abnutzung and Beschädigung der zu schmierenden Oberflächen aufgrund der Reibung während der Perioden, in denen der Betrieb beginnt oder endet, unvermeidbar ist» Dies ist ein bekannter Nachteil von Gaslagern, da diese nur bei hohen Drehzahlen wirksam sind, so ddß während des Anlaufens und Anhalters bei verhältnismäßig niedrigen Geschwindigkeiten Lagergeräusch, physikalischer Kontakt zwischen den Oberflächen , die getrennt gehalten werden solion, und Verschmutzung aufgrund der Erzeugung von Metallstaub in dem Lagerspalt, bedingt durch die Reibung, nicht vermeidbar sind. In ähnlicher Weise zeigen gasgeschmierte Lager einen verhältnismäßig hohen Leistungsbedarf während der Anlaufperiode, und dieser für Gaslager typische Nachteil kann nicht vermieden werden, wenn ein mit Bifluid geschmiertes Lager bekannter Art verwendet wird.

Es ist der Verdienst vorliegender Erfindung, die vorerwähnten Vorurteile auf dem speziellen Gebiet der Lagertechnik durch die Erkenntnis überwunden zu haben, daß verbesserte und vereinfachte geschmierte Lager oder andere geschmierte Lageranordnungen unter Verwendung einer magnetisierbaren Flüssigkeit als einziges Schmiermittel hergestellt werden können. Danit werden

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die baulichen Komplikationen bei der Verwendung der magnetisierbaren Flüssigkeit als Dichtung für das andere Schmiermittel, im allgemeinen Luft, vermieden. Die Nachteile, die bekannten Anordnungen, z.B. gasgeschmierten Lagern, anhaften, nämlich die rasche Zerstörung aufgrund des Lagerflächenkontaktes, der in Betrieb bei niedrigen Drehzahlen, beispielsweise während der Anlauf- und Auslaufperioden unvermeidbar ist, und die sich daraus ergebende Verschmutzung wie auch die hohe Anlaufleistung werden überwunden.

Gemäß der Erfindung wird somit die Verwendung einer magnetisierbaren Flüssigkeit in einem begrenzenden Magnetfeld als einziges Schmiermittel in einem Spalt zwischen allen eine Schmierung erforderlichen Oberflächen vorgeschlagen.

Gemäß weiterer Erfindung wird bei einer geschmierten Anordnung aus Bauelementen, die so angeordnet sind, daß eine Oberfläche eines Elementes längs einer Oberfläche eines anderen Elementes bewegbar ist und ein Schmiermittel innerhalb eines Spaltes zwischen den Oberflächen vorhanden ist, vorgeschlagen, daß das einzige Schmiermittel zwischen allen eine Schmierung erfordernden Oberflächen die magnetisierbar Flüssigkeit ist, die gegen wenigstens einen Bereich der Oberflächen durch das begrenzende Magnetfeld angezogen wird. In vielen Fällen wird die magnetisierbare Flüssigkeit in dem Spalt zwischen zwei Oberflächen durch ein am Spalt herrschendes Magnetfeld festgehalten, bei anderen Fällen jedoch kann das begrenzende Magnetfeld durch Magnetisierung nur eines Elementes vorgesehen sein, dessen Oberfläche geschmiert werden soll.

Aus vorstehenden Ausführungen zur Erfindung ergibt sich, daß die Erfindung sich im wesentlichen mit in sich geschlossenen geschmierten Anordnungen, z.B. Lagern befaßt, wobei der Ausdruck "in sich geschlossen" besagt, daß damit Lager bezeichnet werden, die dauernd die gleiche Schmiermittelmenge

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enthalten, da dieses Schmiermittel normalerweise nicht ersetzt wird, so daß solche Lager keine Schmiermittelzufuhr von außen erfordern. Bei der Entwicklung der hier beschriebenen Lager wurde festgestellt, daß diese Lager eine gewisse Instabilität, insbesondere bei achsial aufgebrachten Belastungen zeigen. Somit wird mit vorliegender Erfindung ganz allgemein eine Lösung des Problems der Vermeidung einer Instabilität von Lagern vorgeschlagen. Obgleich Entwicklungen in dieser Richtung im Zusammenhang mit geschmierten Anordnungen durchgeführt wurden, insbesondere Lager, bei denen das Schmiermittel eine magnetisierbare Flüsigkeit ist, läßt sich das Merkmal der Eliminierung der Instabilität auch auf in sich geschlossene Lageranordnungen anwenden, bei denen das Schmiermittel nicht notwendigerweise eine magnetisierbare Flüssigkeit ist.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand von Ausfuhrungsbeispielen erläutert.

Die Figuren zeigen:

Figur 1 - teilweise herausgebrochen - eine Schnittansicht einer Ausführungsform eines Lagers, das schematisch die Erfindung in einfacher Form darstellt,

Figur 2 - teilweise herausgebrochen - eine Schnittansicht einer abgeänderten AusfUhrungsform der schematischen Darstellung nach Figur 1,

Figur 3 - teilweise herausgebrochen - eine Schnittansicht eines GleitundDrucklagers gemäß der Erfindung,

Figur 4 - teilweise herausgebrochen - eine Teilschnittansicht einer der Druckplatten der AusfUhrungsform nach Figur 3,

Figur 5 - teilweise herausgebrochen - eine Teilschnittansicht längs der Linie 5-5 der Figur 3,

Figur 6 - teilweise herausgebrochen - eine Schnittansicht einer weiteren AusfUhrungsform der Erfindung, die ein Gleitlager darstellt,

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Figur 7 - teilweise im Schnitt und teilweise herausgebrochen - eine perspektivische Ansicht einer anderen AusfUhrungsform der Erfindung, die ein Gleit- und Drucklager zeigt,

Figur 8 - teilweise herausgebrochen - eine Teilschnittansicht des Lagers nach Figur 7,

Figur 9 - eine auseinandergezogene Schnittansicht eines Kugellagers gemäß der Erfindung,

Figur 10 - teilweise herausgebrochen - eine Schnittansicht einer weiteren AusfUhrungsform eines Kugellagers,

Figur 11- teilweise herausgebrochen - eine Schnittansicht einer abgeänderten AusfUhrungsform des Gleit- und Drucklagers nach Figur 3, und

Figur 12 - teilweise herausgebrochen - eine Schnittansicht einer weiteren Abänderung des Gleitlagers nach Figur 6·

In Figur 1 besitzt die schematisch dargestellte Lageranordnung ein Lagerteil 14 einer drehbaren Welle 16, die sich durch achsial ausgerichtete und im Abstand versetzte öffnungen 18 und 20 in entsprechenden Endteilen 22 und 24 eines Permanentmagneten 26 erstreckt. Der Permanentmagnet 26 ist mit einem entsprechenden Träger 28 befestigt, der einen Teil eines Gehäuses bilden kann· Eine ringförmige Zone 30 ist innerhalb des Magneten 26 ausgebildet; sie ist vollständig mit einer magnetisierbaren Flüssigkeit 32 gefüllt.

Der Magnet 26 der Lageranordnung nach Figur 1 baut ein begrenzendes Magnetfeld auf, das die magnetisierbare Flüssigkeit 32 in der Zone 30 als das einzige Schmiermittel innerhalb der Lagerspalte 34 und 36 zwischen allen eine Schmierung erfordernden Oberflächen hält. Infolge dessen wird die magnetisierbare Flüssigkeit zwischen den zu schmierenden Oberflächen gehalten. Es wird ein vollständiger magnetischer Kreis gebildet, der die magnetisierbare Flüssigkeit einschließt und umfaßt, so daß die Anordnung nach Figur 1 ein selbstschmierendes Lager darstellt, bei dem das magnetisierbare, flüssige

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Schmiermittel 32 dauernd in dem Spalt zwischen all den Teilen des Lagers gehalten wird, die während des Betriebes eine Bewegung relativ zueinander ausführen. Ein Verweilen der magnetisierbaren Flüssigkeit ergibt sich somit aus dem Aufbau des Magnetfeldes innerhalb des Lagers. Der Magnet 26 stellt somit die Quelle des Magnetfeldes dar und bildet einen Teil der Anordnung. Andererseits kann aber auch eine äußere Magnetfeldquelle verwendet werden.

Der Magnet 26 der Lageranordnung nach Figur 1 führt eine weitere Funktion aus, er erzeugt nämlich eine magnetische Abdichtung am Spalt 34 zwischen der Oberfläche der Lagerstelle 14 und der ringförmigen Oberfläche, die eine Öffnung 18 am Endteil 22 des Magneten festlegt. In ähnlicher Weise wird eine magnetische Abdichtung an dem Spalt 36 zwischen der Lagerstelle 14 und der eine Öffnung 20 am Endteil 24 des Magneten festlegenden ringförmigen Oberfläche erzeugt. Die Endteile 22 und 24 des Magneten 26 stellen zwei in radialer Richtung nach innen verlaufende Endflansche des Magneten 26 dar, die Polschuhe bilden, welche den Magnetenfluß an jedem der beiden Spalte zwischen jedem ihrer nach innen gerichteten Ränder und der Lagerstelle 14 der Welle konzentrieren.

Somit erzeugt der Magnet 26 ein konzentriertes Magnetfeld am Spalt 34 und am Spalt 36 zwischen dem stationären Magneten 26 und der Lagerstelle 14 der drehbaren Welle 16. Die magnetisierbar Flüssigkeit 32 erzeugt aufgrund der magnetischen Eigenschaften - da magnetische Partikel in die Spalte 34 und 36 hineingezogen werden - eine einwandfreie Abdichtung an jedem der Spalte. Unter optimalen Bedingungen können solche magnetischen Dich-

2 tungen bis zu Druckwerten von etwa 2,8 kg/cm absolut abdichten.

Die magnetischen Abdichtungen, die an den Spalten 34 und 36 ausgebildet werden, verhindern, dcß die magnetisierbare Flüssigkeit 32 unter ungünstigen Umständen ausgetrieben wird. Darüber hinaus verhindern die beiden Abdichtungen eine Verschmutzung des Lagers durch Trennung der Zone 30 von der Umgebung außerhalb der Lageranordnung, sie benötigen ferner keine kontinuierliche Schmiermitteleinspeisung, da die magnetischen Abdichtungen

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das flüssige Schmiermittel 32 in der Lageranordnung halten. Figur 2 zeigt eine geringfügig geänderte Lageranordnung, bei der ein Elektromagnet anstelle eines Permanentmagneten verwendet wird. Der Elektromagnet besteht aus einem Kern 42 und einer Drahtspule 44, die elektrisch an eine elektrische Energiequelle angeschaltet ist. Der Elektromagnet ist art einem Träger 46 befestigt, der Teil eines Gehäuses sein kann. Der Kern 42 des Elektromagneten ist so geformt, daß er Spalte ausbildet, wobei ein Spalt 48 in Figur 2 ähnlich dei Spalten 34 und 36 nach Figur 1 zwischen der stationären Lageranordnung 38 und einer Lagerstelle 50 einer drehbaren Welle 52 gezeigt ist. Die erforderliche Menge an magnetisierbarer Flüssigkeit 54 wird vonder magnetischen Abdichtung aufgenommen, die an den Spalten 48 erzeugt wird, genau wie in Verbindung mit der Lageranordnung nach Figur beschrieben. Die Ausfuhrungsformen nach den Figuren 1 und 2 stellen einfache Formen von Gleitlagern mit wenigstens einem Magneten rohrförmiger Gestalt dar, der konzentrisch eine drehbare Lagerstelle einer Welle umgibt, wobei der oder die rohrförmigen Magnete wenigstens einige der Lagerflächen um die Lagerstelle der Welle speisen.

Bei komplizierteren Aueführungsformen fUr die Lager nach vorliegender Erfindung werden die den Lagerspalt ausbildenden Lagerflächen durch zusätzliche Elemente gespeist, wie weiter unten in Verbindung mit den Übrigen Figuren der Zeichnung erläutert wird.

So ist nach einem Merkmal vorliegender Erfindung ein Lager vorgesehen, das ein kombiniertes Druck- und Gleitlager mit einem Paar achsial getrennter Druckplatten und einem zentrischen Element ist, welches die Gestalt eines hohlen Zylinders besitzt, der zwischen den Druckplatten befestigt ist und konzentrisch die Lagerstelle des Lagers umgibt, wobei ein Lagerspalt zwischen dem zentrischen Element und der Lagerstelle wie auch zwischen dem zentrischen Element und den Druckplatten ausgebildet wird; dabei ist wenigstens ein Kanal fUijUie magnetisierbare Flüssigkeit

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durch das zentrische Element vorgesehen, der den Spaltteil in der Nähe einer Druckplatte mit dem Spaltteil in der Nähe einer anderen Druckplatte verbindet. Eine nach diesem Prinzip aufgebaute Lageranordnung ist in Figur 3 gezeigt.

In Figur 3 weist eine spulenförmige Lageranordnung, die ein kombiniertes Gleit- und Drucklager bildet, eine Lagerstelle 62 auf, die mit einer drehbaren Welle 64 befestigt und mit ihr drehbar ist. Die Lagerstelle 62 weist einen zentrischen tragenden Teil 66 auf, der zwischen Lagerstellenendteilen 68 und 70 ausgebildet ist. Druckplatten 72 und 74 sind in entsprechender

Weise auf den Lagerstellenendteilen 68 und 70 angeordnet und mit diesen

achsialer

befestigt und sind in/Richtung von dem mittleren tragenden Teil 66 der Lagerstelle 62 versetzt. Die Druckplatten 72 und 74 laufen deshalb mit der Lagerstelle 62 um. Zwei Endflansche 76 und 78 sind in entsprechender Weise mit den Lagerstellenendteilen 68 und 70 aneinander stoßend angeordnet und damit befestigt, so daß die Flansche ebenfalls mit der Lagerstelle 62 umlaufen. Die soweit erwähnten Komponenten sind mit der Welle 64 drehbar und bilden einen Teil des Rotors der Lageranordnung nach Figur 3.

Di· Lageranordnung nach Figur 3 weist eine zylindrische Traganordnung 80 auf, die mit einem Gehäuse befestigt sein oder einen Bestandteil dieses Gehäuses darstellen kann. Ein Magnet 82 ist innerhalb der Traganordnung angeordnet und wird dort durch zwei festgezogene Klemmschrauben 84 und 86 gehalten, die in Eingriff mit der Traganordnung stehen. Jede der Klemmschrauben 84 und 86 hält eine von zwei ringförmigen Scheiben, die Polschuhe 88 und 90 in direktem Kontakt mit dem Magneten 82 und mit diesem befestigt darstellen. Die in radialer Richtung nach innen verlaufenden Polschuhe 88 und 90 erzeugen einen Pfad für das Magnetfeld, das durch den Magneten 82 aufgebaut wird und bewirken eine Konzentration des Magnetflusses an und quer zu entsprechenden Spalten 92 und 94, so daß ein magnetischer Kreis entsteht, da die Lagerstelle 62 aus magnetischem Material besteht.

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Wie in Figur 3 gezeigt, ist ferner ein stationäres, mittleres Stabilisierelement 96 vorgesehen, das die Form eines hohlen Zylinders besitzt, der aus nichtmagnetischem Material hergestellt ist; die äußere zylindrische Oberfläche ist dabei mit der jmeren zylindrischen Oberfläche des Magneten 82 befestigt· Das Stabilisierelement 96 ragt in den Raum hinein, der durch den zentrischen, tragenden Teil 66 und jede der beiden Oxuckplatten 72 und 74 definiert ist und fuhrt stationäre Lagerflächen in deren Nähe ein. Die Magnetischen Komponenten 82, 88 und 90 stellen zusammen mit dem Stabilisierelement 96 den Stator der Lageranordnung nach Figur 3 dar·

Die vorbeschriebenen rotierenden und stationären Bauteile, die den Stator und den Rotor der Lageranordnung nach Figur 3 bilden, sind durch einen kontinuierlichen, mäanderförmigen Spalt getrennt, da sie in einen gewünschten Abstand durch eine magnetisierbare Flüssigkeit 98 gehalten werden, die den Spalt praktisch vollständig füllt, welcher nur längs der Spalte 92 und 94 offen ist. Die magnetische Flüssigkeit 98 ist das einzige vorhandene Schmiermittel, da es in Kontakt mit allen konfrontierenden Oberflächen des Rotors und des Stators der Lageranordnung nach Figur 3 steht.

Wie sich aus der Darstellung nach Figur 3 ergibt, kann die Lageranordnung als Kombination eines Gleitlagers und eines doppelt wirkenden Drucklagers betrachtet werden« Das Gleitlager wird durch den zentrischen tragenden Teil 66 und die gegenübergestellte innere Fläche 97 des zentrischen Stabilisierelementes 96 gebildet· Wenn eine radiale Belastung auf die Welle 64 aufgebracht wird, wird das Lager exzentrisch, so daß der FlUssigkeitsdurchmesser sich im Lagerspalt 99 zwischen dem tragenden Teil 66 und der inneren Oberfläche 97 des zentrishen Stabilisierelementes 96 ändert. Der viskose Widerstand, den der sich bewegende, tragende Teil 66 auf die Flüssigkeit 98 ausübt, treibt die Flüssigkeit innerhalb des Lagerspaltes 99 an und bau einen hydrodynamischen Druck auf, der der radialen, auf die Welle 64 aufgegebenen Belastung entgegen wirkt.

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Hydrodynamische Gleitlager, die mit Hilfe von unter Druck stehenden Schmiermitteln geschraierte Lager sind, sind jedoch möglicherweise instabil. Diese Instabilität läßt sich dadurch vermeiden, daß Nuten 102 in die Oberfläche des tragenden Teiles 66 eingeschnitten werden, die bewirken, daß die Flüssigkeitsdruckverteilung vergleichsmäßig wird. Wenn die Nuten 102 eine spiralförmige Gestalt aufweisen, wie dies in Figur 3 gezeigt ist, wodurch ein Rotationssinn in Pfeilrichtung angenommen wird, wirken die Nuten in der Weise, daß sie die Flüssigkeit 98 gegen die Mittelebene des Lagers drücken, d.h. die Mitte des zwischenliegenden tragenden Teiles 66» Dieser Effekt verhindert ferner ein Lecken der Lageranordnung an den Abdichtungen längs der Spalte 92 und 94 durch Abnahme des FlUssigie itsdruckes in den Zonen in der Nähe der Spalte 92 und 94.

Die doppelt wirkende druckabsorbierende Fähigkeit der Lageranordnung nach Figur 3 ergibt sich aus dem Vorhandensein der Druckplatten 72 und 74, deren nach innen orientierte) Oberflächsn in der Nähe der Enflochen 73 und 75 des zentrischen Stabilisierelementes 96 liegen· Die Druckplatten 72 und 74 besitzen jeweils ein Schema von Spiralnuten 104, wie in Figur 4 gezeigt, die die Oberfläche der Druckplatte 74 zeigt, welche dem zentrischen Stabilisierelement 96 zugewandt ist, wobei die Druckplatte mit dem Lagerstellenendteil 70 befestigt ist. Die Nuten 104 sind in die Oberfläche so eingeschnitten, daß der viskose Widerstand der Nuten 104 gegen di« Flüssigkeit 98 auch aufgrund eines Pumpeffektes die Flüssigkeit gegen die Mittelebene des Lagers drückt, wodurch derFlUssigkeitsdruck an oder zur Lagermitte erhöht wird, während der Flüssigkeitsdruck an den Spalten 92 und 94 abnimmt. Unter einer achsialen d.h. Drucklast, wird der Rotor der Lageranordnung in achsialer Richtung verschoben, so daß der Abstand auf einer Seite des Lagers zwischen einer der Druckplatten, entweder 72 oder 74, und der benachbarten Endfläche 73 oder des Stabilisierelementes 96 geringer wird, während der Abstand am anderen Ende zunimmt. Dies bewirkt, daß das Ende mit dem verkleinerten Abstand als Pumpe wirksamer wird und einen Druckanstieg erzeugt, während der Druck an

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dem Ende ait den größeren Abstand abnimmt. Ein stetiger Zustand wird erhalten, wenn die durch den Unterschied zwischen den Drücken am einen oder anderen Ende erzeugte Kraft gleich und entgegengesetzt der angelegten Belastung wird.

Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, Durchflußkanäle , z.B. den Durchflußkanal 106, in Figur 3 und im Querschnitt in Figur 5 gezeigt, zwischen den Endflächen 73 und 75 des Stabilisierelementes 96 vorzusehen, um zu verhindern, daß LaststUtzdrUcke, wenn sie unter einer achsial angelegten Last auf die Lageranordnung entstehen, die Flüssigkeit durch die magnetische Abdichtung am einen der Spalte 92 und 94 herausdrucken· Die Kanäle wirken auch zur Stabilisierung des Lagers in achsialer Richtung, indem instabilisierende Druckunterschiede verhindert werden. Zweckmäßigerweise werden mehrere solcher Durchflußkanäle 106 vorgesehen, die in gleichem Abstand voneinander um den Umfang des Stabilisierelementes 96 herum angeordnet sind; Anzahl und Größe dieser Kanäle hängen von den Arbeitsbedingungen ab, unter denen die Lageranordnung betrieben werden soll.

Eine lecksichere magnetische Abdichtung wird längs jedes der Spalte 92 und 94 ausgebildet, wie in Verbindung mit der Lageranordnung nach Figur 1 vorstehend beschrieben.

In Figur 6 ist eine Gleitlageranordnung gezeigt, die keine druckkompensierende Fähigkeit besitzt, und die eine Lagerstelle 112 aufweist, welche mit einer drehbaren Welle 114 befestigt und deshalb mit ihr drehbar ist. Die Lagerstelle 112 weist einen zentrischen, tragenden Teil 116 auf, der zwischen den Lagerstellenendteilen 118 und 120 mit kürzerem Durchmesser ausgebildet ist. Die beiden Endflansche 122 und 124 sind entsprechend mit Lagerstellenendteilen 118 und 120 befestigt, so dbß die Flansche mit dem Lagerstellenteil 112 drehbar sind. Die Flansche 122 und 124 erstrecken sich in radialer Richtung nach außen, wo sie Anschlagbauteile ausbilden, die eine achsiale Trennung des Rotors vom Stator verhindern.

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Der Statorteil der Gleitlageranordnung nach Figur 6 weist einen Träger 126 auf, der ähnlich dem nach der Ausführungsform nach Figur 3 ist und der mit einem Gehäuse verbunden oder Teil eines Gehäuses sein kann. Ein Magnet 130 ist innerhalb des Trägers 126 angeordnet und wird dort durch Klemmschrauben 132 und 134 gehalten, die mit dem Träger 126 verschraubt sind. Die Klemmschrauben 132 und 134 halten ringförmige Polschuhe 136 und 138 in direktem Kontakt mit dem Magneten 130, «o daß die in radialer Richtung nach innen verlaufenden Polschuhe einen Pfad fUr das Magnetfeld bilden, das durch den Magneten aufgebaut wird, wodurch das Magnetfeld an entsprechenden Spalten 140 und 142 konzentriert wird. Ein in radialer Richtung nach innen verlaufendes zentrisches Element 144 in Form eines Hohlzylinders ist mit dem Magneten 130 befestigt. Die innere zylindrische Fläche des zentrischen Elementes 144 ergibt die Lagerfläche des Stators der Anordnung, da sie der Fläche des zentrischen tragenden Teiles 116 zugewandt ist.

Abhängig von geringfügigeren baulichen Unterschieden untergeordneter Bedeutung entspricht die Lageranordnung nach Figur 6 etwa der nach Figur 3. Ein wesentlicher Unterschied, nämlich die Druckplatten der AusfUhrungsform nach Figur 3, finden in der Ausfuhrungsform nach Figur kein Gegenstück, weil die Lageranordnung nach Figur 6 für den Einsatz unter Bedingungen ausgelegt ist, bei denen keine Druckbelastungen von dem Lager aufgenommen werden müssen.

Rotor und Stator der Gleitlageranordnung sind durch einen Lagerspalt voneinander getrennt und werden in einem gewünschten/bstand voneinander Über eine magnetisierbare Flüssigkeit 146 gehalten, die alle Spalten zwischen Stator und Rotor vollständig ausfüllt und das einzige Schmiermittel darstellt. So ist die schmierende, magnetisierbare Flüssigkeit zwischen entgegengesetzt orientierten radialen Flächen des zentrischen Elementes 144 und der Polschuhe, z.B. der Fläche 148 der Polschuhe 138 vorhanden. Schmiermittel ist auch in einem oder mehreren der Knäle 150,

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entsprechend den Kanälen 106 in Figur 3, vorhanden, und das Schmiermittel füllt auch den Lagerspalt zwischen dem zentrischen Element 144 und dem tragenden Teil 116 zwischen den Spalten 140 und 142, wo magnetische Abdichtungen ausgebildet sind· Die Kanäle schützen gegen jedes Ungleichgewicht der Pumpkraft, die durch die Lagernuten eingeführt wird, wodurch Flüssigkeit aus einer der Abdichtungen ausgetrieben würde. Ein Ungleichgewicht treibt somit die Flüssigkeit durch die Kanüle, anstatt die Abdichtungen unter Druck zu setzen. Weitgehend lecksichere magnetische Dichtungen sind quer zu den Spalten 140 und 142 und in Längsrichtung hierzu in ähnlicher Weise wie in Verbindung mit der Lageranordnung nach Figur 3 beschrieben, ausgebildet. Die magnetisierbare Flüssigkeit 146 wird somit in Kontakt mit den gegenüberstehenden Flächen des zentrischen Elementes 144 und des tragenden Teiles 116 gehalten und durch das begrenzende Magnetfeld beschränkt, damit zur Ausbildung einer selbstschmierenden Lageranordnung ähnlich der Ausfuhrungsform nach Figur 3 beigetragen wird.

Di· Lageroberfläche des zentrischen tragenden Teiles 116 der Gleitlageranordnung nach Figur 6 kann nach innen gerichtete Nuten aufweisen, die ähnlich den Nuten der Lageranordnung nach Figur 3 sind.

Nach den Figuren 7 und 8 weist eine andere Ausführungsform einer Lageranordnung, die achsiale und radiale Belastungen aufnehmen kann, einen Rotor mit einem Lagerstellenteil 152 auf, das mit einer drehbaren Welle 154 befestigt und mit ihr drehbar ist; der Lagerstellenteil 152 ist mit einem nach außen verlaufenden radialen Flansch 156 und benachbarten Lagerstellenendteilen 158 und 160 versehen.

Der Stator der Lageranordnung nach den Figuren 7 und 8 weist einen Träger 162 auf, der ähnlich den vorbeschriebenen Ausfuhrungsformen mit einem

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Gehäuse verbunden oder Teil eines Gehäuses sein kann. Zwei im Abstand voneinander angeordnete und nach innen verlaufende Flansche 164 und 166 sind mit dem Träger 162 so befestigt, daß jeder in der Nähe einer getrennten Seite eines Flansches 156 angeordnet ist und einem getrennten der Lagerstellenendteile 158 und 160 des Teiles 152 zugewandt ist. Ein nach innen verlaufender ringförmiger Abstandshalter 168 ist mit der Innenfläche des Trägers 162 befestigt und zwischen den Flanschen 164 und 166 angeordnet, wobei die nach innen orientierte Oberfläche von der nach außen gerichteten Fläche des Flansches 156 des Lagerstellenteiles 152 versetzt ist· Die Flansche 164 und 166 1-egen in Verbindung mit dem mittleren Abstandshalter 168 einen Kanal fest, der den nach außen gerichteten Flansch 156 des Lagerstellenteiles 152 aufnimmt. Magnete 170 und 172, die Permamentmagne-te sein können und die zweckmäßigerweise die Gestalt der gezeigten zylindrischen Beilage besitzen, sind entsprechend in ringförmigen Nuten 174 und 176 angeordnet, die in entsprechenden Flanschen 164 und 166 ausgebildet sind.

Rotor und Stator der Lageranordnung nach den Figuren 7 und 8 bilden dazwischen die Lagerspalte und Kanäle, die ausschließlich mit der magnetisierbarer!, d.h. ferromagnetische!! Flüssigkeit 178 gefüllt sind (vlg. dazu Figur 8). Die Flüssigkeit füllt die Kanäle 180 und 182, wdche Behälter darstellen, wie auch miteinander in Verbindung stehende Durchflußpfadkanäle 184 und 186, weiche die tatsächlichen Lagerspalte zwischen den gegenüberstehenden Lageflächen von Stator und Rotor sind, vollständig· Jedes der Flanschbauteile 164 und 166 weist eine Vielzahl ähnlicher Druckentlastungsöffnungen in Form von Bohrungen auf, z.B. Druckentlastungsöffnungen 188 und 190; diese Bohrungen sind in geeigneter Weise indbn Flanschbauteilen in gleichen Abständen um die gemeinsame Achse versetzt, die die Achse der Lageranordnung ist. Die magnetisierbare Flüssigkeit 178 wird somit so begrenzt, daß sie dauernd in Kontakt mit den gegenüberstehenden Lagerflächen der Anordnung steht·

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Wie in Figur 7 gezeigt, weisen der nach außen verlaufende Flanschteil 156 und die Lagerstellenendteile 158 und 160 der Lagerstelle 152 nach außen divergierende spiralförmige Nuten 192 auf, die während des Betriebes die magnetisierbar Flüssigkeit 178 pumpen, damit positive AbstUtzdrUcke zwischen Rotor und Stator erzeugt werden· Die Nuten 192 sind in ihrer Funktion analog den Nuten 102, 104 der Au slUh rungs form nach Figur 3· In radialer Richtung aufgebrachte Belastungen werden von der Lageranordnung nach den Figuren 7 und 8 aufgenommen , wie dies in Verbindung mit der Lageranordnung nach Figur 43 beschrieben ist, während eine achsiale Abstützung Über die positiven Laststützdrücke erzielt wird, die zwischen den nach innen gerichteten Flächen der Flaoschbauteile und 166 und den entgegengesetzt gerichteten Seitenflächen des Flansches 156 des Lagerteiles 152 erzeugt werden· Die Druckentlastungsöffnungen, z.B. die öffnungen 188 und 190, ermöglichen, daß Flüssigkeit durch das Lager zirkuliert, wodurch verhindert wird, daß ein überschüssiger Druck an den magnetischen Abdichtungen aufgebaut wird, die an jedem Spalt und 196 zwischen einem der Magnete 170 und 172 und dem benachbarten Lagerstellenendteil 158 und 160 gebildet wird. Wie in Verbindung mit der Lageranordnung nach Figur 1 beschrieben, ergibt der konzentrierte Magnetfluß, der an jedem der Spalte erzeugt wird, eine lecksichere Abdichtung; dabei treten die Vorteile auf, die vorstehend erwähnt wurden.

Man hat festgestellt, daß das Prinzip vorliegender Erfindung auch auf andere Lagerarten anwendbar ist, so daß in Verbindung mit anderen AusfUhrungsformen ein selbstschmierendes Lager ein rollendes Lager, z.B. ein Kugellager oder ein Rollenlager, sein kann. Dort, wo die Anordnung wenigstens eine Haltevorrichtung für die rollenden Elemente aufweist, kann die Haltevorrichtung permanentmagnetisiert sein. In Verbindung mit einem rollenden Lager mit Laufringen, zwischen denen sich die rollenden Elemente bewegen, kann wenigstens einer der Laufringe permanent magnetisiert sein. Dies ist in den Figuren 9 und 10 dargestellt.

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In Figur 9 ist eine Kugellageranordnung 200 schematisch in auseinander gezogener Form gezeigt; sie besitzt einen inneren Laufring 202 und einen äußeren Laufring 204, und es sind eine Vielzahl von miteinander identischen rollenden Elementen, z.B. die Kugel 206, in Rollkontakt mit jedem der Laufringe gehalten. Eine Trennvorrichtung 208 fUr die rollenden Elemente ist ein Permanentmagnet; er wird somit eine Quelle fUr ein magnetisches Begrenzungsfeld, das ein magnetisierbares flüssiges Schmiermittel 210 innerhalb der zu schmierenden Fläche begrenzt· Das konzentrierte Magnetfeld, das durch die magnetische Trennvorrichtung 208 aufgebaut wird, kann eine Schmiermittelreserve zurückhalten, die wesentlich größer ist als die Menge, die durch herkömmliche poröse oder nichtporöse Haltevorrichtungen erzielt wird, so daß die Lebensdauer eines solchen Lagers erhöht werden kann.

In Figur 10 weist eine teilweise dargestellte Lageranordnung 220 einen Laufring 222 mit einem rollenden Element, z.B. einer Kugi 224 auf· Bei dieser Ausfuhrungsform ist der Laufring 222 magnetisiert und baut somit ein magnetisches Begrenzungsfeld auf, das ein magnetisierbares flüssiges Schmiermittel 226 in der zu schmierenden Zone begrenzt und magnetische Abdichtungen an den Spalten 228 und 230 ähnlich wie weiter oben beschrieben ausbildet· Der konzentrierte Magnetfluß an jedem der Spalte 228 und 230 ist in der Lage, einen Schmiermittelvorrat zurückzuhalten, der wesentlich größer ist als der bei bekannten Anordnungen.

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Claims (12)

Ausscheidung aus Patentanmeldung P 22 60 CBO.2-12 L/p 7959 19. Sept. 1974 W/Ja -20 · Patentansprüche

1. Verwendung einer magnetisierbaren Flüssigkeit in einem begrenzten
Magnetfeld als einziges Schmiermittel in einem Spalt zwischen einer Schmierung erfordernden Oberfläche.

2. Geschmierte Anordnung aus Bauelementen, die so angeordnet sind, daß eine Oberfläche eines Elementes längs einer Oberfläche eines anderen Elementes bewegbar ist, mit einem Schmiermittel innerhalb des zwischen den Oberflächen ausgebildeten Spaltes, nach Anspruch 1, dadurch gekenn· zeichnet, daß das einzige Schmiermittel zwischen allen eine Schmierung erfordernden Oberflächen die magnetisierbare Flüssigkeit ( 32; 98; 146) ist, die gegen wenigstens einen Bereich der Oberflächen von dem Magnetfeld angezogen wird.

3· Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetisierbare Flüssigkeit (32; 98; 146) in dem Spalt zwischen zwei Oberflächen durch ein magnetisches Feld am Spalt gehalten wird.

4. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch einen
vollständigen Magnetkreis, der die magnetisierbare Flüssigkeit
umgibt und einschließt·

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L/p 7959 - I - ]9. Sepr. 1974 W/Ja

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis A₁ dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung ein selbstschmierendes Lager ist, bei dem die magnetisierbare Flüssigkeit dauernd innerhalb c*es Spaltes zwischen all den Teilen des Lagers gehalten wird, die sich während des Betriebes relativ zueinander bewegen, und bei dem ein Magnetfeld innerhalb des Lagers aufgebaut wird, wobei das Hagnetfeld eine Kraft erzeugt, die die magnetisierbare Flüssigkeit im Spalt hält·

6. Anordnung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Speisequelle für das magnetische Feld, die einen Teil der Anordnung darstellt»

7. Anordnung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen in die Anorednung eingebauten Permanentmagneten (26)·

8. Anordnung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen in die Anordnung eingebauten Elektromagneten (42,44).

9. Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung ein Gleitlager mit wenigstens einem Magneten ist, der einen rotierenden Lagerstellenteil auf einer Welle konzentrisch umgibt.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der oder jeder Magnet rohrförmig ausgebildet ist und wenigstens einige der Legerflächen um den Lagerstellenteil der Welle herum speist.

11. Anordnung nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch zwei radial nach innen verlaufende Endflansche des Magneten (82), die Polschuhe (88,90) ausbilden, welche den Magnetfluß an einem Spalt zwischen ihren nach innen gerichteten Rändern und dem Lagerteil der Welle konzentrieren.

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L/p 7959 - i - 19. Sept. 1974 W/Ja

-XX'

12. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhe (88,90; 232,234) getrennte, ringförmige Elemente sind, die mit dem Magneten befestigt sind.

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