DE3856222T2

DE3856222T2 - Hydrodynamisches lager und verfahren zu dessen herstellung

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Publication number: DE3856222T2
Application number: DE3856222T
Authority: DE
Inventors: Russell D. Exeter R.I. Ide
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-05-29
Filing date: 1988-05-27
Publication date: 1998-12-03
Anticipated expiration: 2008-05-28
Also published as: JPH0799171B2; BR8807052A; FI892584A; CN1038145A; WO1988009443A1; JPH01503556A; IL90234A; EP0317621B1; EP0317621A1; FI892584A0; DE3856222D1; EP0317621A4; CN1021592C; ATE168746T1; ES2074452T3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf hydrodynamische Lager, die bisweilen auch als Schwing- oder Pendelposterlager bezeichnet werden, und auf Verfahren zu deren Herstellung. Im allgemeinen werden diese Lager so angebracht, daß sie sich bewegen können, um die Ausbildung eines keilförmigen Films aus Schmierstoff zwischen den sich relativ zueinander bewegenden Teilen zu ermöglichen. Das Polster bewegt sich im wesentlichen in einer schwenkenden oder pendelartigen Bewegung um einen Mittelpunkt, der sich der vor der Polsterfläche befindet, und die Lagerreibung neigt dazu, den Keil zu öffnen.
In der US-A-2,137,487 ist ein hydrodynamisches Lager mit beweglichem Polster dargestellt, das seinen hydrodynamischen Keil dadurch entwickelt, daß es sein Polster entlang sphärischer Flächen verschiebt. In manchen Fällen haftet das Polster fest, und der entsprechende Keil kann nicht ausgebildet werden. In der US-A-3,930,691 wird die Wippbewegung durch Elastomere bereitgestellt, die Verschmutzung und Beschädigung ausgesetzt sind.
In der US-A-4,496,251 ist ein Polster dargestellt, das mit bahnartigen Bändern ausgelenkt wird, so daß ein keilförmiger Schmierkeilfilm zwischen den sich relativ zueinander bewegenden Teilen ausgebildet wird.
In der US-A-4,676,668 und der EP-A-0,206,686 ist festgestellt worden, daß Lagerpolster von dem Stützteil durch zumindest einen Steg beabstandet sein können, der eine Flexibilität in drei Richtungen bringt. Um Flexibilität in der Bewegungsebene zu schaffen, sind die Stege nach innen abgewinkelt, um eine konische Form zu bilden, wobei der Schnittpunkt vor der Polsterfläche liegt. Jeder Steg hat ein Widerstandsmoment, das relativ klein in Richtung der gewünschten Bewegung ist, um einen Ausgleich für Fehlausrichtungen zu ermöglichen.
Die US-A-4,099,799 offenbart ein hydrodynamisches Lager zur Unterstützung einer Welle. Das Lager hat ein zylindrisches Gehäuse mit einer zentralen Bohrung. Die Welle geht durch die zentrale Bohrung hindurch. Eine Anzahl von auf dem Umfang angeordneten Lagerpolstern tragen die Welle. Jedes Polster hat eine mit der Welle zusammenwirkende Stirnfläche und wird von einer Stützstruktur zwischen dem Polster und dem Gehäuse abgestützt, um eine Bewegung der Lagerpolster zu ermöglichen. Die Stützstruktur beinhaltet ein Teil, das in einer Ebene liegt, die im wesentlichen parallel zu einer Tangente der Bohrung ist. Jedes Polster hat axial und radial verlaufende Kanten. Eine der axial verlaufenden Kanten eines jeden Polsters besteht aus einer Vorderkante, und eine andere axial verlaufende Kante eines jeden Polsters besteht aus einer Hinterkante. Die Stirnfläche des Polsters ist dazu bestimmt, unter der Wirkung von Reibung und Druck auf die Fläche relativ zu der Stützstruktur zu wippen, während die Hinterkante der Stirnfläche des Polsters radial nach innen zur Welle hin bewegt wird, und die Vorderkante radial auswärts weg von der Welle bewegt wird, wenn sich die Welle dreht. Die zwischen dem Polster und dem Gehäuse angeordnete Stützstruktur ist ein Teil, das vom Polster und vom Gehäuse getrennt ist.
Die bekannten Anordnungen bestehen alle aus einer Anzahl getrennter Teile, die miteinander zusammengesetzt werden müssen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Polstertyp-Lager und auf Verfahren zu dessen Herstellung. Das bevorzugte Polstertyp-Lager besteht aus einem einheitlichen, einteiligen, integralen Zylinderlager, das durch Bearbeitung oder Abformen mit schmalen Nuten und Schlitzen oder Einschnitten durch oder auf der Lagerwand hergestellt ist, um ein flexibles Polster und eine Stützstruktur auszubilden, die in der Lage ist, das Polster zur Bewegung in den sechs Freiheitsgraden abzustützen, d.h. Bewegung in der +x, -x, +y, -y, +z und -z-Richtung, sowie Drehung um die x, y und z-Achse. Die Stützstruktur ist einteilig und beinhaltet in unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung Tragstutzen, Streben und/oder Membranen, die mit einem Gehäuse verbunden sind, welches durch den radial äußersten Teil des Lagers festgelegt ist.
Der Erfinder hat erkannt, daß es in vielen speziellen Anwendungen, beispielsweise in Hochgeschwindigkeitsanordnungen, notwendig ist, die dynamische Flexibilität des gesamten Systems, bestehend aus Welle oder Rotor, dem hydrodynamischen Schmierfilm und dem Lager, zu untersuchen und auszuwerten. In Computeranalysen dieses Systems unter Verwendung eines Finite- Element-Modells wurde festgestellt, daß es notwendig ist, das gesamte Lager als ein vollständig flexibles Teil zu behandeln, das seine Form unter Betriebsbelastungen verändert. Durch Hinzufügen von mehr oder weniger Flexibilität durch Bearbeiten der Grundstruktur können Lagereigenschaften erzielt werden, die für einen stabilen Betrieb mit geringer Reibung über weite Betriebsbereiche sorgen. Es wurde herausgefunden, daß eine Anzahl von Variablen wesentlich die Leistungsmerkmale des Lagers beeinflussen. Unter den wichtigsten Variablen sind Form, Größe und Anordnung sowie Materialeigenschaften (beispielsweise Elastizitätsmodul usw.) von Polster und Stützteilen, die durch die Schlitze oder Einschnitte und Nuten festgelegt werden, die in dem Lager ausgebildet sind. Es wurde gefunden, daß die Form der Stützteile besonders wichtig ist. Durch Bereitstellen einer Fluidhinterlegung für die flexiblen Teile kann ein hoher Dämpfungsgrad erreicht werden, der die Systemstabilität weiter steigert. In manchen Fällen hat diese Dämpfung eine sekundäre Quetschfilmdämpfung ersetzt, die vorhanden ist, wenn sich der Ölfilm zwischen der Ummantelung des Lagers und dem Gehäuse befindet.
Spezielle Anwendungen des erfindungsgemäßen Lagers sind Turbolader, Turbinen und Kompressoren/Expander. Testdrehzahlen haben 300.000 U/min überschritten. Es sei bemerkt, daß in bevorzugten Ausführungsformen die Bearbeitungseinschnitte, zusätzlich dazu, daß sie dem Lagerpolster eine Bewegung zur Ausbildung eines konvergierenden Keils zur hydrodynamischen Schmierung ermöglichen, dem Polster selbst eine Auslenkung und Formveränderung ermöglichen, beispielsweise durch Abflachen. Dies verbessert das Betriebsverhalten durch unter anderem Veränderung der Exzentrizität des Lagers.
Die Lager können aus Metallen, Pulvermetallen, Kunststoffen, Keramik oder Verbundwerkstoffen hergestellt werden. Wenn sie in kleinen Mengen hergestellt werden, werden die Einschnitte typischerweise durch Elektroentladungs- oder Laserbearbeitungsverfahren hergestellt und ermöglichen eine vollständige Auslegungsflexibilität, um das Lager zur Erzielung gewünschter Eigenschaften zu optimieren. Eine Optimierung verändert notwendigerweise die Steifigkeit, die ihrerseits Vibrationen eliminiert. Herstellung größerer Mengen eines einzelnen Lagertyps erfolgt vorzugsweise durch Spritzgießen, Gießen, Pulvermetall- Formgießen mit Sintern und Extrusion oder ähnlichem.
Anders als bei bekannten Polstertyplagerungen, die eine Tragbzw. Stützstruktur haben, die im wesentlichen in Richtung der Last ausgerichtet ist, haben die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine Orientierung, die vergleichbare Auslenkungen innerhalb einer kleineren Hüllkurve ermöglicht, d.h. dem Unterschied zwischen der radial innenliegenden Lagerfläche und der radial außenliegenden Lagerfläche; eine Bewegung des Lagerpolsters in jeder Richtung ermöglicht, d.h. sechs Freiheitsgrade, um eine konvergierende Keilform auszubilden; dem Polster selbst ermöglicht, die Form zu verändern, beispielsweise sich abzuflachen, um die Leistungsfähigkeit zu verbessern, und die Entwicklung eines Membrandämpfungssystems für verbesserte Stabilität ermöglicht. Während es zahlreiche Anordnungen von Nuten, Einschnitten oder Schlitzen gibt, gibt es hauptsächlich zwei Arten der Auslenkung, nämlich ein oder mehrere Bänder oder Membranen, die in der allgemeinen Richtung der Last in einem Biegungsmodus nachgeben, und dann durch Torsionsverbiegung in einer Strebe oder einem Teil in einer Richtung, die vom Polster weg entlang der Längsachse der Welle verläuft. Der Grad der Durchbiegung im Biegungsmodus ist teilweise eine Funktion der Steifigkeit der Stützstruktur in radialer Richtung. Das Polster selbst kann sich unter einer Last so verformen, daß es eine unterschiedliche Form bildet, indem innere Einschnitte unterhalb des Polsters vorhanden sind, oder durch Unterschneiden der Ränder des Polsters. In jedem Falle sind die Einschnitte so angebracht, daß sie zu einer vorbestimmten Form unter Belastung führen. Durch Umgeben oder Hinterlegen bestimmter Bänder oder Membranen mit Schmierflüssigkeit kann der Auslegung ein Dämpfungselement hinzugefügt werden.
Das Lager nach bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Polster, das seine Form verändert und sich in jeder Richtung bewegen kann, d.h. zur Bewegung mit sechs Freiheitsgraden abgestützt ist. Das Lager kann weiterhin ein eingebautes Dämpfungssystem haben und ist zur ökonomischen Herstellung großer Stückzahlen einheitlich bzw. einstückig aufgebaut. Das Lager paßt auch in eine relativ kleine Hüllkurve, d.h. den Abstand zwischen dem Gehäuseaußendurchmesser und dem Polsterinnendurchmesser. Weiterhin kann das Erfordernis nach engen Toleranzen zwischen dem Lagerinnendurchmesser und dem Wellenaußendurchmesser dadurch umgangen werden, daß das Lager so bemessen wird, daß der Zwischenraum zwischen Lagerinnendurchmesser und Wellenaußendurchmesser eliminiert wird, während gleichzeitig die Tragstruktur so bemessen wird, daß die radiale Steifigkeit des Lagers kleiner ist als die radiale Fluidfilmsteifigkeit des tragenden Fluids. In diesem Fall wird bei Drehung der Welle aufgrund der Steifigkeit des Fluidfilms augenblicklich ein geeigneter Abstand zwischen dem Polster und der Welle aufgebaut. Im Lager nach bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Polsterbewegung zur Welle hin gerichtet sein, um die Wellenposition zu halten und dem Polster die Fähigkeit zu geben, sich bei Fehlausrichtung der Welle und ungleicher Belastung zwischen Polstern einzustellen.
Eine Anzahl von Verfahren zum Herstellen von Lagern nach der vorliegenden Erfindung werden ebenfalls betrachtet. Die Auswahl eines speziellen Verfahrens zum Herstellen hängt wesentlich von der Anzahl des speziellen herzustellenden Lagers und den verwendeten Materialien ab. Bei Anwendungen kleiner Stückzahl oder wenn Prototypen zum Testen und/oder zur Herstellung von Formen oder ähnlichem hergestellt werden sollen, werden die Lager vorzugsweise aus zylindrischen Metallrohlingen oder Zapfen hergestellt, die zum Bereitstellen von radialen und/oder stirnseitigen Nuten bearbeitet werden und mit radialen Einschnitten oder Schlitzen versehen werden, entweder mit numerisch gesteuerten Elektroentladungs-Herstellungstechniken oder mit numerisch gesteuerten Laserschneidtechniken. Bei Anwendungen mit großer Stückzahl können die erfindungsgemäßen Lager unter Verwendung einer großen Vielfalt von Materialien hergestellt werden, beispielsweise Kunststoffe, keramische Stoffe, Pulver- und Nichtpulvermetalle, und Verbundmaterialien. Bei Anwendungen großer Stückzahl kann eine Anzahl von Herstellungsverfahren wie Spritzgießen, Gießen, Pulvermetall- Formgießen und Extrusion verwendet werden.
Nach einem Aspekt dieser Erfindung wird ein hydrodynamisches Lager bereitgestellt, das zum Tragen einer Welle bestimmt ist, wobei das Lager ein zylindrisches Gehäuse beinhaltet, welches Gehäuse eine radial außenliegende Fläche aufweist, und eine zentrale Bohrung festlegt, die dazu bestimmt ist, die Welle aufzunehmen, wobei eine Anzahl in Umfangsrichtung angeordneter Lagerpolster vorhanden ist, die so angeordnet sind, um die Welle abzustützen, jedes Polster eine mit der Welle zusammenwirkende Umfangsstirnfläche aufweist, jedes Polster von einer Stützstruktur abgestützt ist, die sich zwischen dem Polster und der radial außenliegenden Fläche des Gehäuses befindet, um eine Bewegung der-Lagerpolster zu ermöglichen, die Stützstruktur ein Element beinhaltet, das in einer Ebene liegt, die im wesentlichen parallel zu einer Tangente der Bohrung ist, jedes Polster axial verlaufende und radial verlaufende Kanten aufweist, eine der axial verlaufenden Kanten eines jeden Polsters eine Vorderkante und eine andere axial verlaufende Kante eines jeden Polsters eine Hinterkante ist, die Stirnfläche des Polsters dazu bestimmt ist, unter der Wirkung von Reibung und Druck auf diese Fläche relativ zu der Stützstruktur zu pendeln, wodurch die Hinterkante der Stirnfläche des Polsters radial einwärts zur Welle hin bewegt wird und die Vorderkante radial auswärts weg von der Welle bewegt wird, wobei das Lager eine einheitliche, einteilige Anordnung ist und Gehäuse, Tragstrukturen und Polster alle aus einem einheitlichen Teil bestehen, wobei das Gehäuse mit einer Anzahl radialer Einschnitte versehen ist, die sich radial auswärts von einer radial inneren Fläche des Gehäuses erstrecken, und einer Anzahl von Umfangseinschnitten in Fortsetzung der radialen Einschnitte, wobei die Radial- und Umfangseinschnitte zusammen die Anzahl von in Umfangrichtung angeordneten Lagerpolstern und die Tragstrukturen bilden, wobei jede Tragstruktur zumindest ein einteiliges Element in Form eines strebenartigen Teils oder einer das Teil enthaltenden bzw. bildehden Membran besteht, in der Ebene liegend, die im wesentlichen parallel zu der Tangente an die Bohrung ist, die das jeweilige Polster trägt.
Das genannte einteilige Element kann ein strebenartiges Element sein.
Das einteilige, strebenartige Element kann in einem Biegemodus nachgeben und kann mit dem Polster mittels eines Stutzenabschnitts verbunden sein, der rechtwinklig zu dem strebenartigen Element ist.
Vorzugsweise erstreckt sich eine Mehrzahl der strebenartigen Elemente in einer Umfangsrichtung, wobei sie radial von dem Polster beabstandet sind.
In einer Ausführungsform verwindet sich das einteilige strebenartige Element in einem Torsionsmodus. Das einteilige strebenartige Element kann aus zwei Strebenabschnitten bestehen, die sich auf einer gemeinsamen Achse vom Polster weg erstrekken. Alternativ kann sich eine Mehrzahl der strebenartigen Elemente in einer axialen Richtung erstrecken, wobei sie von den Polstern beabstandet sind.
Vorzugsweise ist jedes Lagerpolster auf einer flexiblen Membran abgestützt, die eine Bewegung des Polsters in jeder Richtung zuläßt und eine Fluiddämpfung bereitstellt.
Vorzugsweise trägt eine einzelne zylindrische Membran die Mehrzahl der Lagerpolster.
Vorzugsweise trägt der Stutzenabschnitt das Lagerpolster für eine Bewegung bezüglich des Strebenelements und eines Gehäuses, wobei das Strebenelement auf dem Gehäuse für eine Bewegung bezüglich desselben abgestützt ist.
Vorzugsweise ist die Strebe zur Schwenkbewegung bezüglich des Gehäuses um einen Punkt abgestützt, der sich in Winkelrichtung zwischen der Vorderkante und der Hinterkante befindet.
Zweckmäßigerweise sind die Polster so ausgebildet und abgestützt, daß sie sich unter Belastung in eine Tragflächenform verformen.
Vorzugsweise tragen die Polster die Welle zur Schwenkbewegung um einen Punkt in der Nähe der Mittellinie der Welle, um eine Fehlausrichtung der Welle aufzunehmen.
Vorzugsweise trägt die einheitliche Tragstruktur jedes Polster entlang einer Polsterstützfläche, wobei die Polsterstützfläche von axial und radial verlaufenden Rändern des Polsters beabstandet ist.
Vorzugsweise ist das Lagerpolster von der einteiligen Stützstruktur so abgestützt, daß es sich unter Belastung abflacht.
Vorzugsweise ist jedes Polster durch die Radial- und Umfangseinschnitte so festgelegt, daß es sich unter Belastung durchbiegt, wobei die Durchbiegungen die Exzentrizität des Lagers modifizieren.
Vorzugsweise ist jedes Polster zum Durchbiegen abgestützt, relativ zu der Stützstruktur, um einen Punkt, der in Umfangsrichtung zwischen der Vorderkante und der Hinterkante liegt.
Vorzugsweise hat jedes Polster eine axial verlaufende Umfangs- Mittellinie, wobei das Polster so abgestützt ist, daß aufgebrachte Belastungen an einem Punkt wirken, der zwischen der Umfangs-Mittellinie und der Hinterkante liegt.
Zweckmäßigerweise ist jedes Polsters durch die Stützstruktur abgestützt, um eine Bewegung mit sechs Freiheitsgraden zu ermöglichen.
Vorzugsweise ist jedes Polster so abgestützt, daß das Polster unter normaler Belastung so nachgibt, daß die Hinterkante zwei bis fünf Mal näher an der Welle liegt als die Vorderkante.
Ein Lager nach der Erfindung kann aus Kunststoff, Keramikmaterial oder Bronze bestehen oder aus einem gesinterten Pulvermetall hergestellt sein.
Ein erfindungsgemäßes Lager kann ferner einen flüssigen Schmierstoff aufweisen, der sich innerhalb der Stützstruktur befindet.
Vorzugsweise stützt die Stützstruktur jedes Lagerpolster so ab, daß das Lagerpolster eine vorbestimmte radiale Steifigkeit aufweist, wobei sich ein Fluidflim zwischen der Lagerpolsterstirnfläche und der Welle befindet, der eine charakteristische radiale Steifigkeit hat, wobei die radiale Steifigkeit des Fluidf ilms größer als die radiale Steifigkeit der Lagerpolster ist, so daß der Fluidfilm die Lagerpolster dazu veranlaßt, bei Drehung der Welle radial auswärts nachzugeben.
Die Erfindung stellt ferner ein Verfahren zum Herstellen eines wie vorstehend festgelegten Lagers bereit, das die Schritte umfaßt, einen zylindrischen Rohling mit einer Mittelachse herzustellen, eine zentrale Bohrung in dem zylindrischen Rohling auszubilden, deren Mittelachse mit der Achse des zylindrischen Rohlings übereinstimmt, und eine Mehrzahl von Schlitzen in dem zylindrischen Rohling auszubilden, um eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Lagerpolstern zu bilden, die radial einwärts und auswärts von der Mittelachse beweglich sind, um die die zentrale Bohrung ausgebildet ist.
Das Verfahren kann ferner den Schritt umfassen, eine Mehrzahl von Schlitzen in dem zylindrischen Rohling auszubilden, um eine einteilige Stützstruktur zum Abstützen eines jeden der Mehrzahl von Lagerpolstern zu bilden.
Das Verfahren kann weiter den Schritt umfassen, eine Mehrzahl von Schlitzen in dem zylindrischen Rohling auszubilden, um eine Stützstruktur zum Abstützen des Lagerpolsters zur Bewegung mit sechs Freiheitsgraden zu bilden.
Die Schlitze können durch elektrische Entladungsbearbeitung oder durch Laserschneiden hergestellt werden.
Alternativ kann die zentrale Bohrung und die Schlitze durch Gießen, Spritzgießen, Pulvermetall-Formgießen mit Sintern oder durch Extrusion hergestellt werden.
Das Verfahren kann weiter den Schritt umfassen, eine Nut um den Umfang des zylindrischen Rohlings auszubilden, die sich radial einwärts von der Außenseite des Rohlings erstreckt.
Das Verfahren kann weiter den Schritt umfassen, symmetrische, einander gegenüberstehende Nuten auf den gegenüberstehenden kreisförmigen Flächen des zylindrischen Rohlings auszubilden.
Die Erfindung wird nachfolgend im einzelnen beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der
Fig. 1 eine Schnittansicht eines Teils eines Achslagers zeigt, von dem ein Sektor dargestellt ist, der eine Form der Erfindung verkörpert;
Fig. 2 eine schematische Ansicht eines einzelnen Polsters zeigt, das ein Teil des gemäß dem Beispiel nach Fig. 1 hergestellten Lagers ist;
Fig. 3 eine Randansicht des Polsters nach Fig. 2 ist, die die Orientierung des Polsters mit der Stützstruktur im Belastungszustand zeigt;
Fig. 4 eine Schnittansicht eines Ausschnitts eines zweiten Beispiels eines erfindungsgemäß hergestellten Achslagers zeigt;
Fig. 5 eine Ansicht ist, teilweise im Schnitt, die einen Teil eines einzelnen Polsters als Teil des Lagers nach Fig. 4 zeigt;
Fig. 5A eine perspektivische Ansicht ist, die im wesentlichen Fig. 5 entspricht, aber ein Polster zeigt, das ein Teil einer modifizierten Form des Lagers nach Fig. 4 ist;
Fig. 5B eine perspektivische Ansicht ist, die im wesentlichen Fig. 5 entspricht, aber ein weiteres Polster zeigt, das Teil einer modifizierten Form des Lagers nach Fig. 4 ist;
Fig. 6 eine Endansicht des Lagers nach Fig. 4 ist;
Fig. 7 eine schematische Ansicht der Torsionsverformung einer Strebe ist, etwa der Strebe in Fig. 5 und 6, stark vergrößert;
Fig. 8 eine Schnittansicht eines Teils eines Achslagers ist, die ein Beispiel für ein Lager verdeutlicht, das die Merkmale der vorliegenden Erfindung hat und zwei Streben aufweist;
Fig. 9 eine Randansicht eines Polsters ist, das Teil des Lagers nach Fig. 1 ist und eine lokale Verformung der Polsteroberfläche ohne Verformung der Stützstruktur zeigt, stark übertrieben;
Fig. 10 eine Randansicht des Polsters nach Fig. 8 zeigt, die die Orientierung des Polsters mit der Stützstruktur im Belastungs zustand zeigt;
Fig. 10A eine Randansicht des Polsters nach Fig. 8 ist, die die lokale Verformung der Polsteroberfläche stark übertrieben zeigt;
Fig. 11A und 11B Querschnittsansichten eines zylindrischen Zapfens oder Rohlings vor der Bearbeitung sind;
Fig. 12A und 12B Querschnittsansichten eines bearbeiteten Zapfens bzw. Rohlings sind;
Fig. 13A und 13B Querschnittsansichten eines weiteren bearbeiteten Zapfens oder Rohlings sind;
Fig. 14A und 14B Querschnittsansichten eines modifizierten, bearbeiteten Zapfens oder Rohlings sind; und
Fig. 14C und 14D Querschnittsansichten eines Lagers sind, das aus den modifizierten, bearbeiteten Zapfen bzw. Rohlingen nach Fig. 14A und 14B hergestellt ist.
Zunächst auf Fig. 1 Bezug nehmend, ist die darin dargestellte Struktur ein Sektor aus einem einheitlichen, einstückigen Lageraufbau mit darin ausgebildeten Nuten und Schlitzen, so daß ein Gehäuse 10 und eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung angeordneten Lagerpolstern 12 zum Tragen einer Welle 5 gebildet werden, von denen jedes durch das Gehäuse mittels einer Strebe 14 und einem Stutzenabschnitt 16 abgestützt ist. Der Stutzenabschnitt 16 ist rechtwinklig zur Strebe 14. Die Strebe 14 und der Stutzenabschnitt 16 liegen radial außerhalb vom Lagerpolster 12. Die Strebe 14 verläuft im wesentlichen parallel zu einer Ebene, die tangential zur Welle 5 an der Kontaktlinie mit einer Stirnfläche 13 des jeweiligen Polsters 12 verläuft. Der Stutzenabschnitt 16 verbindet das Lagerpolster 12 mit der Strebe 14 und unterstützt das Lagerpolster zur Bewegung hinsichtlich der Strebe 14 und dem Gehäuse 10, wobei die Strebe auf dem Gehäuse 10 zur Bewegung bezüglich desselben abgestützt ist.
Das dargestellte Lager ist ein unidirektionelles Radiallager, d.h. es ist zum radialen Abstützen einer Welle zur Drehung in nur einer Richtung bestimmt. In der dargestellten Ausführungsform trägt das Lager die Welle 5 nur zur Drehung im durch den Pfeil verdeutlichten Gegenuhrzeigersinn. Jedes Lagerpolster hat eine Vorderkante 15 und eine Hinterkante 17. Die Vorderkante ist definiert als die Kante, der sich ein Punkt auf dem Umfang der Welle zuerst annähert, wenn diese sich dreht. Entsprechend ist die Hinterkante als die Kante festgelegt, der sich später der gleiche Punkt auf der Welle in Umfangsrichtung annähert, wenn diese sich dreht. Wenn sich die Welle 5 in der richtigen Richtung dreht, bewegt sie sich auf einem Fluidfilm von der Vorderkante über das Lagerpolster und von der Hinterkante weg. Optimale Verhältnisse werden erzielt, wenn der Stutzenabschnitt 16 das Lagerpolster 12 und somit jegliche Belastung an einem Punkt 16a (Fig. 3) zwischen der Umfangs- Mittellinie 13a des Polsters 12 und der Hinterkante 17, vorzugsweise näher an der Mittellinie 13a, trägt. Die Strebe 14 sollte auch um einen Punkt 14a schwenken, der sich in Winkelrichtung zwischen der Vorderkante und der Hinterkante befindet, so daß die Hinterkante 17 als Ergebnis einer Durchbiegung der Strebe 14 in einem Biegemodus nach innen nachgibt. Selbstverständlich hängt der Grad der Durchbiegung unter anderem von der Form der Strebe und der Länge der in dem Lager ausgebildeten Abschnitte oder Schlitze ab.
Auf Fig. 2 und 3 bezugnehmend ist ersichtlich, daß das Polster 12 mit einer bogenförmigen oder in Umfangsrichtung gekrümmten Stirnfläche 13 versehen ist, die im wesentlichen dem Radius oder Bogen des Außendurchmessers der Welle entspricht, die das Polster trägt (über den Fluidfilm), und jedes Polster ist durch axial und radial verlaufende Kanten festgelegt. Die axial verlaufenden Kanten bilden die Vorder- und Hinterkanten.
Die gekrümmte Stirnfläche verläuft zwischen der Vorder- und Hinterkante. Die Strebe ist sowohl in einer statischen Position (ausgezogene Linien) als auch in einer durchgebogenen Position (gestrichelte Linien) in Fig. 3 dargestellt. Der Basisaufbau, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, wird durch Verwendung kleiner Schlitze oder Einschnitte durch die Wand hergestellt. Typischerweise sind diese Schlitze oder radialen Einschnitte 0,05 mm bis 1,6 mm (0,002 bis 0,063") breit. Der Durchbiegungsgrad kann unter anderem durch Verändern der Länge der Einschnitte verändert werden. Längere Einschnitte erzeugen einen längeren Hebelarm, der eine größere Durchbiegung zur Folge hat. Kürzere Einschnitte erzeugen Streben mit geringerer Flexibilität und höheren Lasttrageeigenschaften. Bei der Auswahl der Länge eines Einschnitts oder Schlitzes muß Resonanz sorgfältig vermieden werden.
Durch Anordnen des Endes der Strebe 14 wie dargestellt führt die Abwärtsdurchbiegung um den Verbindungspunkt 16a zu einer Einwärtsbewegung der Hinterkante 17 des Kissens 12, einer Auswärtsbewegung der Vorderkante 15 und einer leichten Abflachung des Kissens 12, wie gestrichelt in Fig. 9 dargestellt. Als Ergebnis dieser Durchbiegung wird der Spalt zwischen der Polsterstirnfläche 13 und der Außenfläche der Welle 5, durch den Fluid strömt, keilförmig, um die bekannte hydrodynamische Tragwirkung zu erzielen. Idealerweise ist das Verhältnis des Abstands zwischen der Hinterkante und der Welle gegenüber dem Abstand zwischen der Vorderkante und der Welle zwischen 1:2 und 1:5. Mit anderen Worten sollte der Abstand zwischen der Vorderkante und der Welle 2 bis 5 Mal größer als der Abstand zwischen der Hinterkante und der Welle sein. Um diesen idealen Abstand oder Keilverhältnis für eine bestimmte Anwendung zu erreichen, müssen geeignete Durchbiegungsvariablen einschließlich Anzahl, Größe, Anordnung, Form und Materialeigenschaften des einheitlichen Elements ausgewählt werden. Eine computerunterstützte Finite-Elementanalyse hat sich als das wirksamste Mittel zum Optimieren dieser Variablen erwiesen. Eine computerunterstützte Analyse ist besonders nützlich bei einem Lager wie dem vorstehend beschriebenen Typ, das eine Bewegung in allen sechs Richtungen (sechs Freiheitsgrade) zuläßt.
Auf Fig. 4 und 5 Bezug nehmend ist ein zweites erläuterndes Beispiel für ein Lager dargestellt, welches die Merkmale der Erfindung verkörpert, wobei das Lager mit Schlitzen oder Einschnitten und Nuten ausgebildet ist, um ein Lagergehäuse 30 mit einem Lagerpolster 32 zu bilden, das von dem Gehäuse durch eine einteilige Strebe abgestützt ist, die ein Paar Strebenabschnitte 34a, 34b aufweist, welche sich im wesentlichen in einer einzelnen Linie oder auf einer gemeinsamen Achse weg von dem Polster erstrecken. Weiterhin kann das Polster unterschnitten sein, so daß es durch die Strebenabschnitte nur auf einer Polsterunterstützungsfläche 34ps abgestützt ist, die von den radial und axial verlaufenden Rändern des Polsters beabstandet ist. Unter Bezugnahme auf Fig. 5 wird ersichtlich, daß die Strebenabschnitte 34, 34a jeweils einen passenden Strebenendstutzen 36, 36a haben, der als Auslegerabstützung für die Strebe dient.
In der dargestellten Ausführungsform sind eine Mehrzahl von einteiligen Streben 34a, 34b vorhanden, die jeweils in axialer Richtung verlaufen und von den Polsterflächen beabstandet sind. Wie sich aus Fig. 4 ergibt, zeigt die perspektivische Ansicht nach Fig. 5 nur einen Teil des Polsters 32. Das ganze Polster ist in Fig. 5A und 5B dargestellt, die mögliche Modifikationen der in Fig. 4 gezeigten Lager darstellen. Wie aus den Zeichnungen deutlich wird, befindet sich die Polsterstützfläche 34ps dichter an der Hinterkante 117 als an der Vorderkante 35. Mit diesem Aufbau tritt eine Verdrehung der Strebe, wie Fig. 7 zeigt, statt und erzeugt die dargestellte Torsionsdurchbiegung. Demnach verwindet sich die Strebe in einem Torsionsmodus. Wiederum wird die Hauptflexibilität durch kleine Einschnitte oder Schlitze entlang der Lagergehäusewand gebildet. Diese Einschnitte geben dem Lagerpolster sechs Freiheitsgrade, d.h. das Polster kann sich in der +x-, -x-, +y-, -y-, +z- und -z-Richtung verlagern als auch um die x-, y- und z-Achse drehen. Wenn die Einschnitte oder Schlitze vor dem Durchbruch beendet werden, um Strebenabschnitte 34a und 34b zu bilden, wird das Polster 32 durch eine fortlaufende zylindrische Membran 34m unterstützt, wie Fig. 5A zeigt. Die Membran wirkt als Fluiddämpfer, auf dem das Polster 32 abgestützt ist. Die Einschnitte würden an Punkt A und Punkt B in Fig. 4 enden. Die Flexibilität der Membran, kombiniert mit einem fluiden Schmiermittel, stellt ein Mittel zum Verändern der Dämpfungswirkung und zum Isolieren des Polsters von dem Gehäuse bereit. Die Dämpfung nimmt die Form eines Stoßdämpfers an, der hohe Dämpfungseigenschaften hat. Alle Polster 32 des Lagers sind von einer einzelnen, fortlaufenden Membran abgestützt Wie das Lager nach Fig. 1 bis 3 ist das Lager nach Fig. 4 bis 7 ein unidirektionelles Lager. Demgemäß hat das Lager eine Vorderkante 35, die nach außen nachgibt, und eine Hinterkante 37, die einwärts nachgibt, um einen Keil zu bilden. Wiederum ist das Keilverhältnis (Verhältnis des Abstands zwischen der Hinterkante und der Welle zum Abstand zwischen der Vorderkante und der Welle) zwischen 1:2 und 1:5. Darüber hinaus sollte die Mitte der Lasteinwirkung, die hauptsächlich durch den Ort der Polsterstützabschnitte 34ps der Strebe 34 in Bezug auf das Polster festgelegt ist, wiederum zwischen der Umfangsmitte der Polsterstirnfläche und der Hinterkante liegen, vorzugsweise näher an der Umfangsmitte der Polsterstirnfläche.
Wie Fig. 5B zeigt, kann die Strebe einfacher als in Fig. 5 dargestellt gebildet werden, indem die Einschnitte oder Schlitze einfach unterhalb der Punkte A und B erweitert werden.
Fig. 8 zeigt das dritte erläuternde Beispiel eines einheitlichen, einstückigen Lagers nach der vorliegenden Erfindung. In diesem Beispiel sind innenliegende Schlitze oder Einschnitte vorgesehen, um eine Strebe auf einer Strebenstützstruktur zu bilden. Insbesondere ist das Lager mit Nuten und Schlitzen oder Einschnitten versehen, um ein Polster 40 zu bilden, das von einem Gehäuse durch Streben 42 und 44 abgestützt ist. Die Streben 42, 44 verlaufen in Umfangsrichtung und sind radial von dem Polster 40 beabstandet. Das Polster ist mit den Streben an Tragstutzen 40a und 40b verbunden. Die Strebe ist bei den Tragstutzen 46 und 48 am Gehäuse befestigt. Wiederum besteht das Lager aus dünnen Einschnitten oder Schlitzen, die durch die Lagerwand geschnitten dargestellt sind. Einschnitt oder Schlitz 60 unterhalb der Polsterstirnfläche ergibt eine zusätzliche Flexibilität, so daß das Polster unter Belastung seine Form verändert, um eine Tragfläche zur Einleitung von Schmierstoff zu bilden Als Ergebnis der Abstützung der Strebe auf zwei Punkten wirkt daher das Polster als federartige Membran.
Fig. 10A zeigt die durchgebogene Form des Polsters 40 unter Belastung. Wie in den Zeichnungen übertrieben dargestellt, kann das Polster so geformt und abgestützt sein, daß es sich unter Belastung in Tragflächenform verformt. Die Tragfläche verbessert die Leistungsfähigkeit erheblich. Wie sich aus den Zeichnungen ergibt, kann sich das Polster in x-, y- und z- Richtung verlagern und um die x-, y- und z-Achse verdrehen, d.h. das Polster hat sechs Freiheitsgrade.
Fig. 9 zeigt die lokale, inhärente Durchbiegung der Polsterstirnfläche 50, wobei sich das Polster unter Belastung abflacht. Das Polster 50 kann bei einer Ausführungsform vorhanden sein, wie sie unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben wurde. Diese Durchbiegungen werden mit der Tragstrukturdurchbiegung nach Fig. 3 kombiniert, haben allerdings eine kleinere Amplitude. Das Endergebnis ist die in Fig. 3 dargestellte Form, aber mit einer Stirnflächenkrümmung, die geringfügig abgeflacht ist.
Wie in Bezug auf jedes der vorstehend beschriebenen Erläuterungsbeispiele bemerkt, können die Lager nach der vorliegenden Erfindung mit einem Keilverhältnis von 1:2 bis 1:5 ausgebildet werden, eine verformbare Lagerfläche haben, deren Form modifiziert werden kann, sechs Bewegungsfreiheitsgrade des Polsters zulassen, eine stoßdämpferartige Dämpfungswirkung erbringen und einheitlich, einstückig und integral aufgebaut sein.
Aufgrund des Keils, der durch die Durchbiegung des Lagerpolsters und die Eigenschaft des Lagerpolsters, sich mit sechs Freiheitsgraden zu bewegen, gebildet wird, besitzen die Lager nach den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung außergewöhnliche Leistungsmerkmale. Insbesondere können die Lagerabmessungen und Durchbiegungsvariablen, einschließlich Anzahl, Größe, Form, Anordnung und Materialeigenschaften der Elemente, die in dem einteiligen Lager festgelegt sind, für eine spezifische Anwendung maßgeschneidert werden, um eine breite Vielfalt von Belastungen zu ertragen. Unter diesen Variablen ist die Form der Stützelemente besonders wichtig. Der Einfluß der Form der Stützelemente auf die Durchbiegungseigenschaften der Tragstruktur kann abgeschätzt werden, wenn die Formel für das Trägheitsmoment bh3/12 (englische Einheiten), wobei die Hauptkomponente des Widerstandsmoments für einen rechteckigen Querschnitt z = I/c = bh2/6, als Beispiel verwendet wird. Darüber hinaus ermöglicht die Eigenschaft des Lagers, sich mit sechs Freiheitsgraden zu bewegen, dem Lager eine Kompensierung und Korrektur einer Wellenfehlausrichtung. Somit geben die Polster, die durch die beschriebenen radialen und Umfangseinschnitte festgelegt sind, unter Belastung nach. In dieser Hinsicht sei bemerkt, daß die Lager nach bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung eine selbstkorrigierende Eigenschaft haben, die von der Tendenz des Lagers kommt, aufgrund der Steifigkeit des Lagers in seinen nicht durchgebogenen Zustand zurückzukehren. Die Steifigkeit des Lagers ist selbstverständlich hauptsächlich eine Funktion der Form der Stützstruktur und in geringerem Ausmaß der anderen Durchbiegungsvariablen, einschließlich Anzahl, Größe, Anordnung und Materialeigenschaften der durch die Nuten und Einschnitte oder Schlitze in dem einheitlichen Element definierten Elemente. Steifere Lagerungen haben eine größere selbstkorrigierende Tendenz, können aber eine Wellenfehlausrichtung weniger ausgleichen.
Versuche haben gezeigt, daß Lager mit den Merkmalen nach der Erfindung eine erheblich verbesserte Leistungsfähigkeit selbst im Vergleich zu der in meinem früheren Patent US-A-4,496,251 beschriebenen Struktur zeigen. In einem neueren Test wurden die Lager nach der vorliegenden Erfindung in einer Radiallagerung mit einer radialen Einhüllenden von 2,31 mm (0,091") verwendet. Einwärtsdurchbiegungen des Lagerpolsters betrugen 0,0076 mm (0,0003"), was eine außergewöhnliche Stabilität und Leistungsfähigkeit des Lagers ergibt. Eine vergleichbare Verlagerung unter Verwendung der Anordnung nach US-A-4,496,251 hätte einen radialen Platz von 7,6 mm (0,30") erfordert.
In herkömmlichen hydrodynamischen Achslagerungen ist es typischerweise erforderlich, einen Fluidfilmzwischenraum zwischen der Lagerpolsterfläche und dem Wellenaußendurchmesser bereitzustellen. Dies erfordert extrem enge Herstellungstoleranzen, die bei Massenproduktion ein Hindernis sein können. Die Lagerungen nach der vorliegenden Erfindung können indes so ausgelegt werden, daß derartig enge Herstellungstoleranzen unnötig sind. Durch Bereitstellen geeigneter Nuten und Einschnitte oder Schlitze ist es insbesondere möglich, ein Lager mit praktisch beliebigen Leistungsmerkmalen herzustellen. Eine solche Eigenschaft ist die Steifigkeit oder Federcharakteristik der Lagerpolster in radialer Richtung, d.h. die Radialsteifigkeit. In der Lagertechnik ist bekannt, daß der Fluidfilm zwischen Welle und Lager als Feder modelliert werden kann, da er eine berechenbare radiale Fluidfilmsteifigkeit oder Federcharakteristik aufweist. Dies trifft sowohl für kompressible als auch für inkompressible Fluide zu, ist aber besonders zweckmäßig im Hinblick auf gasförmige, fluide Schmierstoffe. Die radiale Fluidfilmsteifigkeit und die radiale Lagersteifigkeit wirken gegeneinander, so daß wenn die radiale Fluidfilmsteifigkeit oder Federcharakteristik die radiale Lagersteifigkeit oder Federcharakteristik überschreitet, das Lager in radialer Richtung nachgibt, wenn sich die Welle dreht, bis die radiale Steifigkeit des Fluids und des Lagers im Gleichgewicht sind. Somit hat man herausgefunden, daß wenn das Lager so ausgelegt ist, daß wenn die Welle steht, die radiale Steifigkeit des Lagers geringer ist als die radiale Steifigkeit des Fluidfilms, es nicht notwendig ist, einen präzisen Zwischenraum zwischen Welle und Lager bereitzustellen, da die radiale Steifigkeit des Fluidfilms automatisch und bei Drehung der Welle augenblicklich eine entsprechende radiale Auswärtsdurchbiegung der Polster des Lagers verursacht. Die Radialsteifigkeit des Lagers ist selbstverständlich hauptsächlich eine Funktion des Widerstands- oder Biegemoments der Tragstruktur, die von der Form der Tragstruktur abhängt&sub1; Die Radialsteifigkeit des Lagers hängt auch von der Länge der in das Lager eingebrachten Schlitze oder Ausschnitte ab. Demgemäß ist es mit den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung möglich, eine hohe Leistungsfähigkeit ohne die engen Herstellungstoleranzen zu erreichen, die typischerweise bei hydrodynamischen Lagerungen erforderlich sind. Dies ist bei Massenproduktion der Lager und bei Lagern, die gasförmige Schmierfluide verwenden, besonders nützlich.
In kleinen Mengen werden die hier offenbarten Lager vorzugsweise durch Elektroentladungsbearbeitung oder Laserschneidverfahren hergestellt. Die in den Zeichnungen dargestellten, doppelten Linien sind die tatsächlichen Wege des Drahts oder Strahls, der typischerweise 0,05 bis 1,52 mm (0,002 bis 0,060") im Durchmesser ist. Das Schmiermittel, das in die durch Elektroentladung hergestellten Wege strömt, wirkt als Fluiddämpfung, die Vibrationen oder Instabilitäten bei Resonanzfrequenzen dämpft. In den vorstehend beschriebenen Situationen, wenn eine fortlaufende zylindrische Membran ausgebildet wird, nimmt die Dämpfung die Form eines Stoßdämpfers an, der hohe Dämpfungseigenschaften hat. Eine wesentliche Auslegungsüberlegung besteht darin, daß die Länge und Richtung der Tragstruktur so ausgerichtet ist, um die Einwärtsdurchbiegung nach Fig. 3 bereitzustellen. Geringe Durchbiegungen der Polster selbst in Belastungsrichtung, wie in Fig. 9 dargestellt, führen zu Exzentrizitätsveränderungen, die die Lagereigenschaften weiter verbessern. In "Faires, Auslegung von Maschinenelementen" wird der Abstand zwischen dem Lagermittelpunkt und dem Wellenmittelpunkt als Exzentrizität des Lagers bezeichnet. Diese Bezeichnungsweise ist Fachleuten auf dem Gebiet der Lagerauslegung bekannt. Mit der neuen Vorgehensweise der Optimierung oder Modifizierung der Steifigkeit der Lageranordnung oder -struktur und insbesondere der Strebe, zur Eignung für eine bestimmte Lageranwendung, werden optimale Eigenschaften erreicht. Neuere Computeranalysen haben gezeigt, daß praktisch jede Steifigkeit oder Durchbiegung erzielt werden kann.
Wie vorstehend erwähnt, wenn kleine Stückzahlen oder Prototypen des erfindungsgemäßen Lagers hergestellt werden, werden die Lager vorzugsweise durch Elektroentladungsbearbeitung oder Laserschneidverfahren hergestellt. Derartige kleine Stückzahlen oder Prototypen werden normalerweise aus Metall hergestellt. Bei Massenherstellung eines bestimmten Lagers sind allerdings andere Herstellungsverfahren wie Spritzgießen, (Form-) Gießen, Pulvermetall-Formguß und Extrusion äkonomischer. In Verbindung mit solchen Herstellungsverfahren kann es wirtschaftlicher sein, Kunststoffe, keramische Werkstoffe, gesinterte Pulvermetalle, Bronze oder Verbundwerkstoffe zu verwenden, um die erfindungsgemäßen Lager herzustellen. Es wird angenommen, daß Verfahren wie Spritzgießen&sub1; Gießen, Pulvermetall-Formgießen mit Sintern und Extrusion gut bekannt sind, so daß diese Verfahren nicht weiter beschrieben werden müssen. Es wird ebenfalls angenommen, daß nach Erstellung eines Prototyp-Lagers das Verfahren zum Herstellen einer Form usw. für Massenproduktion des Lagers für Fachleute auf dem Gebiet des Abformens und Gießens bekannt ist. Weiterhin sei klargestellt, daß nur bestimmte Lagertypen nach der vorliegenden Erfindung zur Massenherstellung durch Extrusion geeignet sind. Im allgemeinen sind dies die Lager, die nur durch Anbringung von Umfangsnuten und Radial- und Umfangseinschnittenoder Schlitzen hergestellt werden, die axial durch das ganze Lager verlaufen.
Damit erscheint es ausreichend, das Verfahren zum Herstellen eines Einzellagers mittels Elektroentladungsbearbeitung und -herstellung zu beschreiben. Es wird angenommen, daß die Beschreibung einer solchen Herstellung erläutert, wie leicht die relativ komplexen Lagerformen der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung hergestellt werden können.
Jedes Lager hat anfangs die Form eines zylindrischen Rohlings mit einer zylindrischen Bohrung, die mit der Achse des zylindrischen Rohlings übereinstimmt, wie Fig. 11A und 11B zeigen. Der Rohling wird dann bearbeitet, um eine radiale Schmierfluidnut bereitzustellen, wie Fig. 12A und 12B zeigen. Bei bestimmten Anwendungen ist es zweckmäßig, den Rohling weiter zu bearbeiten, um Stirnflächennuten herzustellen, die vorzugsweise zylindrisch auf den radialen Flächen der Lager angeordnet sind, wie in Fig. 13 und 138 dargestellt. Die Anbringung solcher stimseitigen Nuten führt letztlich zu einem Lager, das leicht torsionsverformt werden kann. Während die in Fig. 13A und 13B dargestellte Nut zylindrisch ist, ist es möglich, sich verjüngende Nuten vorzusehen, wie Fig. 14A und 14B zeigen. Wie nachstehend deutlich wird, führt dies zu einem Lager, das aufgrund der winkligen Ausrichtung der Tragstreben verbesserte Durchbiegungseigenschaften hat. In diesem Zusammenhang sei angemerkt, daß die Stützstreben, wie in Fig. 14A ersichtlich, vorzugsweise entlang Linien, die an einem Punkt in der Nähe der Mittellinie der Welle zusammenlaufen, konisch zulaufen. Dies gewährleistet, daß eine Flexibilität um die Wellenmittellinie auftritt, in dem ein Wirkungsmittelpunkt für das Gesamtsystem gebildet wird, so daß sich die Polster einer Wellenfehlausrichtung angleichen können. Im wesentlichen läßt die Konizität der Stützstreben das Lager in einer einem sphärischen Lager ähnlichen Weise wirken, indem die Stützkräfte auf einen einzelnen Punkt konzentriert werden, um den sich die Welle in alle Richtungen verdrehen kann, um eine Fehlausrichtung zu korrigieren&sub1; Die Pfeile in Fig. 14A erläutern die Wirkungslinien der Durchbiegung. Mit anderen Worten unterstützen die Polster die Welle zur Schwenkbewegung um einen Punkt in der Nähe der der Mittellinie der Welle, um eine Fehlausrichtung der Welle auszugleichen.
Nachdem der zylindrische Rohling wie in Fig. 12A und 12B, 13A und 13B oder 14A und 14B bearbeitet ist, werden radiale und/oder Umfangsschlitze oder -nuten entlang der radialen Stirnfläche des bearbeiteten Rohlings hergestellt, um die Lagerpolster, die Tragstreben und das Gehäuse zu bilden. Die Lagerpolster sind radial einwärts und auswärts relativ zur Achse der zentralen Bohrung beweglich. Fig. 14C und 14D zeigen solche Nuten, die in dem bearbeiteten Rohling von Fig. 14A und 14B eingebracht sind. Wenn kleine Stückzahlen von Lagern oder Prototypen zur Verwendung beim Bau einer Form hergestellt werden, werden die Einschnitte oder Schlitze vorzugsweise mittels Elektroentladungsbearbeitung oder unter Verwendung eines Lasers zum Laserschneiden ausgebildet. Die Bearbeitung der zylindrischen Rohstücke zum Herstellen der Konfigurationen nach Fig. 12A und 12B, Fig. 13A und 13B, Fig. 14A und 14B oder einer ähnlichen Form kann mit herkömmlichen Werkzugmaschinen erfolgen, beispielsweise mit Drehbänken oder ähnlichem.
Die Betriebseigenschaften der Lager nach den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus relativer Form, Größe, Anordnung und Materialeigenschaften der Lagerpolster und der Stützstreben, die durch die Einschnitte oder Schlitze in dem bearbeiteten Rohling gebildet werden. Diese Parameter sind im wesentlichen festgelegt durch die Abmessungen und Anordnung der radialen Umfangseinschnitte oder -schlitze, die in dem Lager ausgebildet sind, zusammen mit der Form des bearbeiteten Rohlings, in dem die Schlitze so ausgebildet sind, daß sich das Lager ergibt.
Wie oben erwähnt, obwohl der Aufbau der erfindungsgemäßen Lager am leichtesten unter Bezugnahme auf den Herstellungsvorgang verständlich wird, kann eine Herstellung der Lager im großen Maßstab wirtschaftlicher durch Spritzgießen, Formgießen, Pulvermetall-Formgießen mit Sintern, Extrusion oder ähnlichem erfolgen Durch Extrudieren einer großen Anzahl von Lagern aus einem rohrartigen, zylindrischen Rohteil können radiale Schmierfluidnuten, wie Fig. 12A und 12B zeigen, entlang der Länge des rohrartigen zylindrischen Rohteils vor der Extrusion hergestellt werden. Wenn indes stirnseitige Nuten in dem Lager gewünscht sind, können diese nach Abschneiden der einzelnen Lager von dem extrudierten und bearbeiteten Rohstück individuell festgelegt werden. Aus diesem Grunde könnte die Extrusion ein bevorzugtes Verfahren zum Herstellen von Lagern sein, die stirnseitige Nuten erfordern, um die Torsionsflexibilität zu erhöhen.

Claims

1. Hydrodynamisches Lager, bestimmt zum Tragen einer Welle (5), wobei das Lager ein zylindrisches Gehäuse (10) beinhaltet, das eine radial außenliegende Fläche aufweist, und eine zentrale Bohrung festlegt, die dazu bestimmt ist, die Welle (5) aufzunehmen, wobei eine Anzahl in Umfangsrichtung angeordneter Lagerpolster (12) vorhanden ist, die so angeordnet sind, um die Welle (5) abzustützen, jedes Polster eine mit der Welle zusammenwirkende Umfangsstirnfläche (13) aufweist, jedes Polster von einer Stützstruktur (14, 16) abgestützt ist, die sich zwischen dem Polster und der radial außenliegenden Fläche des Gehäuses befindet, um eine Bewegung der Lagerpolster zu ermöglichen, die Stützstruktur ein Element (14) beinhaltet, das in einer Ebene liegt, die im wesentlichen parallel zu einer Tangente der Bohrung ist, jedes Polster axial verlaufende und radial verlaufende Kanten aufweist, eine der axial verlaufenden Kanten eines jeden Polsters eine Vorderkante (15) und eine andere axial verlaufende Kante eines jeden Polsters eine Hinterkante (17) ist, die Stirnfläche des Polsters dazu bestimmt ist, unter der Wirkung von Reibung und Druck auf diese Fläche relativ zu der Stützstruktur zu pendeln, wodurch die Hinterkante der Stirnfläche des Polsters radial einwärts zur Welle hin bewegt wird und die Vorderkante radial auswärts weg von der Welle (5) bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Lager eine einheitliche, einteilige Anordnung ist, wobei das Gehäuse (10), Tragstrukturen (16) und Polster (12) alle aus einem einheitlichen Teil bestehen, wobei das Gehäuse (10) mit einer Anzahl radialer Einschnitte versehen ist, die sich radial auswärts von einer radial inneren Fläche des Gehäuses erstrecken, und einer Anzahl von Umfangseinschnitten in Fortsetzung der radialen Einschnitte, wobei die Radial- und Umfangseinschnitte zusammen die Anzahl von in Umfangsrichtung angeordneten Lagerpolstern (12) und die Tragstrukturen (14, 16) bilden, wobei jede Tragstruktur zumindest aus einem einteiligen Element (14) in Form eines strebenartigen Teils oder einer das Teil bildenden-Membran besteht, in der Ebene liegend, die im wesentlichen parallel zu der Tangente an die Bohrung ist, die das jeweilige Polster (12) trägt.

2. Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das einteilige Element ein strebenartiges Element (14) ist.

3. Lager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das einteilige strebenartige Element (14) in einem Biegemodus nachgibt.

4. Lager nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das strebenartige Teil (14) mit dem Polster (12) mittels eines Stutzenabschnitts (16) verbunden ist, der rechtwinklig zu dem strebenartigen Element ist.

5. Lager nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich eine Mehrzahl der strebenartigen Elemente (42, 44) in einer Umfangsrichtung erstreckt, wobei sie radial von dem Polster (40) beabstandet sind.

6. Lager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich das einteilige strebenartige Element in einem Torsionsmodus verwindet.

7. Lager nach Anspruch 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das einteilige strebenartige Element aus zwei Strebenabschnitten (34a, 34b) besteht, die sich auf einer gemeinsamen Achse von dem Polster (32) weg erstrecken.

8. Lager nach Anspruch 2, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich eine Mehrzahl der strebenartigen Elemente in einer axialen Richtung erstrecken und von den Polstern beabstandet sind.

9. Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Lagerpolster auf einer flexiblen Membran (34m) abgestützt ist, die eine Bewegung des Polsters in jeder Richtung zuläßt und eine Fluiddämpfung bereitstellt.

10. Lager nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine einzelne zylindrische Membran die Mehrzahl der Lagerpolster trägt.

11. Lager zum Abstützen einer Welle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stutzenabschnitt (16) das Lagerpolster für eine Bewegung bezüglich des Strebenelements und des Gehäuses (10) trägt, wobei das Strebenelement auf dem Gehäuse für eine Bewegung bezüglich desselben abgesützt ist.

12. Lager nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Strebe zur Schwenkbewegung bezüglich des Gehäuses um einen Punkt (14A) abgestützt ist, der sich in Winkelrichtung zwischen der Vorderkante (15) und der Hinterkante (17) befindet.

13. Lager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Polster (12) so ausgebildet und abgestützt sind, daß sie sich unter Belastung in Tragflächenform verformen.

14. Lager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Polster (12) die Welle (5) zur Schwenkbewegung um einen Punkt in der Nähe der Mittellinie der Welle tragen, um eine Fehlausrichtung der Welle aufzunehmen.

15. Lager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einheitliche Stützstruktur jedes Polster (32) entlang einer Polsterstützfläche (34ps) trägt, wobei die Polsterstützfläche von axial und radial verlaufenden Rändern des Polsters (32) beabstandet ist.

16. Lager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagerpolster von der einteiligen Stützstruktur so abgestützt ist, daß es sich unter Belastung abflacht.

17. Lager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Polster durch die Radial- und Umfangseinschnitte so festgelegt ist, daß es sich unter Belastung durchbiegt, wobei die Durchbiegungen die Exzentrizität des Lagers modifizieren.

18. Lager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Polster (12) zum Durchbiegen abgestützt ist, relativ zu der Stützstruktur, um einen Punkt (16A), der in Umfangsrichtung zwischen der Vorderkante (12) und der Hinterkante (15) liegt.

19. Lager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Polster (12) eine axial verlaufende Umfangs-Mittellinie (13A) hat, wobei das Polster so abgestützt ist, daß aufgebrachte Belastungen an einem Punkt (16A) wirken, der zwischen der Umfangs-Mittellinie und der Hinterkante (17) liegt.

20. Lager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Polster (12) durch die Stützstruktur abgestützt ist, um eine Bewegung mit sechs Freiheitsgraden zu ermöglichen.

21. Lager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Polster (12) so abgestützt ist, daß das Polster unter normaler Belastung so nachgibt, daß die Hinterkante (17) zwei bis fünf Mal näher an der Welle liegt als die Vorderkante (13).

22. Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Lager aus Kunststoff aufgebaut ist.

23. Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Lager aus einem keramischen Werkstoff aufgebaut ist.

24. Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Lager aus Bronze aufgebaut ist.

25. Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Lager aus einem gesinterten Pulvermetall hergestellt ist.

26. Lager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Lager einen flüssigen Schmierstoff aufweist, der sich innerhalb der Stützstruktur befindet.

27. Lager nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützstruktur jedes Lagerpolster (12) so abstützt, daß das Lagerpolster eine vorbestimmte radiale Steifigkeit aufweist, wobei sich ein Fluidfilm zwischen der Lagerpolsterstirnfläche und der Welle befindet, der eine charakteristische radiale Steifigkeit hat, wobei die radiale Steifigkeit des Fluidfilms größer als die radiale Steifigkeit der Lagerpolster ist, so daß der Fluidfilm die Lagerpolster dazu veranlaßt, bei Drehung der Welle radial auswärts nachzugeben.

28. Verfahren zum Herstellen eines Lagers nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die Schritte umfaßt, einen zylindrischen Rohling mit einer Mittelachse herzustellen, eine zentrale Bohrung in dem zylindrischen Rohling auszubilden, wobei die Mittelachse der Bohrung mit der Achse des zylindrischen Rohlings übereinstimmt, und eine Anzahl von Schlitzen in dem zylindrischen Rohling auszubilden, um eine Anzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Lagerpolstern (12) zu bilden, die radial einwärts und auswärts von der Mittelachse beweglich sind, um die die zentrale Bohrung ausgebildet ist.

29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Schlitzen in dem zylindrischen Rohling ausgebildet werden, um eine einteilige Stützstruktur zum Abstützen eines jeden aus der Mehrzahl von Lagerpolstern zu bilden.

30. Verfahren nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von Schlitzen in dem zylindrischen Rohling ausgebildet wird, um eine Stützstruktur zum Abstützen des Lagerpolsters zur Bewegung mit sechs Freiheitsgraden zu bilden.

31. Verfahren nach Anspruch 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze durch elektrische Entladungsbearbeitung hergestellt werden.

32. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze durch Laserschneiden hergestellt werden.

33. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Bohrung und die Schlitze durch Gießen hergestellt werden.

34. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Bohrung und die Schlitze durch Spritzgießen hergestellt werden.

35. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Bohrung und die Schlitze durch Pulvermetall-Formgießen mit Sintern hergestellt werden.

36. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Bohrung und die Schlitze durch Extrusion hergestellt werden.

37. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 36, dadurch gekennzeichnet, daß eine Nut um den Umfang des zylindrischen Rohlings ausgebildet wird, die sich radial einwärts von der Außenseite des Rohlings erstreckt.

38. Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 39, dadurch gekennzeichnet, daß symmetrische, einander gegenüberstehende Nuten auf den gegenüberstehenden kreisförmigen Flächen des zylindrischen Rohlings ausgebildet werden.