DE3686802T2 - Axiallager. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Axial- oder Schublager gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Eine Art des Axiallagers ist bekannt, bei dem ein Lagerglied mit Spiralnuten verwendet wird zur Anlage an einem flaches Glied, um eine Axiallast aufzunehmen, die durch den dynamischen Strömungsmitteldruck zwischen dem flachen Glied und der Oberfläche des anderen Gliedes mit den Spiralnuten erzeugt wird, wenn die zwei Glieder veranlaßt werden, sich relativ zueinander zu drehen. Beispiele solcher Lager sind in US-A-3 918 773 und US-A-4 575 264 beschrieben.
• Die in diesen US-Patenten gezeigten Lager arbeiten zufriedenstellend. Bei diesen Lagern werden jedoch Mittel zum Tragen gewisser Radiallasten benötigt, da sie die Radiallast nicht aufnehmen. Wenn keine Mittel zur Verhinderung der Radialversetzung zwischen den zwei Gliedern vorgesehen sind, kann sich jedes der Glieder in einer Richtung senkrecht zu der sich drehenden Welle radial verschieben.
• Wenn eine Anordnung verwendet wird, bei der ein oder mehrere Radiallager zusätzlich zu dem Axiallager der oben genannten Art verwendet werden, so kann eine solche Maßnahme eine Erhöhung des Gesamtvolumens der gesamten Vorrichtung zur Folge haben. Andererseits, wenn die Glieder, die das Axiallager bilden, so geplant sind, daß sie kugelförmige, kegelförmige oder kegelstumpfförmige Oberflächen besitzen und zwar an der Schnittstelle zwischen den zwei Gliedern, um dazwischen eine relative Radialversetzung zu verhindern und zum Widerstehen radialer Last, so ist das Verfahren zum Herstellen solcher Oberflächen und zum Vorsehen von Spiralnuten an diesen, während strikte Toleranzen eingehalten werden, eine schwierige und teure Arbeit. Vorsehen zusätzlicher radialer Lager wäre auch teuer, wenn die zu erwartende Radiallast relativ gering ist. Wenn die Toleranzen für das Glied mit den Spiralnuten und dem gegenüberliegenden Glied nicht, wie benötigt, beibehalten werden, würde sich die Funktionsweise des Lagers verschlechtern oder es würde überhaupt nicht arbeiten. Solche Versuche des Verwendens nicht flacher Oberflächen, wie dies oben beschrieben wurde, waren somit nicht durchführbar.
• Es ist daher ein Radiallager erwünscht, das ein Glied mit Spiralnuten auf einer flachen Oberfläche und ein gegenüberliegendes Glied mit einer flachen Oberfläche, die den Spiralnuten gegenüberliegt, aufweist, wobei die Radiallasten von den zwei Gliedern getragen werden. FR-A-2152023 beschreibt ein Radiallager dieser Art gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Axiallager derart vorzusehen, das Spiralnuten auf einer flachen Oberfläche eines der Lagerglieder besitzt, wobei die Spiralnuten so angeordnet sind, daß sie einer flachen Oberflächen des anderen Gliedes des Axiallagers gegenüberliegen und auch eine gewisse Radiallast aushalten.
• Das obige Ziel wird erfindungsgemäß erreicht durch Ausrichtmittel zum Aufrechterhalten der Ausrichtung zwischen dem Spiralglied und dem gegenüberliegenden Glied mittig innerhalb der ringförmigen Zone, wo ein Muster von Spiralnuten vorgesehen ist, wobei die Ausrichtmittel Magnetstücke aufweisen, die in der gegenüberliegenden Oberfläche eingebettet sind, um eine zusammenwirkende Magnetkraft zwischen gegenüberliegenden Gliedern mittig in jedem der gegenüberliegenden Oberflächen zu zeigen. Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Die vorliegende Erfindung wird durch das Studium der folgenden Beschreibung anhand des bevorzugten Ausführungsbeispiels in Bezug auf die Zeichnung verdeutlicht. In der Zeichnung zeigt:
• Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 2 eine Draufsicht auf ein Spiralmuster, das in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 verwendet wird;
• Fig. 3 eine Seitenansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels;
• Fig. 4 eine Draufsicht auf eine Oberfläche mit einem Spiralmuster, das bei dem zweiten Ausführungsbeispiel verwendet wird;
• Fig. 5 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines dritten Ausführungsbeispiels;
• Fig. 6 und 7 eine Draufsicht auf jede der gegenüberliegenden Oberflächen eines Zwischenscheibengliedes, das zwischen einem drehbaren Glied und einem stationären Glied des dritten Ausführungsbeispiels angeordnet ist;
• Fig. 8 eine Querschnittsansicht eines Details eines vierten Ausführungsbeispiels;
• Fig. 9 eine mit einem spiralförmigen Muster versehene Oberfläche des vierten Ausführungsbeispiels.
• In den Fig. 1 und 2 ist eine Radiallager, das gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, gezeigt.
• In Fig. 1 ist ein Scheibenglied 1 an einem Ende einer drehbaren Welle befestigt und ein stationäres Glied 2 ist in einer gegenüberliegenden Beziehung zu dem Scheibenglied 1 angeordnet. Jede der gegenüberliegenden Oberflächen 3 und 4 beider Glieder 1 und 2 ist bearbeitet, so daß sie eine flache und glatte gespiegelte Oberfläche mit Schwankungen unter 1 um besitzen und ein Muster einer Spiralnut ist auf einer der Oberflächen vorgesehen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Muster auf der Oberfläche 3, wie in Fig. 2 gezeigt, gebildet. Das Muster ist in einer äußeren Ringzone 7 (ringförmige Region) auf der Oberfläche 3 gebildet, um in eine Richtung verlaufende Spiralnuten 8 und Spiralstege 9 zwischen benachbarten Nuten vorzusehen, wobei die Oberflächen der Stege 9 die Originaloberfläche 3 ist, die verbleibt nach der Bildung der Nuten 8. Solche Spiralmuster oder Spiralnuten können gebildet werden durch Schrotblasen mit Aluminiumoxidpartikeln auf die Oberfläche 3, und zwar durch ein darauf angebrachtes Maskierungsmuster, wobei die gebildeten Nuten eine Tiefe von 3-50 um aufweisen.
• Das Material für die Oberfläche 3, aus dem die Spiralnuten 8 gebildet werden, ist vorzugsweise aus keramischen Materialien, wie zum Beispiel SiC, Si&sub3;N&sub4;, Al&sub2;O&sub3; oder ähnlichem ausgewählt. Das Material für die Oberfläche 4, auf der keine Nut gebildet wird, und die flach gehalten wird, ist vorzugsweise aus keramischen Materialien, wie zum Beispiel SiC, Si&sub3;N&sub4; oder Al&sub2;O&sub3; usw., nicht-rostendem Stahl, einer superharten Legierung oder hartem Metall (wie zum Beispiel einem auf Kobalt basierenden Verbundmaterial, das 20 Gew.% Cr, 20 Gew.-% Mo, 4 Gew.% Si mit Co als Balance aufweist) ausgewählt. Die Kombination der Materialien für beide der Oberflächen 3 und 4 wird bestimmt unter Bezugnahme auf die Axiallast und die vorgesehenen Betriebsumstände. Wenn beide Oberflächen aus keramischen Materialien hergestellt sind, würde ein solches Lager in einem weiten Bereich von Betriebszuständen anwendbar sein und es würde hohe Lasten aushalten. Wird das Lager in einer Flüssigkeit verwendet, die Chlorionen beinhaltet, wird vorzugsweise das oben genannte Hartmetall verwendet.
• Auf den Oberflächen 3 und 4 sind in den Mittelzonen der Oberflächen Magnetstücke (Magnetteile) 11 bzw. 12 eingesetzt oder eingebettet, so daß deren Pole (NS) parallel zu einer Achse 13 der Welle 6 angeordnet sind. Infolge der Anordnung der Magnetstücke, wie in Fig. 1 dargestellt ist, richten die Magnetstücke 11 und 22 einander aus und ziehen sich infolge ihrer Magnetkraft an. Demgemäß halten das Spiralglied 1 und das stationäre Glied 2 ihre Ausrichtung, wenn eine Radiallast innerhalb der Grenzen der magnetischen Kraft auf die Welle 6 angelegt wird.
• Als Materialien, die geeignet sind, für die Magnetstücke 1, 12 kann jedes bekannte Material, wie zum Beispiel Eisen oder Seltenerdelemente verwendet werden.
• In Fig. 2 ist eine Mittelzone 10 gezeigt, die auf eine Tiefe, die gleich der Tiefe der Nuten 8 ist, schrotgeblasen wurde. Die Teile zum Aufnehmen der Magnete 11 und 12 werden als Vertiefungen zur Zeit der Herstellung der Glieder 1 und 2 vorgeformt, wie zum Beispiel während des Sintervorganges der keramischen Materialien.
• Wenn die Welle bei der obigen Bauweise in Richtung A gemäß den Fig. 1 und 2 gedreht wird, wird ein dynamischer Strömungsmitteldruck zwischen den Oberflächen 3 und 4 infolge der Drehung der Spiralnuten relativ zu der flachen Oberfläche 4 induziert durch Einführen von Strömungsmittel 5 in die Nuten. Weiterhin infolge der Magnetstücke 11 und 12 wird die Ausrichtung der Glieder 1 und 2 beibehalten. Das Strömungsmittel 5 kann Umgebungsströmungsmittel sein. Jedoch kann jedes Strömungsmittel verwendet werden, wie zum Beispiel Luft, Wasser, Seewasser oder Öl usw., abhängig von der Last, die an das Lager angelegt wird.
• Wenn das Lager innerhalb einer Flüssigkeit, wie zum Beispiel in dem Fall einer untertauchbaren Drehvorrichtung verwendet wird, kann die Umgebungsflüssigkeit als Strömungsmittel 5 verwendet werden. In einem Fall, wo das Lager innerhalb eines Vakuums verwendet wird, wird ein Öl mit einer hohen Siedetemperatur oder eine magnetische Flüssigkeit als das Strömungsmittel 5 verwendet.
• In den Fig. 3 und 4 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel werden die gleichen Bezugszeichen wie in den Fig. 1 und 2 verwendet, wobei jedoch der Zusatz "a" für die Elemente, die gleich denen aus den Fig. 1 und 2 sind, hinzugefügt. Die entsprechenden Funktionen der Elemente sind dieselben wie in den Fig. 1 und 2 mit denselben Bezugszeichen, jedoch ohne den Zusatz "a".
• Es sei bemerkt, daß in diesem Ausführungsbeispiel die Magnetstücke 11a und 12a mit einer ringförmigen Form gebildet sind. Weiterhin sind auf den Oberflächen 3a und 4a halbkugelförmige Ausnehmungen 14 und 15 in dem Mittelteil gebildet, so daß ein Raum zwischen den Oberflächen 3a und 4a zur Aufnahme eines kleinen kugelförmigen Elements 16 dazwischen gebildet wird. Das Element 16 ist vorzugsweise aus einem harten Material, wie zum Beispiel Stahl, einem keramischen Material, einer superharten Legierung, usw., hergestellt, so daß dieses Lager eine etwas größere radiale Last (in Verbindung mit den Magnetkräften) aushalten kann als die Last, die das Lager gemäß dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 1 und 2 aushält. Die Form des Elements 16 ist nicht auf eine perfekte Kugel beschränkt und kann andere Formen besitzen. Sie könnte zum Beispiel zylindrisch oder konisch (an beiden Enden) usw. sein. Abhängig von der Bauweise des Elements 16 werden die Tiefe und Form der Ausnehmungen 14 und 15 dementsprechend bestimmt. Die Größe des Elements 16 wird bestimmt, so daß es nicht physikalisch die Oberflächen 3a und 4a trennt. Mit anderen Worten, die Ausmaße des Elements 16 in Axialrichtung ist etwas geringer als das Axialausmaß des Raums, der durch die Ausnehmungen 14 und 15 gebildet wird, wenn die zwei Oberflächen 3a und 4a in Kontakt miteinander sind. Da die Radialleistung in diesem Fall durch die Kombination des Elements 16 und der Ausnehmungen 14 und 15 aufgenommen wird, muß die Anordnung der Magnetpole der Stücke 11a und 12a nicht unbedingt gleich der in Fig. 1 und 2 gezeigten Anordnung sein. Die Pole N, S können so angeordnet sein, daß sie sich entweder anziehen oder abstoßen, aber in jedem Fall muß die NS-Achse parallel zur Achse 13a der Welle 6a verlaufen. In einem Fall, wo das Element 16 kugelförmig ist, wäre es jedoch vorzuziehen, die Pole so anzuordnen, daß die Anziehung zwischen den Magnetstücken 11a und 12a verwendet wird. In diesem zweiten Ausführungsbeispiel kann das Strömungsmittel 5a Luft, Flüssigkeit, magnetisches Strömungsmittel usw. sein. Dieses Lager kann auch in (z. B. dünnflüssigem) Schlamm verwendet werden.
• Ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in den Fig. 5, 6 und 7 gezeigt. Dieselben Bezugszeichen, wie in den Fig. 1 und 2 werden zusammen mit dem Zusatz "b" oder "b'" verwendet, um die Elemente anzuzeigen, dessen Funktionsweise gleich den Elementen aus den Fig. 1 und 2 ohne dem Zusatz "b" oder "b'" ist. In diesem dritten Ausführungsbeispiel wird eine Zwischenscheibenplatte 17 zwischen einem Scheibenglied 1b, das an dem Ende der Welle 6b befestigt ist, und einem stationären Glied 2b verwendet. In diesem bestimmten Ausführungsbeispiel ist ein Spiralmuster an einer Seitenoberfläche 3b, 4b jedes Gleitteils 18 und 19 gebildet, wie dies in den Fig. 6 bzw. 7 gezeigt ist. Auch Magnetstücke 21 und 22 sind auf der Ober- und Unterseite des Zwischenscheibenglieds 17 eingesetzt. In diesem Fall ist die Anordnung der Pole NS der Magnetstücke 11b, 21, 22 und 12b so, daß sie eine Anziehung an den entsprechenden Stellungen bewirkt, während sie in der Richtung parallel zu einer Achse 13b der Welle 6b magnetisiert sind. Dieses dritte Ausführungsbeispiel sieht zwei Gleitteile 18 und 19 zwischen einem Glied 1b und dem Scheibenglied 17 bzw. zwischen dem Scheibenglied 17 und einem stationären Glied 2b vor. Die Konstruktion dieses dritten Ausführungsbeispiels ermöglicht die Drehung der Welle 6b in beide Richtungen A und B infolge der vorgesehenen unterschiedlichen Richtungen der Spiralmuster auf den Oberflächen 3b und 4b. Wenn die Welle 6b in die Richtung A gedreht wird, wird ein positiver dynamischer Strömungsmitteldruck an den Gleitteil 18 erzeugt, während negativer dynamischer Strömungsmitteldruck an dem Gleitteil 19 erzeugt wird, so daß das Scheibenglied 17 und das Glied 2b zusammen als stationäre Mittel relativ zu dem Drehglied 1b dienen infolge des negativen Drucks in dem Teil 19. Andererseits, wenn die Welle 6b in die Richtung B gedreht wird, so wird negativer Druck an dem Teil 18 erzeugt, so daß das Scheibenglied 17 zusammen mit dem Glied relativ zu dem stationären Glied 2b dreht. In diesem dritten Ausführungsbeispiel ist es auch möglich, ein kleines Element zu verwenden, das gleich dem kugelförmigen Element 16 ist, das in den Fig. 3 und 4 gezeigt ist. Der Einbau eines kleinen Elements, das gleich dem Element 16 ist, wird in der gleichen Weise durchgeführt, wie dies in Bezug auf das zweite Ausführungsbeispiel beschrieben wurde.
• Ein viertes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in den Fig. 8 und 9 dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel besitzen Elemente oder Teile, die gleich zu denen in Fig. 3 und 4 gezeigten Elementen oder Teile, sind dieselben Bezugszeichen mit dem Zusatz "c". In diesem Ausführungsbeispiel ist das kleine Element 16c in einer zylindrischen Form dargestellt und somit sind die Ausnehmungen 14c und 15c zylindrisch gebildet. Ausgehend von einem ringförmigen Magnetstück 11c, das in der Oberfläche 13 eingesetzt ist, sind radial nach außen und nach innen ringförmige Stegteile 26 und 27 vorgesehen, die dieselbe Höhe besitzen wie die Stege 19 und nach außen von dem ringförmigen Stegteil 26 ist eine ringförmige Nut 27 vorgesehen, die in Verbindung steht mit den gesamten Spiralnuten 8c, um den dynamischen Strömungsmitteldruck auszugleichen, der in die Nuten 8c zwischen den Oberflächen 3c und 4c erzeugt wird. Die ringförmigen Stegteile 26 und 24 dienen zum Schutz der Magnetstücke und des Mittelstücks 16c vor Beschädigung durch Fremdmaterialien. Diese Anordnung ist auch anwendbar für die vorhergehenden Ausführungsbeispiele. Wenn die Axiallänge des Elements 16c in diesem Ausführungsbeispiel annähernd gleich aber geringer ist als der axiale Abstand des Raums, der durch die Ausnehmungen 14c und 15c gebildet wird, kann dies dazu dienen, mögliche Vibrationen an dem Lager zu unterdrücken.
• Wie vorher beschrieben, besitzt das Lager gemäß der vorliegenden Erfindung eine einfache Bauweise und es wird kein erhöhter Raumbedarf nötig, und es kann in der Luft, Flüssigkeit oder Vakuum (mit der Verwendung eines Öls mit einem hohen Siedepunkt) verwendet werden. Auch der Reibungsverlust ist recht gering und somit wird das Kühlen des Lagers einfach, recht naheliegend und im wesentlichen unnötig gemacht.
• Bei der vorliegenden Erfindung werden die verwendeten Ausrichtmittel, wie zum Beispiel ein schmales Teil oder Stück, das in einem Raum, der durch Ausnehmungen in den gegenüberliegenden Oberflächen gebildet ist, aufgenommen wird und Magnetstücke mittig innerhalb des Spiralmusters angeordnet, das in einer äußeren ringförmigen Zone vorgesehen ist. Diese Mittel sind somit entfernt von der Außenseite des Lagers angeordnet und die Magnetstücke werden somit kaum durch Korrosion oder Abnutzung beeinflußt.
• Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen mit der Ausnahme des dritten Ausführungsbeispiels hat das Lager die Spiralnuten auf der drehbaren Seite vorgesehen. Dieser Zustand ist jedoch keine Notwendigkeit, wie dies in dem dritten Ausführungsbeispiel gezeigt ist. Die einzige essentielle Notwendigkeit diesbezüglich ist, daß eine der gegenüberliegenden Oberflächen ein Spiralmuster besitzt, während die andere flach ist.

Claims (8)

1. Ein Axial- oder Schublager, welches folgendes aufweist:

ein Scheibenglied (1,1a,1b,1c) befestigt an einer drehbaren Welle (6,6a,6b) und Versehen mit einer flachen Oberfläche (3,3a,3b,3c) an der Seite entgegengesetzt zur Welle;

ein flaches Glied (2,2a,2b,2c) mit einer flachen Oberfläche (4,4a,4b,4c) im Gegensatz zur flachen Oberfläche des Scheibenglieds;

ein Muster aus Spiralnuten (8,8a,8b,8c) geformt in einer äußeren, ringförmigen Region (7,7a,7b,7c) auf einer der flachen Oberflächen; und

Mittel zum Aufrechterhalten der Ausrichtung des Scheibenglieds und des flachen Glieds dadurch gekennzeichnet, daß die erwähnten Mittel Magnetteile (11,11a,11b,11c;12,12a,12b, 12c) sind eingebettet in den beiden entgegengesetzten Oberflächen mittig innerhalb der ringförmigen Region, um so Magnetkraft dazwischen vorzusehen.

2. Axiallager nach Anspruch 1, wobei folgendes vorgesehen ist: ein zweites Scheibenglied (17) mit entgegengesetzt liegenden Oberflächen, die beide flach und parallel zueinander verlaufen, wobei dieses zweite Scheibenglied derart angeordnet ist, daß es sandwichartig zwischen dem erwähnten Scheibenglied (1b) und dem erwähnten flachen Glied (2b) liegt, wobei ferner ein zweites Muster aus Spiralnuten (8b') in der anderen der flachen Oberflächen (3b,4b) ausgeformt ist, und zwar mit der Richtung des zweiten Musters der Spiralnuten auf der Oberfläche umgekehrt zu der des anderen Musters, und wobei schließlich zusätzliche Mittel vorgesehen sind zur Aufrechterhaltung der Ausrichtung des Scheibengliedes, wobei die zusätzlichen Mittel zusätzliche Magnetteile (21,22) sind, die in den beiden entgegengesetzt liegenden Oberflächen des zweiten Scheibenglieds eingebettet sind, und zwar mittig innerhalb der Ringregion (7b,7b').

3. Axiallager nach Anspruch 1 oder 2, wobei jeder der Magnetteile (11a,12a; 11c,12c) mit einer Ringform größenmäßig identisch miteinander ausgebildet ist.

4. Axiallager nach Anspruch 1 oder 2 oder 3, wobei zwischen den entgegengesetzt liegenden flachen Oberflächen magnetische Flüssigkeit vorhanden ist.

5. Axiallager nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Mittel zur Aufrechterhaltung der Ausrichtung ein kleines Teil aus Hartmaterial (16,16c) aufweisen und wobei eine Vertiefung (14,14c;15,15c) mittig auf jeder der flachen Oberflächen vorgesehen ist, um so in Kombination einen Raum zur Aufnahme des kleinen Teils zu bilden.

6. Axiallager nach Anspruch 5, wobei der kleine Teil eine Kugel (16) ist und die Vertiefung eine halbkugelförmige Vertiefung (14,15) ist.

7. Axiallager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein ringförmiger Steg (26) auf der Oberfläche mit dem Muster vorgesehen ist, um den Magnetteil auf der Oberfläche zu umgeben, wobei ferner die Höhe des Stegs gleich der Höhe der Stege des Musters ist.

8. Axiallager nach Anspruch 5 oder 6, wobei ein innerer Ringsteg (24) auf der Oberfläche mit dem Muster derart vorgesehen ist, daß die Vertiefung umgeben wird und um nach innen an dem Magnetteil anzugrenzen, und wobei ferner ein äußerer Ringsteg (26) auf der gleichen Oberfläche derart vorgesehen ist, daß der ringförmige Magnetteil umgeben wird, wobei die Höhe der inneren und äußeren Stege gleich der Höhe der Stege des Musters ist.