DE3001061C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Gaslager, bei dem zur Abstützung
einer rotierbaren Welle Gas unter Druck aus einer Druckgasquelle einem
Lagerspalt zuführbar ist, das Lager zueinander versetzte und zum Lagerspalt
hin offene Ringnuten aufweist, ein zu einer Druckgasquelle führender
Gasdurchgang vorgesehen ist und die Ringnuten mit dem Gasdurchgang
über eine Vielzahl von zueinander versetzt angeordneten Gaszufuhrkanälen
verbunden sind, wobei jede Ringnut jeweils von einem Ende des
Lagers oder Lagerteils um einen Abstand von etwa 5 bis 15% der
gesamten Länge entfernt angeordnet ist.
Ein Lager dieser Art ist aus der Zeitschrift "MACHINE MODERNE",
Februar 1970, Seite 20-28 bekannt. Bei dem bekannten Lager ist die Tiefe
der Ringnuten sehr viel größer dimensioniert als der Lagerspalt. Bei einer
solchen Dimensionierung kann leicht ein Kurzschlußeffekt zwischen dem
Bereich mit kleinem Lagerspalt und dem Bereich mit großem Lagerspalt
entstehen, mit der Folge, daß die Druckdifferenz zwischen den beiden Bereichen
und somit die Tragfähigkeit des Lagers absinkt.
Des weiteren ist aus der US-PS 31 99 931 ein Gaslager bekannt, bei dem
die Druckluft über einen ringförmigen Drosselspalt und die Ringnut in
den Lagerspalt strömt. Aus der genannten Druckschrift ist des weiteren
ein Typ von Gaslager bekannt, das umfangsmäßig verteilte, lokale Zulaufdrosseln
für die Druckluft aufweist. Das bekannte Gaslager mit dem ringförmigen
Drosselspalt dient vor allem dazu, einen Kreisel so zu lagern,
daß durch die Druckluftströmung kein Drehmoment auf diesen ausgeübt
wird. Bei dieser Art von Lagern spielt die Frage der Lagerwirksamkeit
und die Frage der Lagersteifigkeit nur eine untergeordnete Rolle.
Aus der Druckschrift "INDUSTRIE-ANZEIGER", 94. Jhg., Nr. 99, vom
24. 11. 1972, Seiten 2392-2393 ist es bekannt, daß bei aerostatischen
Radiallagern aus porösem Werkstoff ein Tragfähigkeitsmaximun dann
erzielt wird, wenn der axiale und der radiale Durchflußwiderstand gleich
groß sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gaslager der eingangs genannten
Art zu schaffen, das sich durch hohe Lagerwirksamkeit, hohe Lagersteifigeit,
eine geringe Strömungsrate und durch einen kleinen Lagerspalt
auszeichnet.
Die Lösung dieser Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches
1 angegeben.
Durch die erfindungsgemäße Dimensionierung von Ringnuttiefe und Lagerspalt
ist ein Lager geschaffen, das sich durch besonders große Tragfähigkeit
und Steifigkeit auszeichnet und das mit einem Lagerspiel von nur
wenigen Mikron eingesetzt werden kann, was sich als ganz besonders
großer Vorteil ergibt.
Nach einer besonders vorteilhaften, an sich bekannten Ausgestaltung (vgl.
Druckschrift "MACHINE MODERNE", a. a. O.) ist vorgesehen, daß die Gaszufuhrkanäle
im Umfangsrichtung mit im wesentlichen gleichen Abstand
voneinander versetzt angebracht sind.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen
zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren schematisch
dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Lagers;
Fig. 2 einen Querschnitt durch das Lager gemäß Fig. 1;
Fig. 3 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit
der Lagerwirksamkeit vom Lagerspiel bei dem Ausführungsbeispiel
nach Fig. 1, wobei die Tiefe
der Ringnuten als Parameter für die verschiedenen
Kurvenverläufe gewählt ist;
Fig. 4 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der
Lagerwirksamkeit vom Lagerspiel bei dem Beispiel
nach Fig. 1, wobei für die verschiedenen Kurvenzüge
das Verhältnis von Abstand der im Lagergehäuse
vorgesehenen Speise-Endringnuten vom Ende
der Lagerfläche zur gesamten Lagerlänge als Parameter
gewählt ist;
Fig. 5 eine graphische Darstellung der radialen Druckverteilung
auf der Lageroberfläche, wobei für die
verschiedenen Kurvenzüge die Tiefe der Ringnuten
als Parameter herangezogen ist;
Fig. 6 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Lagers;
Fig. 7a eine Schnittdarstellung durch eine weitere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Lagers;
Fig. 7b eine Draufsicht auf die untere Lagerplatte der
Anordnung aus Fig. 7a;
Fig. 8 eine Darstellung der Druckverteilungscharakteristik
in radialer Richtung auf der Lagerinnenseite;
Fig. 9 einen Längsschnitt durch einen weitere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Lagers;
Fig. 10 eine Querschnittsdarstellung (Teilschnitt) durch
in einer Radialebene liegende Luftzufuhrkanäle
des Radiallagers nach Fig. 9;
Fig. 11 eine Querschnittdarstellung aus Fig. 9 mit einer
Ansicht der Führungsfläche des Lagers;
Fig. 12 einen Längsschnitt durch einen Abschnitt einer
weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Lagers und
Fig. 13 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform
für ein erfindungsgemäßes Lager.
In den Fig. 1 und 2 sind eine Welle 11, ein Lager 12 sowie
schmale Ringnuten 13 gezeigt, die sich kreisförmig erstrecken
und jeweils eine geschlossene Ringnut in der
Lagerfläche ausbilden. Die Ringnuten 13 sind jeweils an
Stellen angeordnet, die von den entsprechenden, einander
gegenüberliegenden Lagerenden in einem Abstand L₁ entfernt
sind, der seinerseits etwa 5 bis 15% der Gesamtlänge L
des Lagers ausmacht. Jede Nut weist eine Tiefe g einer
Größe von etwa dem 1,5- bis 6fachen des Lagerspieles auf.
Weiterhin sind Luftzufuhrbohrungen 14 kleinen Durchmessers
vorgesehen, die zu den Radialnuten hin offen und über
eine Luftkammer 15 mit einer Preßluftquelle 16 verbunden
sind. Die Anzahl der Luftzufuhrkanäle bzw. -öffnungen 14
wird so ausgewählt, daß sie kleiner ist als die der bekannten
Gaslager. Die Druckluft, die von der Druckluftquelle
16 angeliefert wird, fließt in die engen Ringnuten
13 unter Zwischenschaltung der Luftkammer 15 und
der Luftzufuhrkanäle 14. Die auf diese Weise zugeführte
Druckluft fließt durch die Nuten 13 in die Umfangsrichtung
des Lagers und dann durch das Lagerspiel nach außen. Vorteilhafterweise
wird der Durchmesser der Luftzufuhrkanäle
so klein wie möglich ausgeführt, z. B. kleiner als 0,1 mm,
und ihre Anzahl zu drei oder vier gewählt. Bei der in Fig.
2 gezeigten Form werden drei Luftzufuhrkanäle 14 eingesetzt,
die im Winkel zueinander mit im wesentlichen gleichen
Winkelabständen angeordnet sind.
Der optimale Betriebspunkt des hydrostatischen Lagers
wird dann erreicht, wenn der Strömungswiderstand R₁ eines
Durchgangs von der Luftkammer 15 zu der Lageroberfläche
über die Luftzufuhrkanäle 14 und die engen Speisenuten 13
gleich dem Strömungswiderstand R₂ eines Durchgangs im
Lagerspiel zwischen den seitlichen Kanten der Nuten und
den Lagerenden wird. Der Strömungswiderstand R₁ ist umgekehrt
proportional dem Quadrat des Durchmessers d der
Öffnungen der Luftzufuhrkanäle und deren Anzahl,
wogegen der Strömungswiderstand R₂ umgekehrt proportional
der dreifachen Potenz des Lagerspiels Cr (das in Fig. 2
zur Darstellung einer exzentrischen Lage des Wellenbundes
11 übertrieben starkt gezeigt ist) und proportional der
Ausströmlänge L₁, der Durchmesser
d der Luftzufuhrkanäle 14 und deren Anzahl werden
so klein wie möglich gewählt, um eine Bedingung R₁ ≈ R₃
für ein kleineres Lagerspiel Cr zu erfüllen. Wie vorstehend
beschrieben, wird erfindungsgemäß die Ausströmlänge
L₁ klein gewählt, um den Ausströmwiderstand zu begrenzen,
und die Anzahl der Luftzufuhrkanäle 14 wird
verkleinert, um den Widerstand gegen die Luftströmung zu
erhöhen, wodurch der Einströmwiderstand (R₁) und der
Ausströmwiderstand (R₂) zur Erzielung der optimalen Betriebsbedingung
gleich groß werden.
In den Fig. 3 und 4 ist der Verlauf der Lagerwirksamkeit
un des Lagerspieles Cr für einen Durchmesser der Luftzufuhrkanäle
von 0,1 mm für eine Anzahl von drei Luftzufuhrkanälen
sowie für ein Verhältnis der Lagerlänge
zum Lagerdurchmesser (L/D: vgl. Darstellungen aus Fig. 1)
= 1 dargestellt. Im speziellen zeigt Fig. 3 den Verlauf
der Lagerwirksamkeit über dem Lagerspiel für die Werte
L₁/L = 0,5 und für einen Druck der zugeführten Druckluft
von 1 kg/cm², wobei die Nuttiefe g der Ringnuten
13 als Parameter für die verschiedenen Kurvenverläufe
gewählt ist. Die optimale Tiefe für die Ringnuten
13 liegt bei etwa 4fachen des Wertes für das Lagerspiel
Cr, während das optimale Lagerspiel etwa 7 µm beträgt,
bei welchem Wert eine Lagerwirksamkeit von etwa
0,7 erzielt werden kann. Selbst wenn die Tiefe der Ringnut
13 und das Lagerspiel leicht von ihren optimalen
Werten unterschiedlich sind, nimmt die Lagerwirksamkeit
noch immer nicht in einem merklichen Maße ab. Wenn das
Verhältnis L/D auf Werte von ²/₃ und ½ abgesenkt wird,
dann steigt die maximale Lagerwirksamkeit auf 0,8 bzw.
0,85 an. In Abhängigkeit von dem Druck der zugeführten
Druckluft schwankt das optimale Lagerspiel etwas, z. B.
für Werte des Luftdrucks der zugeführten Druckluft von
5 kg/cm² und von 0,1 kg/cm², liegt das optimale Lagerspiel
bei ca. 5 bzw. 9 µm.
In Fig. 4 ist der Kurvenverlauf der Abhängigkeit der
Lagerwirksamkeit vom Lagerspiel Cr für den Fall eines
Ausgangsdruckes von 0,1 kg/cm² für die zugeführte Druckluft,
für einen Durchmesser von 0,1 mm für die Luftzufuhrkanäle
und für das Verhältnis L₁/L als Parameter
wiedergegeben. Es kann festgehalten werden, daß eine
Veränderung des Wertes des Verhältnisses L₁/L auch eine
Veränderung der optimalen Tiefe für die Ringnuten bewirkt,
um jeweils eine Maximierung des Wertes für die
Lagerwirksamkeit zu erhalten. Aus Fig. 4 ist ersichtlich,
daß L₁/L kleiner als 0,1 gewählt werden sollte,
um das Lagerspiel unter 10 Mikron abzusenken. Allerdings
ist dabei zu beachten, daß der Wert von L₁/L, der diese
Bedingung erfüllt, ansteigt, wenn der Ausgangsdruck der zugeführten
Druckluft vergrößert und der Durchmesser der Luftzufuhrkanäle
verkleinert wird.
Zum besseren Verständnis des Vorhandenseins einer optimalen
Ringnuttiefe, bei der die Lagerwirksamkeit maximal ist, soll
die Abhängigkeit der Umfangsdruckverteilung des Lagers von
der Nutentiefe untersucht werden: in Fig. 5 ist zu diesem
Zweck die Abhängigkeit des Druckes über dem Lagerschalenumfang
(der als abgewickelter Umfangswinkel ϕ dargestellt ist,)
die durch die Exzentrizität des Wellenbundes 11 erzeugt wird,
von der Tiefe g der ringsumlaufenden Ringnut 13 gezeigt, wobei
die Breite der Ringnut zu 1 mm und die Anzahl der Luftzufuhrkanäle
zu drei gewählt ist. In der Darstellung von Fig. 5
wird mit P z des zugeführten Druckgases,
mit MAX, Cr die maximal auftretende Lagerspaltbreite (Lagerspiel
bei ϕ = 0°) und mit MIN, Cr die minimal auftretende Lagerspaltbreite
(min. Lagerspiel bei ϕ = 180°) bezeichnet.
Wie der Darstellung von Fig. 5 entnehmbar ist, nimmt für den
Fall sehr großer Nutentiefen g der Kurzschlußeffekt (Ausgleichseffekt)
zwischen den Drücken im Bereich des Lagers, wo
infolge der Exzentrizität ein großes Lagerspiel herrscht, und
dem Lagerbereich, wo wegen der Exzentrizität ein engeres Lagerspiel
auftritt, stark zu, d. h. die Druckdifferenz zwischen
dem Winkelbereich -90° < ϕ < 90° und dem Bereich 90° < ϕ < 270°
nimmt so stark ab, daß die Tragfähigkeit des Lagers absinkt.
Aus diesem Grund gibt es einen optimalen Wert für die Nutentiefe
g der Ringnuten, bei dem die Lagerwirksamkeit maximal
ist.
Bezeichnet man das Lagerspiel (Lagerspaltbreite) mit Cr, den
Lagerdurchmesser mit D, die Anzahl der Luftzufuhrkanäle mit n,
die Weite der Ringnut mit b und den Abstand zwischen der dem
zugehörigen Lagerende am nächsten liegenden Außenseite der
Ringnut und diesem Lagerende mit L₁, dann läßt sich die optimale
Nutentiefe g ungefähr durch folgende Gleichung ermitteln:
Hieraus läßt sich z. B. ein Verhältnis g/Cr ≈ 3 berechnen,
wenn D = 28 mm, n = 3, b = 1 mm und L = 3 mm. Ganz allgemein
bewegt sich der Wert für das Verhältnis g/Cr in
einem Bereich von etwa 1,5 bis 6. Verlagert man die
Luftzufuhrbohrungen und die Ringnuten noch weiter an
die Lagerenden hin, dann nimmt die Lagerwirksamkeit zu
und das optimale Lagerspiel noch ab. Wenn allerdings
die Längen L₁ der Abströmung zu gering werden, dann
würden Ungenauigkeiten bzw. Fehler in der Anordnung bzw.
im Zusammenbau so starke Schwankungen in den Lagercharakteristiken
ergeben, daß die Länge L₁ wenigstens
1 mm betragen sollte. Daher sollten die Luftzufuhrkanäle
14 an solchen Stellen angebracht werden, die von
den entsprechenden Lagerenden etwa 5-15% der gesamten
Lagerlänge entfernt sind.
Wählt man z. B. einen Durchmesser von 30 mm für den
Wellenbund, eine effektive Lagerlänge von 50 mm und
einen Druck für die zugeführte Luft von etwa 0,07 kg/cm²,
dann ist es mit einem erfindungsgemäßen Lager möglich,
bei einer rotierenden Welle eine Belastung von
700 g bereits durch optimale Gestaltung des Lagers aufzunehmen
bzw. abzustützen. Setzt man ein Lager dieser
Ausgestaltung für eine rotierende Drehkopf-Aufzeichnungsvorrichtung
ein, dann läßt sich diese mit einem
Gewicht von weniger als 500 g ausführen: hierdurch
ergibt sich ein sehr kompaktes, trotzdem aber
funktionstüchtiges und über lange Zeit einsetzbares
Gaslager, bei dem sowohl in der Anlauf-, wie auch in
der Auslauf-Phase eine kontaktfreie Lagerung der zueinander
bewegten Lagerteile vermieden wird und das
bei hoher Betriebsdrehzahl (etwa 10 000 bis 30 000 U/min)
als hydrodynamisches Lager wirkt, wobei man nur Druckgas
relativ geringen Druckes benötigt, so daß ein herkömmlicher
Rotationskompressor ohne Notwendigkeit einer
Nachschmierung über lange Zeit eingesetzt werden kann.
Fig. 6 zeigt einen Lageraufbau, der sich von dem aus
den Fig. 1 und 2 dadurch unterscheidet, daß ein Wellenbund
11′ mit einer Vielzahl von bekannten, in Fischgrätmuster
angebrachten Nuten 17 geringer Tiefe eingesetzt
ist. Druckluftlager mit solchen geneigten Nuten
sind bekannt und werden für den Zweck eingesetzt, um
zur Erzeugung eines hydrodynamischen Druckes für die
Lagerung des Wellenbundes Außenluft in das Lager bei
der Drehung mit hineinzuziehen. Bei herkömmlichen Lagern
machte allerdings diese Ausbildung wegen der Berührung
von Wellenbund und Lagerschale während der Anlauf- und
Auslauf-Phase des Lagers eine Härtung der Lagerschalenoberfläche
nötig, wofür z. B. keramische Stoffe eingesetzt
werden. Hierdurch erhöhen sich jedoch nicht nur
die Herstellungskosten für das Lager, sondern es sinkt
auch dessen Einsetzbarkeit bzw. Einsatzdauer. Die in
Fig. 3 allerdings dargestellte Ausgestaltung eines
Druckgaslagers nach der Erfindung macht es möglich,
eine Lagerung während der An- und Auslaufphase der Bewegung
ohne Kontakt der zueinander bewegten Teile sicherzustellen,
was durch intermittierenden Einsatz von Druckluft
aus einer so kleinen und funktionssicheren Druckluftquelle
wie z. B. einem Turbokompressor möglich ist.
In den Fig. 7a und 7b ist ein Axialdrucklager mit
einer Lagerscheibe 22 dargestellt, die zur lagernden
Aufnahme eines Stützteiles (d. h. eines abzustützenden
Elementes) 21 vorgesehen und entsprechend angepaßt ist.
Die Lagerscheibe 22 ist als eine kreisrunde Scheibe ausgeführt
und mit einer zentralen Öffnung 29 sowie mit
zwei konzentrisch angeordneten Kreisnuten 23 und 24 versehen,
deren eine (23) nahe der zentralen Öffnung 29
angebracht ist, während die andere (24) nahe der äußeren
Peripherie der Lagerscheibe verläuft. Jede Nut ist mit
einer Vielzahl von (in der dargestellten Ausführungsform:
drei) in Umfangsrichtung der Nut voneinander versetzt
angeordneten Gaszufuhrkanälen 25 versehen, die
jeweils mit einer gemeinsamen, als Gasdurchgang ausgebildeten
Gas-Rundkammer 26 in Verbindung stehen, die
ihrerseits mit einer Druckgasquelle 27 verbunden ist.
Das Druckgas wird aus dem Lager nach außen durch den
Lagerspalt bzw. das Lagerspiel 28 und durch die zentrale
Öffnung 29 wieder abgegeben. Die Kreisnuten 23 und 24
können in derselben Weise wie in den vorstehend bereits
beschriebenen Lagerbeispielen ausgeführt werden, mit
der Einschränkung, daß die Werte für die Durchmesser der
inneren und äußeren Ringnuten 23 und 24 in der weiter
oben genannten Formel anstelle des Wertes D eingesetzt
werden müssen.
Bei dem in den Fig. 1 und 2 gezeigten Lager ist die
Lagerlänge L relativ klein und der Abstand zwischen den
Ringnuten 13 an den beiden Lagerenden kleiner als der
Umfangsabstand der Luftzufuhrkanäle 14 (d. h. eine entsprechende
Kreisbogenlänge für einen Zentralwinkel von
120°). Bei dieser Anordnung ist die Variation des Druckverlaufes
über die Lagerlänge gering, so daß die axiale
Druckverteilung mit einem Ansteigen oder mit einer Abnahme
des Lagerspiels sich so ändert, wie dies aus den
trapezartigen Kurven A und A′ in Fig. 8 ersichtlich ist.
Dabei stellt A den axialen Druckverlauf im Hochdruckbereich
des Lagers und A′ den Druckverlauf im Niederdruckbereich
des Lagers dar. Die ebenfalls in Fig. 8
dargestellten, gestrichelt eingezeichneten Druckverläufe
B und B′ ergeben sich für den Fall, der weiter
oben bereits näher beschrieben ist und bei dem entweder
die Lagerlänge größer als der Lagerdurchmesser
oder eine relativ große Anzahl von Luftzufuhrkanälen
vorhanden ist (Absenkung des Druckes im Hochdruckbereich
des Lagers, Anstieg des Druckes im Niederdruckbereich
des Lagers, wegen erhöhtem Strömungswiderstand in
axialer Richtung und dadurch erfolgender teilweiser
radialer Umlenkung des Druckfluids aus dem Hochdruckbereich
in den Niederdruckbereich).
Bei dem in Fig. 9 dargestellten, als Axial- und Radiallager
ausgeführten Gaslager ist dieses Problem gelöst.
Bei dem gezeigten Lager ist ein Radiallager relativ großer
Lagerlänge mit einem Axialdrucklager, wie dies etwa im
Prinzip aus den Fig. 7a und 7b entnehmbar ist, kombiniert.
Bei den Darstellungen nach Fig. 9, 10 und 11 ist
ein Lagerhauptkörper 32 des Lagers in einer Ringnut aufgenommen,
die von einem im Durchmesser verengten Abschnitt
31 a einer Welle 31 und dessen vertikalen Seitenwänden
31 b ausgebildet wird. Die Verbindungsstellen
zwischen der radialen Lagerfläche 32 a des Lagerhauptkörpers
32, die eine Erstreckung in Axialrichtung aufweist,
und den beiden axialen Druckflächen 32 b, deren
jede sich in radialer Richtung erstreckt, sind schräg
abgewinkelt, und die abgewinkelten Abschnitte begrenzen
an dieser Stelle im Kreis umlaufende Ringkanäle 34, die
durch Gasauslaßkanäle 33, die für die rotierende Welle
31 vorgesehen sind, mit der das Lager umgebenden Atmosphäre
verbunden sind. Die Ausbildung der beiden Ringkanäle
34 und des Gasauslaßkanales 33 verhindert, daß
es zu Interferenzen zwischen dem Radiallager und dem
Axiallager kommt.
In der Mitte der radialen Lagerfläche 32 a ist eine Gasauslaß-
Ringnut 35 vorgesehen, welche die radiale Lagerfläche
32 a in zwei Einzelflächen aufteilt. Die Ringnut
35 steht in Verbindung mit der Außenseite des Lagers
über einen radialen Auslaß 36 in der drehbaren Welle 31.
Nahe den Ringkanälen 34 und der teilenden Ringnut 35
sind weitere Ringnuten 37 vorgesehen, deren jede drei
Gaszufuhrkanäle 39 kleinen Durchmessers aufweist, die
in Umfangsrichtung der Ringgnut voneinander gleichmäßig
versetzt angeordnet sind und mit einem Gasdurchlaß 38
im Lagerhauptkörper 32 in Verbindung stehen. Jede
axiale Lagerfläche 32 b ist mit Kreisnuten 310 in der
Nähe ihrer inneren und äußeren Begrenzungskanten versehen,
und jede Kreisnut 310 steht in Verbindung mit
dem Gasdurchlaß 38 über drei Gaszufuhrkanäle 311, die
in gleichmäßigem Abstand zueinander versetzt sind. Ein
als Nippel ausgebildeter Gasdurchlaß 312 ist weiterhin
dafür vorgesehen, um den Gasdurchlaß 38 mit der Druckluftquelle
zu verbinden. Für eine Lagerkonstruktion,
bei der der Gasauslaßkanal 33 geschlossen sein soll,
kann auch eine Auslaßöffnung 313 in radialer Richtung
(wie in Fig. 11 eingezeichnet) vorgesehen werden.
Das Druckgas, das dem Nippel 312 zugeführt wird, wird
von dort aus zu den Spalten zwischen der radialen Lagerfläche
32 a und dem im Durchmesser verengten Abschnitt
der Welle 31 sowie zwischen die axialen Lagerflächen 32 b
und die vertikalen Seitenwände 31 b am verengten Abschnitt
an der rotierenden Welle 31 über den Luftdurchlaß 38 und
die Gaszufuhrkanäle 39 und 311 weitergeleitet, um den
Lagerdruck zur Abstützung der Welle 31 aufzubauen.
Bei der in Fig. 9 dargestellten Ausführungsform ist die
radiale Oberfläche 32 a durch die mit dem Auslaß 36 verbundene
Ringnut 35 in zwei Einzelabschnitte aufgeteilt,
wobei das Verhältnis des Lagerdurchmessers zur Lagerlänge
im wesentlichen kleiner als 1, z. B. ca. 0,5 gewählt
ist. Entsprechend der Ausgestaltung dieses Ausführungsbeispiels
wird dabei die wirksame Lagerlänge durch die
mittlere Ringnut verringert, wodurch sich eine
Druckverteilung erzielen läßt, wie diese in den Kurven
A und A′ dargestellt ist, um hierdurch die
Lagerwirksamkeit zu verbessern. Im allgemeinen ist es
dabei von Vorteil, den axialen Abstand der Gaszufuhrkanäle
so zu wählen, daß er ungefähr ²/₃ bis ½ der
Lagerlänge ausmacht. Ein Abstand von weniger als ½
der Lagerlänge kann die Lagerwirksamkeit nicht verbessern.
Will man die Tragfähigkeit des Lagers durch Vergrößerung
der Lagerlänge des Radiallagers anheben, dann
kann man die radiale Lagerfläche auch in drei oder vier
Einzelabschnitte durch Anordnung von zwei oder drei
jeweils mit einem Auslaßkanal verbundenen Ringnuten
aufteilen. In diesem Fall lassen sich z. B. für jeden Einzelabschnitt
der Lagerfläche dann zwei Ringnuten mit verbundenen
Luftzufuhrkanälen für die Zuleitung der Druckluft
dorthin vorsehen.
Während bei dem in Fig. 9 gezeigten Radiallager die
radiale Lagerfläche durch die Ringnut 35 so aufgeteilt
wurde, daß sich über einen relativ langen Bereich der
Lagerlänge eine im wesentlichen gleichmäßige Druckverteilung
erzielen läßt, ist bei einer anderen, in Fig. 12
gezeigten Ausführungsform derselbe Zweck dadurch erreicht,
daß die Ringnuten 37 über eine Vielzahl axialer
Nuten 314 miteinander verbunden sind, wobei jede dieser
axialen Nuten 314 weniger tief als die Ringnuten 37 ausgeführt
ist. In Fig. 12 wird mit 31′ die rotierende Lawelle
bezeichnet.
Obwohl in den bislang dargestellten Ausführungsbeispielen
die Ringnuten in der Lagerschale vorgesehen
wurden, ist die Erfindung auf diese Anordnung der Ringnuten
durchaus nicht beschränkt. Vielmehr lassen sich
die erfindungsgemäßen Vorteile auch durch eine Anordnung
der Ringnuten in der Welle erzielen, wie dies
in Fig. 13 dargestellt ist: im einzelnen wird dort
ein drehbarer Wellenbund 41 eingesetzt, der mit rings
um seinen Außenumfang verlaufenden Ringnuten 42 a versehen
ist, während die Lagerfläche der Lagerschale
mit Luftzufuhrkanälen 44 a versehen ist, die den Ringnuten
43 a gegenüberliegen. Eine Axiallager-Druckplatte
48, die an der Welle befestigt ist (vorzugsweise einstückig mit
dieser ausgebildet ist), ist mit konzentrischen Ringnuten 43 b wie
bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 7b versehen, und weiterhin
sind Luftzufuhrkanäle 44 b in den axialen Lagerflächen
der Lagerschale 42 so vorgesehen, daß die den Ringnuten
43 b gegenüberliegen. Die Luftzufuhrkanäle 44 a
und 44 b stehen ihrerseits mit einer Luftkammer 45 in
Verbindung. Auf dem Wellenbund 41 sind weiterhin Ringnuten
46 angeordnet, die - wie weiter oben beschrieben -
wiederum als Teilnuten für die radiale Lagerfläche
dienen. Ihnen zugeordnet sind Auslaßkanäle 47 a im feststehenden
Lagerkörper vorgesehen, die in die radiale
Lagerfläche einmünden. Weiterhin sind in der Axiallager-
Druckplatte Auslaßkanäle 47 b zum Verhindern einer unerwünschten
Interferenz zwischen den Radial- und Axiallagern
vorgesehen.
Beim Einsatz solcher Teilungsnuten, wie sie z. B. bei
dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 9 und Fig. 13 vorgesehen
sind, wird über die Teilungsnuten 37 (Fig. 9)
bzw. 43 a (Fig. 13) Druckluft in den Lagerspalt eingelassen,
die über den Lagerspalt hinweg mi der aus der
jeweils anderen, am anderen Ende desselben Lagerabschnitts
vorhanden Ringnut austretenden Druckluft
das Druckkissen innerhalb des Lagerspaltes für die betreffende
Lager-Teilfläche ausbildet. Der durch das
Lagerspiel zwischen den Teilungsnuten 35 bzw. 46 und
den ihnen benachbarten Luftzufuhr-Ringnuten 37 bzw. 43 a
ausgebildete Zwischenkanal stellt dabei eine Verbindung
für aus dem Luftkissen austretende Luft zu den Auslässen
36 bzw. 47 a und damit zur Außenseite des Lagers
her, so daß auf diesem Weg wieder Luft aus dem Lager
austreten kann.
Claims (4)
1. Gaslager, bei dem zur Anstützung einer rotierbaren Welle Gas
unter Druck aus einer Druckgasquelle einem Lagerspalt (Cr) zuführbar
ist, das Lager zueinander versetzte, zum Lagerspalt (Cr) hin offene Ringnuten
(13) aufweist, ein zu einer Druckgasquelle (16) führender Gasdurchgang
(15) vorgesehen ist und die Ringnuten (13) mit dem Gasdurchgang
(15) über eine Vielzahl von zueinander versetzt angeordneten Gaszufuhrkanälen
(14) verbunden sind, wobei jede Ringnut jeweils von einem Ende
des Lagers oder Lagerteils um einen Abstand (L₁) von etwa 5 bis 15% der
gesamten Lagerlänge (L) entfernt angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,
daß für das Verhältnis der Tiefe (g) der Ringnuten (13) zum
Lagerspalt (Cr) folgende Beziehungen gelten:
g/Cr ≅ [{(π D/2n)²/bL₁}1/3-1],
1,5 g/Cr 6wobei
Crder Lagerspalt, Dder Lagerdurchmesser, Ndie Zahl der Gaszufuhrkanäle, bdie Breite der Ringnut und L₁die Entfernung zwischen dem Ende des Lagers und der diesem zugewandten Kante der Ringnut ist.
1,5 g/Cr 6wobei
Crder Lagerspalt, Dder Lagerdurchmesser, Ndie Zahl der Gaszufuhrkanäle, bdie Breite der Ringnut und L₁die Entfernung zwischen dem Ende des Lagers und der diesem zugewandten Kante der Ringnut ist.
2. Gaslager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Gaszufuhrkanäle (14) in Umfangsrichtung mit im
wesentlichen gleichem Abstand voneinander versetzt angebracht
sind.
3. Gaslager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Vielzahl von schräg zur Wellenachse
verlaufenden Nuten (17) in Fischgrätmuster auf der Oberfläche
der Welle (11′) angebracht sind.
4. Gaslager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß zum Teilen der inneren Lagerfläche
(32 a) wenigstens eine Ringnut (35) vorgesehen ist, die
mit einem Auslaß (36) in Verbindung steht, und daß nahe
dieser Teilungsnut (35) weitere Ringnuten (37) mit einer
Vielzahl von in die jeweilige weitere Ringnut (37) mündenden
Gazufuhrkanälen (39) vorgesehen sind.
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