DE3815029A1 - Aerostatic bearing with a split bearing shell - Google Patents

Abstract

The proposal is for an aerostatic bearing, the bearing shell of which is divided into a plurality of segments (2) which are supported independently of one another in a resilient manner (7). The segments of the bearing shells can thus follow and compensate for small irregularities in the geometrical shape of the shaft (3) and the load-bearing capacity of the bearing can be evened out by varying the pressure of the supporting gas fed in through channels (5) and/or by adjusting (8) the spring force around the circumference. By reducing the porosity of the bearing-shell segments (these being produced from a sintered metal, being compacted at their surface and then etched for pore formation) from their front edge (V), the edge facing in the direction opposite to the direction of rotation of the shaft, to the rear edge (H), non-uniform lift of the said segments from the shaft (3) can be achieved. Aerodynamically generated forces which increase the load-bearing capacity of the bearing arise in the wedge-shaped gap (9) thus formed. <IMAGE>

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein gasstatisches Lager nach dem Oberbegriff des 1. Anspruchs. Gasstatische Lager, bei denen das die Trag- und Schmierfunktion übernehmende Gas (üblicherweise Luft) dem Lagerspalt über eine Lagerschale zugeführt wird, die aus einem porösen Material, z. B. aus Sintermetall hergestellt ist, sind bekannt. Wird eine solche Lagerschale nach dem von der Anmelderin in der DE-C-32 30 232 vorgeschlagenen Verfahren mit einer an seiner an den Lagerspalt angrenzenden Oberfläche verdichteten Struktur verwendet, so genügen die Eigenschaften des Lagers, insbesondere sein Schwingungsverhalten den Anforderungen für die meisten Verwendungszwecke.The present invention relates to a gas-static bearing the preamble of the 1st claim. Gas static bearings where the gas assuming the carrying and lubricating function (usually air) the bearing gap over a bearing shell is supplied, which is made of a porous material, for. B. from Sintered metal is known. Will be one Bearing shell according to that of the applicant in DE-C-32 30 232 proposed method with one at its at the bearing gap adjacent surface densified structure used, so the characteristics of the bearing are sufficient, in particular Vibration behavior meets the requirements for most Uses.

Dies wird auch dadurch erreicht, daß der Lagerspalt so klein wie möglich gehalten wird. Die unter der Wirkung der radialen Belastung auf die Welle unvermeidlicherweise eintretende über den Umfang ungleichmäße Spalthöhe, die sonst zu einem ungleichmäßigen Reibmoment führt, das seinerseits zu einem ständig wiederholten Versetzen der Welle entgegen ihrer Drehrichtung und damit zur Schwingungsanregung führt, spielt dann keine so große Rolle mehr. Der Verringerung des Lagerspaltes sind jedoch Grenzen gesetzt, so durch die fertigungstechnisch kaum zu vermeidenden geringen Geometrieab­ weichungen in Lagerschale und Welle, als auch insbesondere wenn das Lager über einen großen Temperaturbereich hinweg betrieben werden soll; die wegen der Werkstoffunterschiede zwischen Welle und Lagerschale verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffi­ zienten beeinflussen dann zusätzlich die Breite des Lagerspaltes.This is also achieved in that the bearing gap is so small is kept as possible. The under the effect of the radial Load inevitably entering the shaft the extent of uneven gap height, which otherwise leads to a irregular friction torque, which in turn leads to a constantly repositioning the shaft against her Direction of rotation and thus leads to vibration excitation plays then not that big a role anymore. Reducing the However, there are limits to the bearing gap production-related small geometries that can hardly be avoided deviations in the bearing shell and shaft, and especially when the warehouse is operated over a wide temperature range shall be; the because of the material differences between shaft and bearing shell different thermal expansion coefficient clients then additionally influence the width of the Bearing gap.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein gasstatisches Lager, bei dem der mit Rücksicht auf das Betriebs-, insbesondere das Schwingungsverhalten optimale Lagerspalt realisiert werden kann und das zugleich über einen weiten Temperaturbereich funktionsfähig bleibt. In besonderer Ausgestaltung sollte das Lager darüber hinaus auch eine gasdynamische Komponente aufweisen, um die Tragkraft zu erhöhen.The object of the present invention is a gas-static bearing,  in which the with regard to the operational, in particular the Vibration behavior optimal bearing gap can be realized and at the same time over a wide temperature range remains functional. In a special configuration, this should Bearings also have a gas dynamic component have to increase the load capacity.

Der erste Teil der Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des 1. Anspruchs angeführten Merkmale gelöst. Durch die Teilung der Lagerschale in mehrere sowohl radial als auch in bezug auf ein etwaiges Verkanten unabhängige Segmente (zweckmäßigerweise wenigstens drei) wird die Möglichkeit geschaffen, daß sich die Lagerschale an kleine Geometrieänderungen der Welle ohne Veränderung der Lagerspaltbreite anpassen kann. Diese wird durch den Gasdruck vorgegeben, der selbstverständlich dazu ausreichen muß, die Kraft der die Segmente an die Welle pressenden Federelemente zu überwinden. Durch eine Änderung des Gasdrucks kann das Lager verschiedenen Belastungszuständen angepaßt werden.The first part of the task is characterized by the in Part of the first claim features solved. Through the Division of the bearing shell into several both radially and in independent segments with respect to any canting (expediently at least three) becomes the possibility created that the bearing shell on small Geometry changes of the shaft without changing the Bearing gap width can adjust. This is due to the gas pressure given, which of course must be sufficient to Force of the spring elements pressing the segments against the shaft overcome. The bearing can be changed by changing the gas pressure can be adapted to different load conditions.

Wird das Lager gemäß dem im 2. Anspruch gemachten Vorschlag ausgeführt, so kann auch der unterschiedlichen radialen Belastung der einzelnen Segmente (das unter der Welle liegende wird dabei durch die zusätzliche Wirkung der Schwerkraft am stärksten belastet) Rechnung getragen werden.If the warehouse is in accordance with the proposal made in claim 2 executed, so can the different radial Load on the individual segments (the one below the shaft is thereby due to the additional effect of gravity on heaviest burden) are taken into account.

Die im 3. Anspruch geforderte Einstellbarkeit der Federelemente gewährleistet die oben angesprochene Möglichkeit, das Lager bei verschiedenen Gasdrücken und trotzdem gleichbleibendem Lagerspalt zu betreiben.The adjustability of the spring elements required in the third claim ensures the possibility mentioned above, the bearing at different gas pressures and still the same To operate the bearing gap.

Der zweite Teil der Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der in die einzelnen Lagersegmente eingeleitete Gasdruck sich in Umfangsrichtung der Welle gesehen ändert, etwa ähnlich wie die Einleitung der Bremskraft in die geometrisch ähnlich gebildeten Bremsbacken einer Trommelbremse außermittig erfolgt, um einen Teil der abzubremsenden Kraft selbst zur Erhöhung des Anpreßdruckes der Backen auszunutzen. Hier jedoch führt diese ungleichmäßige Tragkraft dazu, daß sich das Lagersegment in bezug auf die Welle leicht schräg stellt. Das dann zwischen Welle und Lagersegment entstehende keilförmige Gaskissen trägt nicht unwesentlich zur Tragkraft des Lagers bei.The second part of the task is solved in that the gas pressure introduced into individual bearing segments Seen circumferential direction of the shaft changes, somewhat similar to that Initiation of the braking force into the geometrically similarly formed Brake shoes of a drum brake are eccentric to one  Part of the braking force itself to increase the Pressure on the jaws. Here, however, this leads uneven load capacity that the bearing segment in with respect to the shaft. Then between The resulting wedge-shaped gas cushion supports the shaft and bearing segment not insignificant to the bearing capacity.

Eine bevorzugte Möglichkeit zur Herstellung eines über den Umfang ungleichmäßig verteilten Gasdruckes bietet die im 5. Anspruch vorgeschlagene Ausgestaltung der Lagerschalensegmente, wobei die geforderte unterschiedliche Porosität an deren Oberfläche (nur diese ist in dem hier angesprochenen Zusammenhang von Bedeutung) bei Anwendung des in der obengenannten Schrift beschriebenen Verfahrens unschwer dadurch herstellbar ist, daß der Grad der Aufätzung der Poren nach dem Verdichten der Oberflächenschicht variiert wird.A preferred way of making one over the The range of unevenly distributed gas pressure in the 5th Claim proposed design of the bearing shell segments, the required different porosity at their Surface (only this is in the one mentioned here Context of importance) when using the in the The above-described method makes it easy is producible that the degree of etching of the pores after Compacting the surface layer is varied.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt, und zwar zeigt Fig. 1 einen Querschnitt entsprechend der Linie I-I der Fig. 2 und die Fig. 2 einen Längsaxialschnitt entsprechend der Linie II-II der Fig. 1.An embodiment of the invention is shown in the drawing, namely FIG. 1 shows a cross section along the line II of FIG. 2 and FIG. 2 shows a longitudinal axial section along the line II-II of FIG. 1.

In einem Gehäuse 1 sind mehrere, hier drei kreisringsegment­ förmige Teile 2 der Lagerschale aus einem porösen, an seiner Oberfläche durch Rollieren oder dergleichen verdichteten Sintermetall angeordnet, deren Oberflächenporen durch Elektrokorrosion oder dergleichen in kontrollierter Weise wieder geöffnet wurden. In den Lagerschalensegmenten 2 ruht eine Welle 3, die im Betrieb zum Beispiel den durch den Pfeil angedeuteten Drehsinn haben kann. Die Lagerschalensegmente sind dicht an Trägern 4 befestigt, die je eine Zuführung 5 für aus einer hier nicht dargestellten Quelle stammendes Druckgas aufweisen, das von einem zwischen Lagerschalensegment 2 und Träger 4 gebildeten Verteilerraum 6 (zunächst) gleichmäßig in das poröse Sintermetall eintritt. Bei Aufbringen eines Gasdruckes, der die Kraft von zwischen den Trägern 4 und dem Gehäuse 1 angeordneten Federn 7 übersteigt, heben die Lagerschalensegmente 2 von der Welle 3 ab und letztere wird von dem sich zwischen beiden bildenden Gaspolster getragen. Dabei kann der auf die einzelnen Lagerschalensegmente 2 aufgebrachte Druck durch Variieren der Gaszufuhr so gesteuert werden, daß ein Ausgleich für die zusätzliche Belastung der unteren Lagerschalensegmente 2 durch die Wirkung der Schwerkraft auf die Welle 3 geschaffen wird. Die Federn 7 können aus einem Elastomer hergestellt sein, aber auch wie hier dargestellt aus metallischen Federelementen bestehen, wenn das Lager bei höheren Temperaturen betrieben werden soll. Dabei sollten die Federn 7 gute Dämpfungseigenschaften aufweisen. Die erforderliche Vorspannung der Federn 7 sollte verändert werden können, z. B. durch Spannschrauben 8. Hierdurch kann eine Feinjustierung der Größe des Lagerspaltes zwischen der Welle 3 und den einzelnen Lagerschalensegmenten 2 geschehen, das gesamte Lager kann jedoch auch veränderten Betriebsbedingungen, z. B. einer veränderten radialen Belastung der Welle 3 angepaßt werden. Wird die Porosität der Lagerschalensegmente in Umfangsrichtung gesehen verändert, und zwar von einer hier mit V bezeichneten, dem Drehsinn der Welle 3 entgegengesetzten vorderen Kante abnehmend (durch die veränderte Dichte der Punktsignatur angedeutet; in der Wirklichkeit allerdings nur an deren Oberfläche vorgenommen) zu einer hinteren Kante H, so bildet sich bei sich drehender Welle 3 (am linken unteren Lagerschalensegment übertrieben groß dargestellt) ein keilförmiger Spalt 9. Die dadurch erzeugten dynamischen Auftriebskräfte erhöhen die Tragkraft des Lagers im Betrieb. Die Abfuhr des verbrauchten Lagergases erfolgt über hier nicht dargestellte Öffnungen im Gehäuse 1.In a housing 1 , several, here three annular segment-shaped parts 2 of the bearing shell made of a porous sintered metal compacted on its surface by rolling or the like, the surface pores of which were opened again in a controlled manner by electrical corrosion or the like. A shaft 3 rests in the bearing shell segments 2 , which in operation can have the direction of rotation indicated by the arrow, for example. The bearing shell segments are fastened tightly to supports 4 , each of which has a feed 5 for compressed gas originating from a source (not shown here), which (initially) evenly enters the porous sintered metal from a distributor space 6 formed between bearing shell segment 2 and support 4 . When a gas pressure is applied which exceeds the force of springs 7 arranged between the carriers 4 and the housing 1 , the bearing shell segments 2 lift off the shaft 3 and the latter is carried by the gas cushion which forms between the two. The pressure applied to the individual bearing shell segments 2 can be controlled by varying the gas supply in such a way that compensation for the additional load on the lower bearing shell segments 2 is created by the effect of gravity on the shaft 3 . The springs 7 can be made of an elastomer, but also, as shown here, consist of metallic spring elements if the bearing is to be operated at higher temperatures. The springs 7 should have good damping properties. The required bias of the springs 7 should be able to be changed, for. B. by clamping screws 8 . This allows a fine adjustment of the size of the bearing gap between the shaft 3 and the individual bearing shell segments 2 , but the entire bearing can also be changed operating conditions, for. B. be adapted to a changed radial load on the shaft 3 . If the porosity of the bearing shell segments is changed in the circumferential direction, namely from a front edge, denoted here by V , opposite to the direction of rotation of the shaft 3 , decreasing (indicated by the changed density of the point signature; in reality, however, only made on its surface) to a rear edge Edge H , a wedge-shaped gap 9 is formed when the shaft 3 rotates (exaggeratedly large on the left lower bearing shell segment). The dynamic buoyancy forces generated thereby increase the bearing's load capacity during operation. The used storage gas is removed via openings (not shown here) in the housing 1 .

Claims (5)

1. Gasstatisches Lager mit einer Lagerschale aus einem porösen, an seiner Oberfläche verdichteten Werkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerschale in mehrere, unabhängig voneinander elastisch gelagerte und durch Federkraft (7) an die Welle (3) angepreßte Segmente (2) geteilt ist.1. Gas-static bearing with a bearing shell made of a porous material compressed on its surface, characterized in that the bearing shell is divided into a plurality of segments ( 2 ) which are elastically mounted independently of one another and are pressed against the shaft ( 3 ) by spring force ( 7 ). 2. Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Lagerschalensegmente (2) mit einer eigenen Gaszufuhr (5, 6) versehen ist.2. Bearing according to claim 1, characterized in that each of the bearing shell segments ( 2 ) is provided with its own gas supply ( 5 , 6 ). 3. Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Federkraft (7) einstellbar (8) ist.3. Bearing according to claim 1, characterized in that the spring force ( 7 ) is adjustable ( 8 ). 4. Lager nach Anspruch 1 mit gasdynamischer Komponente, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasdruck für jedes Lagerschalensegment (2) ungleichmäßig über seinen Umfangssektor verteilt ist in der Weise, daß er an der der Drehrichtung der Welle (3) entgegengesetzten Kante (V) sein Maximum erreicht.4. Bearing according to claim 1 with gas dynamic component, characterized in that the gas pressure for each bearing shell segment ( 2 ) is distributed unevenly over its circumferential sector in such a way that it at the edge ( V ) opposite the direction of rotation of the shaft ( 3 ) its maximum reached. 5. Lager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Grad der Porosität über den Umfangssektor des jeweiligen Lagerschalensegments (2) gesehen abnehmend (V nach H) ist.5. Bearing according to claim 4, characterized in that the degree of porosity over the circumferential sector of the respective bearing shell segment ( 2 ) seen decreasing (V to H) .