DE68923221T2

DE68923221T2 - Lager mit auf Trägern befestigten Lagerkissen und ihre Herstellungsverfahren.

Info

Publication number: DE68923221T2
Application number: DE68923221T
Authority: DE
Inventors: Russell D Ide
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-05-27
Filing date: 1989-05-24
Publication date: 1995-11-16
Anticipated expiration: 2009-05-25
Also published as: PT90671A; JPH0276924A; DE68923221D1; JP2745067B2; ATE124507T1; BR8904390A; PT90671B; AR243977A1; MX171668B; DK257189A; ZA898086B; DK257189D0

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf hydrodynamische Lager. In solchen Lagern wird ein rotierendes Objekt, wie beispielsweise eine Helle, durch ein stationäres Lagerkissen über ein unter Druck gesetztes Fluid, wie beispielsweise Öl, Luft oder Wasser, getragen. Hydrodynamische Lager machen von dem Vorteil Gebrauch, daß dann, wenn sich das rotierende Objekt bewegt, es nicht entlang der Oberfläche des Fluids gleitet. Anstelle hiervon klebt das Fluid in Kontakt mit dem rotierenden Objekt fest an dem rotierenden Objekt an und die Bewegung wird durch einen Schlupf oder ein Scheren zwischen den Fluidteilchen über die gesamte Höhe des Fluidfilms vorgenommen. Demzufolge nimmt, falls sich das rotierende Objekt und die kontaktierende Schicht des Fluids unter einer Geschwindigkeit bewegen, die bekannt ist, die Geschwindigkeit an Zwischenhöhen der Fluiddicke unter einer bekannten Rate ab, bis der Film in Kontakt mit dem stationären Lagerkissen an dem Lagerkissen anhaftet und bewegungslos ist. Wenn sich aufgrund der Last, die von dessen Tragen des sich rotierenden Objekts resultiert, das Lagerkissen unter einem kleinen Winkel zu dem sich rotierenden Teil abgelenkt wird, wirdeine keilförmige Öffnung gebildet und das Fluid wird in die keilförmig geformte Öffnung hineingezogen und ein ausreichender Druck wird in dem Fluidfilm erzeugt, um die Last zu tragen. Diese Tatsache wird bei Axiallagern für hydraulische Turbinen- und Propellerwellen von Schiffen ebenso wie in herkömmlichen, hydrodynamischen Achslagern ausgenutzt.
Sowohl Axiallager als auch Radial-Achslager sind normalerweise durch Wellentragekissen gekennzeichnet, die um eine Achse beabstandet sind. Die Achsen, um die die Kissen beabstandet sind, entsprechen allgemein der Längsachse der Welle, die sowohl bei Axial- als auch Achslagern getragen werden soll. Diese Achse kann als Hauptachse bezeichnet werden.
In einem idealen, hydrodynamischen Lager erstreckt sich der hydrodynamische Keil über die gesamte Lagerkissenfläche, der Fluidfilm ist gerade dick genug, um die Last zu tragen, die Hauptachse des Lagers und die Achsen der Wellen sind zueinander ausgerichtet, eine Leckage von Fluid aus den Enden der Lagerkissenoberfläche, die sich benachbart zu der voranführenden und nachlaufenden Kante befindet, wird minimiert, der Fluidfilm wird entwickelt, sowie die Welle beginnt zu rotieren, und, in dem Fall von Axiallagern, sind die Lagerkissen gleich belastet. Während ein ideales, hydrodynamisches Lager bis jetzt noch nicht erreicht worden ist, ist ein Lager, das im wesentlichen jede dieser Aufgaben erfüllt, dasjenige, das so aufgebaut ist, um eine hydrodynamische Keilbildung zu optimieren.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf hydrodynamische Axiallager, die manchmal auch als bewegbare Kissenlager bekannt sind, und auf die Verfahren zur Herstellung von diesen. Allgemein werden diese Lager derart befestigt, daß sie sich so bewegen können, um die Bildung eines keilförmigen Films des Schmiermittels zwischen den sich relativ zueinander bewegenden Keilen zuzulassen. Da übermäßiges Fluid eine unerwünschte Reibung und Energieverluste bewirkt, ist die Fluiddicke vorzugsweise gerade ausreichend, um die maximale Last zu tragen. Dies ist dann der Fall, wenn die Bildung des Keils optimiert ist. Im wesentlichen verschiebt sich das Kissen mit einem sich schwenkenden oder schwingenden Bewegungstyp um eine Mitte, die vor der Kissenoberfläche angeordnet ist, und die Lagerreibung tendiert dazu, den Keil zu öffnen. Wenn die Bildung des Keils optimiert ist, erstreckt sich der Keil über die gesamte Kissenfläche. Weiterhin wird der Keil unter der niedrigsten, möglichen Geschwindigkeit gebildet, idealerweise sobald die Welle beginnt zu rotieren.
In bekannten radialen Lagern vom Kissentyp wurde bisher angenommen, daß es notwendig ist, einen genau bestimmten Freiraum zwischen dem Lager und dem sich rotierenden Objekt, das getragen wird, zu bilden, um so eine geeignete Ablenkung der Lagerkissen zu ermöglichen, um den hydrodynamischen Keil zu bilden. Das Erfordernis enger Toleranzen ist besonders mühsam bei der Herstellung von mit Gas geschmierten Lagern. Ein anderes Problem mit Gas geschmierten Lagern ist das Abreißen bzw. Zusammenbrechen des Fluidfilms unter hohen Geschwindigkeiten. Diese Probleme haben die Verwendung gasgeschmierter, hydrodynamischer Lager beschränkt.
Die US-A-3,107,955 (Trumpler) offenbart ein Beispiel eines Lagers, das stegbefestigte Lagerkissen besitzt, die sich mit einem sich schwenkenden oder schwingenden Bewegungstyp um die Mitte, die vor der Kissenoberfläche angeordnet ist, verschieben. Dieses Lager, ähnlich vielen Lagern nach dem Stand der Technik, basiert auf nur einem zweidimensionalen Modell einer Kissenablenkung. Demzufolge wird eine optimale Keilbildung nicht erreicht.
In der US-A-2,137,487 (Hall) ist ein hydrodynamisch bewegbares Kissenlager dargestellt, das seinen hydrodynamischen Keil durch Gleiten seines Kissens entlang sphärischer Oberflächen aufbaut. In vielen Fällen verklemmt sich das Kissen und der entsprechende Keil kann nicht aufgebaut werden. In der US-A-3,930,691 (Greene) wird die kippende Bewegung durch Elastomere erzielt, die Gegenstand einer Kontamination und einer Beschädigung sein können.
Die US-A-4,099,799 (Etsion) offenbart ein nicht unitären, an einer Konsole befestigtes, elastisches Kissengaslager. Das offenbarte Lager setzt ein Kissen ein, das an einem rechteckigen Konsolensteg befestigt ist, um einen schmierenden Keil zwischen der Kissenoberfläche und der rotierenden Welle zu erzeugen. Sowohl Axiallager als auch Radial- oder Achslager werden offenbart.
In der US-A-4,496,251 (Ide) ist ein Kissen dargestellt, das sich mit rippenähnlichen Bändern so ablenkt, daß ein keilförmiger Film eines Schmiermittels zwischen den sich relativ zueinander bewegenden Keilen gebildet wird.
Die US-A-4,515,486 offenbart hydrodynamische Axial- und Achslager, die eine Anzahl Lagerkissen aufweisen, von denen jedes ein Flächenteil und ein Trageteil besitzt, die getrennt sind und miteinander durch ein elastomeres Material verbunden sind.
Die US-A-4,526,482 offenbart hydrodynamische Lager, die primär zu Zwecken geschmierter Anwendungen vorgesehen sind, d.h. das Lager ist dazu vorgesehen, in einem Fluid zu arbeiten. Die hydrodynamischen Lager sind mit einem Wittelabschnitt einer die Last tragenden Oberfläche gebildet, die nachgiebiger als der Rest der Lager ist, derart, daß sie sich unter Last ablenken und eine Drucktasche eines Fluids bilden, um hohe Lasten zu tragen.
Es ist auch in der US-A-4,676,668 (Ide) angemerkt worden, daß Lagerkissen von den Trageteilen durch mindestens einen Schenkel beabstandet werden können, der eine Flexibilität in drei Richtungen liefert. Um eine Flexibilität in der Ebene einer Bewegung zu liefern, sind die Schenkel nach innen angewinkelt, um eine konische Form mit dem Scheitelpunkt des Konus oder des Schnittpunkts vor der Kissenoberfläche zu bilden. Jeder Schenkel besitzt ein Widerstandsmoment, das relativ klein in der Richtung der erwünschten Bewegung ist, um eine Kompensation hinsichtlich Fehlausrichtungen zu ermöglichen. Diese Lehren sind sowohl auf Achs- als auch auf Axiallager anwendbar. Während die Offenbarung dieses Patents einen wesentlichen Fortschritt im Stand der Technik darstellt, besitzt sie einige Nachteile. Ein solcher Nachteil ist die Steifigkeit der Tragestruktur und des Lagerkissens, die eine Deformation der Kissenoberfläche verhindert. Weiterhin ist der Lageraufbau nicht unitär.
Die letzten zwei Patente sind von besonderem Interesse, da sie demonstrieren, daß trotz der vorhandenen und signifikanten Unterschiede zwischen Axial- und Achslagern eine gewisse konzeptmäßige Änlichkeit zwischen hydrodynamischen Achslagern und hydrodynamischen Axiallagern vorhanden ist.
Diese Erfindung bezieht sich insbesondere auf hydrodynamische Axiallager. Wenn der hydrodynamische Keil in solchen Lagern optimiert ist, ist die Last an jedem der umfangsmäßig beabstandeten Lagerkissen im wesentlichen gleich.
Derzeit ist das am häufigsten verwendete, hydrodynamische Axiallager das sogenannte Kingsbury-Lager vom Schuh-Typ. Das Kingsbury-Lager vom Schuh-Typ ist durch eine komplexe Struktur gekennzeichnet, die schwenkbare Schuhe, eine Axialschulter bzw. einen Axialkragen, der mit der Welle rotiert und eine Last auf die Schuhe aufbringt, einen Basisring zum Tragen der Schuhe, ein Gehäuse oder eine Befestigung, die die inneren Lagerelemente enthält und trägt, ein schmierendes System und ein Kühlsystem umfaßt. Als Folge dieser komplexen Struktur sind die Kingsbury-Lager vom Schuh-Typ typischerweise übermäßig teuer.
Eine Alternative zu dem komplexen Kingsbury-Lager vom Schuh-Typ sind die unitären Stehlager, die in den Figuren 19-20 der beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. Dieses Lager ist unter anderem in Tiefbrunnenpumpen eingesetzt worden. Diese relativ einfache Struktur wird typischerweise durch Sandformguß oder einebest bestimmte andere Rohformherstelltechnik gebildet, da bisher spezifische Dimensionen nicht als wichtig angesehen worden sind. Wie in den Figuren 19 und 20 dargestellt ist, ist das Lager strukturell durch eine flache Basis 36PA, die einen dickeren, inneren, umfangsmäßigen Vorsprung 38PA besitzt, eine Mehrzahl steifer Gestelle 34PA, die sich quer von der Basis erstrecken, und ein Axialkissen 32PA, das an jedem steifen Gestell zentriert ist, gekennzeichnet.
Die Figur 20A stellt schematisch die Ablenkung des Lagers der Figuren 19-20 in Abhängigkeit einer Bewegung des gegenüberliegenden Axialläufers in Richtung des Pfeils L dar. In Figur 20(A) ist die abgelenkte Position (stark übertrieben) in durchgezogenen Linien dargestellt und die nicht abgelenkte Position ist angedeutet dargestellt. Die Kurve PD in Figur 20(A) stellt die Druckverteilung über die Fläche des Kissens dar. Unter Last lenken sich die Kissen um die steifen Gestelle in einer schirdhnlichen Xeise ab, wie dies in Figur 20(A) dargestellt ist. Trotz dieser schirmähnlichen Ablenkung wird nur ein hydrodynamischer Keil gebildet. Demzufolge ist eine ungleichmäßige Verteilung des Drucks über die Fläche des Kissens vorhanden, wie dies in Figur 20(A) dargestellt ist. Deimzufolge besitzt das Lager einen proportional geringeren hydrodynamischen Vorteil, verglichen mit einem Lager, in dem ein hydrodynamischer Keil über die gesamte axiale Kissenfläche gebildet wird. Weiterhin verhindert die Steifigkeit der Gestelle und die flache, unflexible Basis Ablenkungen, die notwendig sind, um die Keilformation zu optimieren. Das Vorstehende kann erklären, warum Lager des Typs, der in den Figuren 19-20 dargestellt ist, während sie billiger als Kingsbury-Lager sind, als weniger effektiv und geeignet und demzufolge weniger erfolgreich als die Lager vom Schuh-Typ erkannt wurden.
Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat auch festgestellt, daß die mittige Schwenknatur sowohl des Lagers, das in den Figuren 19-20 dargestellt ist, als auch des Kingsbury-Lagers vom Schuh-Typ zu einer Lagerineffektivität beitragen. Es sollte angemerkt werden, daß sich, aufgrund der steifen Mittenschwenklager weder die Kingsbury-Lager vom Schuh-Typ noch die Lager, die in den Figuren 19-20 dargestellt sind, mit sechs Freiheitsgraden ablenken können, um eine Keilbildung zu optimieren. Demzufolge sind, während in einigen Fällen die Lager nach dem Stand der Technik für eine Bewegung mit sechs Freiheitsgraden in der Lage sind, da die Lager nicht basierend auf oder aufgebaut für sechs Freiheitsgrade erstellt sind, die sich ergebenden Funktionseigenschaften dieser Lager begrenzt.
Die gattungsgemäße FR-A-1 010 959 offenbart eine hydrodynamische Axiallagerkonstruktion, die sich mit dem Problem einer ungleichen Verteilung einer Axiallast unter den Lagerkissen befaßt. In einer Form dieser Lagerkonstruktion wird jedes Lagerkissen an einem kürzeren kissen- oder stegähnlichen, primären Bereich getragen, der wiederum durch einen ringförmigen, plattenähnlichen, sekundären Bereich getragen wird, der an seiner Seite gegenüberliegend den Lagerkissen einen Satz Füße, die einen tertiären Tragebereich bilden, besitzt und in einer Fünfpunktbeziehung zu den stegähnlichen, primären Bereichen angeordnet ist. Der plattenähnliche, sekundäre Bereich ist wellenförmig und die primären Bereiche sind in den niedrigsten Teilen (Trögen) an deren Seite des sekundären Bereichs angeordnet, während die Füße entsprechend in den Trögen an der entgegengesetzten Seite angeordnet sind und demzufolge an den Scheiteln der Wellen auf der Seite, die die Lagerkissen trägt. Der sekundäre Bereich besitzt demzufolge eine gewisse Flexibilität in der Richtung der Axiallasten, die durch die Lagerkissen getragen werden, und kann diesen ermöglichen, sich in der Richtung abzulenken, um deren Belastungen zu egalisieren. Die Lagerkissen und deren Tragestruktur, die den primären, sekundären und tertiären Bereich aufweisen, sind unitär.
Hydrodynamische Lager nach dem Stand der Technik leiden oftmals unter einer Fluidleckage, die einen Zusammenbruch des Fluidfilms verursachen. In radialen Lagern tritt die Leckage primär an den axialen Enden der Lagerkissenoberfläche auf. In Axiallagern tritt die Leckage primär an der äußeren, umfangsmäßigen Peripherie der Kissenoberfläche als Folge von Zentrifugalkräften auf, die auf das Fluid einwirken. Wenn eine Keilbildung optimiert wird, wird die Fluidleckage minimiert.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung offenbart ein Axial- oder kombiniertes Radial-Axiallager vom Kissentyp, eine Anordnung, die selbiges umfaßt, und ein Verfahren zum Herstellen desselben, wie dies in den beigefügten Ansprüchen definiert ist. Das Lager vom Kissentyp ist vorzugsweise aus einem einzelnen Stück eines dickwandigen Rohres oder zylindrischen Achsstücks gebildet, das mit kleinen Nuten und Schlitzen, Bohrungen oder Einschnitten durch oder an der Lagerwand spanabhebend bearbeitet oder gebildet worden ist, um eine Vielzahl Axialkissen unitär mit einer Tragestruktur festzulegen, die zum Tragen der Kissen für eine Bewegung in den sechs Freiheitsgraden (d.h. einer Translation oder Bewegung in der +x, -x, +y, -y, +z und -z -Richtung und einer Drehung um die X-, Y- und Z-Achse) geeignet ist, um so die Bildung eines hydrodynamischen Keils zu optimieren.
Die Lager der vorliegenden Erfindung sind in drei Dimensionen aufgebaut, um eine Ablenkung mit sechs Freiheitsgraden zu schaffen, um so eine optimale Keilbildung zu allen Zeiten sicherzustellen. Insbesondere ist festgestellt worden, daß ein hydrodynamisches Lager am effektivsten dann arbeitet, wenn der hydrodynamische Keil verschiedene Charakteristika besitzt. Insbesondere sollte sich der Keil über die gesamte Kissenoberfläche erstrecken: der Keil sollte eine geeignete Dicke zu allen Zeitpunkten haben; der Keil sollte so geformt sein, um eine Fluidleckage zu minimieren; der Keil sollte Fehlausrichtungen aufnehmen, so daß die Hauptachse des Lagers kolinear und im wesentlichen parallel zu der Achse der Welle ist; und der Keil sollte unter der niedrigsten Geschwindigkeit, die möglich ist, gebildet werden, um eine Beschädigung der den Keil bildenden Oberfläche zu verhindern, die allgemein als Folge eines Kontakts zwischen der Wellen- und Kissenoberfläche unter niedrigen Geschwindigkeiten auftritt. Weiterhin sollte mit Axiallagern die Belastung unter den beabstandeten Lagerkissen gleich sein.
Hinsichtlich der Dicke des Fluidfilms sollte verständlich werden, daß die optimale Dicke mit der Belastung variiert. Unter hoher oder starker Belastung ist ein relativ dicker Fluidfilm erwünscht, um geeignet die Last zu tragen. Allerdings erhöhen dickere Filme eine Reibung und einen Leistungsverlust. Demzufolge sind Lager bevorzugt, die so aufgebaut sind, um die minimale Filmdicke zu liefern, die zum Tragen der Welle unter maximaler Last notwendig ist.
Die Tragestruktur ist unitär und weist Tragestümpfe, Stege und-oder Membrane auf, die mit einem Gehäuse verbunden sind, das manchmal durch ein Gehäuse festgelegt ist, in dem das Lager befestigt ist.
Der Erfinder hat festgestellt, daß es in vielen spezifischen Anwendungen, wie beispielsweise in Hochgeschwindigkeitsanwendungen, notwendig ist, die dynamische Flexibilität des gesamten Systems zu prüfen und abzuschätzen, das aus der Welle oder dem Rotor, dem hydrodynamischen, schmierenden Film und dem Lager besteht. In einer Computeranalyse dieses Systems, unter Verwendung eines Finite-Elementen-Modells, ist bestimmt worden, daß es notwendig ist, das gesamte Lager als ein vollständig flexibles Teil zu behandeln, das seine Form unter betriebsmäßigen Lasten ändert. Durch Hinzufügen einer stärkeren oder geringeren Flexibilität über eine spanabhebende Bearbeitung der Basisstruktur können Lagercharakteristika erreicht werden, die einen stabilen Betrieb mit niedriger Reibung über weite Betriebsbereiche liefern. Eine Anzahl von Variablen wurde gefunden, die im wesentlichen die Funktionscharakteristika des Lagers beeinflussen. Unter den wichtigsten Variablen sind die Form, die Größe, die Stellen und die Materialcharakteristika (z.B. Elastizitätsmodul, usw.) des Kissens und der Trageteile, die durch die Bohrungen, Schlitze, Einschnitte und Nuten, die in dem Lager gebildet sind, festgelegt sind, zu nennen. Die Form der Trageteile ist als besonders wichtig herausgefunden worden. Auch durch eine Fluidabstützung der flexiblen Teile kann ein hoher Grad einer Dämpfung erreicht werden, der weiterhin zu der Systemstabilität beiträgt. In einigen Fällen hat diese Dämpfung eine sekundäre Preßfilmdämpfung ersetzt, die dann vorhanden ist, wenn der Ölfilm zwischen der Umhüllung des Lagers und des Gehäuses vorhanden ist.
Der Erfinder hat auch entdeckt, daß hinsichtlich gas- oder luftgeschmierter Lager mit Ablenkungskissen Fälle vorhanden sind, wo Lasten oder Geschwindigkeiten die Fähigkeit eines Gasfilms übersteigen. In diesen Fällen ist es notwendig, ein Schmiermittel eines flüssigen Typs in den konvergierenden Keil ohne Vorsehung eines Flüssigkeitsreservoirs oder eines Bads einzuführen. Die vorliegende Erfindung liefert ein Lager, das dieses Problem durch Vorsehung eines flüssigen Schmiermittels dann löst, wenn dies notwendig ist.
Spezifische Anwendungen der Lager der vorliegenden Erfindung umfassen elektrische Motoren, Lüfter, Turbolader, Brennkraftmotoren, Außenbordmotoren und Kompressoren/Expansionseinrichtungen. Testgeschwindigkeiten haben 300.000 U-min überschritten. Es ist anzumerken, daß die Einschnitte, Nuten und Öffnungen zusätzlich, um dem Lagerkissen zu ermöglichen, sich zu bewegen, einen konvergierenden Keil für eine hydrodynamische Schmierung bilden, um dem Kissen selbst zu ermöglichen, sich abzulenken und die Form durch zum Beispiel eine Abflachung zu verändern. Dies verbessert die Betriebsfunktion unter anderem durch Änderung der Exzentrizität des Lagers.
Die Lager können aus Metallen, pulverisierten Metallen, Kunststoffen, Keramiken oder Komposits hergestellt sein. Wenn sie in kleinen Mengen hergestellt werden, werden die Lager typischerweise durch Plandrehen, Drehbearbeiten und Fräsen der Rohlinge spanabhebend bearbeitet, um größere Nuten oder Öffnungen zu bilden; kleinere Nuten werden durch Wasserstrahlschneiden, spanabhebende Verfahren mittels elektrischer Entladung oder Laser gebildet, um eine Gesamtaufbauflexibilität zu ermöglichen, um das Lager so abzustimmen, um die erwünschten Charakteristika zu erzielen. Eine Abstimmung wird im wesentlichen eine Änderung der Steifheit umfassen, die wiederum Vibrationen vermeidet. Eine Herstellung größerer Mengen eines einzelnen Lager-Typs wird vorzugsweise durch Spritzgießen, Extrusion, Pulvermetall-Druckgießen, Formguß oder einige ähnliche Herstelltechniken durchgeführt. Gemäß einem Gedanken der vorliegenden Erfindung werden Zwischenmengen von Lagern gemäß einem neuartigen Verfahren hergestellt, das spanabhebende Bearbeitung und Formgußtechnik-Techniken kombiniert. Die vorliegende Erfindung befaßt sich auch mit einfach gießbaren Lagern, die keine überdeckten bzw. hinterschnittenen Öffnungen der Art besitzen, daß sie in einer einfachen, zweistückigen Gießform gegossen werden können. Allgemein können die Lager der vorliegenden Erfindung unter einem Bruchteil der Kosten vergleichbarer Lager hergestellt werden.
Im Gegensatz zu Lagern des Kissentyps, die eine Tragestruktur besitzen, die im wesentlichen in der Richtung der Last orientiert ist, liefert die vorliegende Erfindung eine Orientierung, die vergleichbare Ablenkungen innerhalb einer kleineren Umhüllung liefert, die eine Bewegung des Lagerkissens in irgendeiner Richtung ermöglicht (d.h. sechs Freiheitsgrade), um eine konvergierende Keilform zu bilden; die dem Kissen selbst ermöglicht, seine Form zu ändern (z.B. abzuflachen), um die Funktion zu verbessern; die die Entwicklung eines Membrandämpfungssystems für eine verbesserte Stabilität ermöglicht; und die den Lagern ermöglicht, eine Fehlausrichtung des getragenen Teils oder der Welle zu kompensieren, um eine Belastung unter den Lagerkissen zu egalisieren. Alle diese Charakteristika tragen zu der Bildung eines optimalen, hydrodynamischen Keils bei.
Während eine Anzahl Anordnungen von Bohrungen, Nuten, Einschnitten oder Schlitzen vorhanden ist, sind primär zwei Moden von Ablenkungen vorhanden, nämlich eine oder mehrere Bänder oder Membrane, die sich in der allgemeinen Richtung der Last in einem Biegemodus ablenken, und zweitens durch torsionsmäßige Ablenkung in einem Steg oder einer Membran in einer Richtung, die sich von dem Kissen entlang der Längsachse der Welle in Achslagern erstrecken. Der Grad einer Ablenkung in dem Biegemodus ist teilweise eine Funktion der Steifheit der Tragestruktur. Das Kissen selbst kann so hergestellt werden, um sich unter einer Last abzulenken, um eine unterschiedliche Form durch Bildung innerer Einschnitte unterhalb des Kissen oder durch Hinterschneiden der Kanten des Kissens zu bilden. In jedem Fall werden die Einschnitte spezifisch hergestellt, um zu einer vorbestimmten Form unter Last zu führen. Durch Umgeben oder Abstützen bestimmter Bänder oder Membrane mit einem schmierenden Fluid kann ein Dämpfungselement zu dem Aufbau hinzugefügt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Erfordernis enger Toleranzen zwischen dem Lagerkissen und dem Wellenbereich, der getragen werden soll, durch Dimensionierung des Lagers so, um die Beabstandung zwischen dem Lagerkissen und dem Wellenbereich, das getragen werden soll, zu eliminieren, vermieden werden, während zur gleichen Zeit eine Dimensionierung der Tragestruktur derart erfolgt, daß die axiale Steifheit des Lagers geringer als die entsprechende Steifheit des Fluidfilms des tragenden Fluids ist. Entweder das gesamte Kissen oder nur ein Bereich davon können in Kontakt mit der Welle vorgespannt werden. Zum Beispiel kann es bei extrem flexiblen Lagern erwünscht sein, das gesamte Lagerkissen in Kontakt mit der Welle vorzuverdrillen. Andererseits ist es in einigen Fällen von Vorteil, nur die nachlaufende Kante des Lagerkissens in Kontakt mit der Welle vorzuverdrillen, um so einen hydrodynamischen Keil festzulegen. Demzufolge können die Lager der vorliegenden Erfindung so aufgebaut werden, daß sie einen Zwischenpaßsitz haben, wenn sie an der Welle installiert werden. In einer anderen Ausführungsform lenkt sich, da das Lager auf die Welle gedrückt wird, die Kissentragestruktur geringfügig so ab, um eine konvergierende Keilform zu bilden, während sie sich in der installierten, statischen Position in einem Kontakt zwischen dem Lagerkissen und der Melle an der nachlaufenden Kante befindet. In einem solchen Fall, wo das Lager so aufgebaut ist, um einen statisch belasteten Keil zu bilden, wird eine geeignete Beabstandung zwischen dem Kissen und der Welle anfänglich unter Drehung der Welle aufgrund der Steifheit des Fluidfilms eingerichtet. Dies rührt daher, daß der Fluidfilm in den Keil eintritt und einen Fluiddruck aufbaut, der eine Separation der Welle und des Kissens bewirkt. Genauer gesagt bewirkt das relativ steife Fluid, daß sich die relativ flexible Stegtragestruktur ablenkt, bis die Steifheit der Tragestruktur gleich der Fluidfilmsteifheit ist. Die anfängliche Bildung des Fluidfilms schützt die Oberfläche des Lagerkissens gegen eine Beschädigung, die unter niedrigen Anlaufgeschwindigkeiten auftritt, wenn dort kein direkter Kontakt zwischen dem Kissen und der Welle vorhanden ist.
Zwischenpaßlager des vorstehend angegebenen Typs ermöglichen eine viel größere Variation in den spanabhebende Bearbeitungstoleranzen. Zum Beispiel kann eine relativ große Variation (z.B. 0,07 mm (0,003 Inch), in dem Zwischenpaßsitz so gewählt werden, daß sie einen wesentlichen Einfluß auf den Keil hat. Dies ist besonders kritisch für gasgeschmierte Lager, wo Lager nach dem Stand der Technik eine außerordentlich präzise spanabhebende Bearbeitung für einen ornungsgemäßen Betrieb erfordern. Die vorliegende Erfindung mindert spanabhebende Bearbeitungsanforderungen.
Ähnlich können axiale Lager der vorliegenden Erfindung so aufgebaut werden, um einen statisch belasteten Keil zu bilden. Insbesondere können die Axiallager der vorliegenden Erfindung so aufgebaut werden, daß die Lagerkissen so vorgespannt werden, daß sich die innere Umfangskante des Lagerkissens von der Welle weg erstreckt und so, daß sich die nachlaufende Kante zu der Welle hin erstreckt. Mit dieser Anordnung wölbt sich in dem statisch belasteten Zustand das Lagerkissen zu der Welle in der radialen Richtung hin (wenn es sich nach außen von der Achse bewegt). Weiterhin biegt sich das Lagerkissen zu der Welle von der voranführenden Kante zu der nachlaufenden Kante hin. Auf diese Art und Weise wird ein statisch belasteter Keil, der sich dem optimalen Keil annähert, gebildet und eine geeignete Beabstandung zwischen den Kissen und der Welle wird zu Anfang der Rotation der Welle eingerichtet.
In den Lagern der vorliegenden Erfindung kann die Kissenbewegung zu der Welle hin gerichtet werden, um die Wellenstellung zu halten und dem Kissen die Fähigkeit zu verleihen, sich hinsichtlich einer Fehlausrichtung der Welle und einer ungleichmäßigen Belastung unter den Kissen einzustellen. Natürlich kann die vorliegende Erfindung auf axiale oder kombinierte radiale und axiale Formen von Lagern angewandt werden und kann ein- oder zweidimensional in seiner Natur sein, und zwar in Abhängigkeit von der Konfiguration des Lagers. Genauer gesagt wird, falls die Lagertragestruktur symmetrisch um die Umfangsmittellinie der Lagerkissen ist, das Lager bidirektionell sein, d.h. geeignet zum Tragen einer Welle für eine Drehung in zwei Richtungen in einer identischen Art und Weise sein. Allerdings wird sich, falls die Lagertragestruktur nicht symmetrisch um die Umfangsmittellinie des Lagerkissens ist, das Lager unterschiedlich ablenken, wenn eine Welle für eine Drehung in einer ersten Richtung getragen wird, und zwar verglichen mit einer Drehung in der entgegengesetzten Richtung.
Das charakteristische Merkmal der Lager der vorliegenden Erfindung ist dasjenige, daß die Lagerkissen für eine Ablenkung so getragen werden, um das hydrodynamische Fluid zurückzuhalten, wodurch demzufolge das Problem einer Fluidleckage beseitig wird. Demzufolge wird das Kissen so getragen, um sich zu dem inneren Durchmesser des Lagers unter Last zu verkippen, um so eine zentrifugale Leckage zu verhindern. Allgemein wird dies durch die primäre Tragestruktur erreicht, die mindestens einen Träger besitzt, der das Lagerkissen an einer Stelle näher zu dem äußeren Durchmesser des Lagers trägt als zu dem inneren Durchmesser des Lagers. Wenn die primäre Tragestruktur zwei oder mehr radial beabstandeter Stege umfaßt, muß die Gesamttragestruktur so aufgebaut werden, um eine Ablenkung des Lagerkissens an dem inneren Ende zu bewirken. Weiterhin wird, wenn das Lagerkissen durch eine Vielzahl radial beabstandeter Stege getragen wird und der Bereich zwischen den Stegen nicht direkt getragen wird, das Kissen dazu tendieren, sich so abzulenken um einen konkaven, Fluid aufnehmenden Kanal zu bilden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird auch eine Anzahl Verfahren zur Herstellung der Lager der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen. Die Auswahl eines bestimmten Herstellverfahrens hängt in großem Umfang von der Menge des bestimmten Lagers, das hergestellt werden soll, und den Materialien, die verwendet werden, ab. In Anwendungen mit niedrigen Stückzahlen oder dann, wenn es erwünscht ist, Prototypen zum Testen und/oder zum Herstellen von Gießformen oder dergleichen herzustellen, werden die Lager vorzugsweise aus metallischen, zylindrischen Rohlingen hergestellt, wie beispielsweise aus einem dickwandigen Rohr oder anderen Achsstücken, die spanabhebend bearbeitet werden, um radiale und/oder Oberflächenbohrungen oder Nuten zu bilden, und die mit radialen Einschnitten oder Schlitzen durch entweder numerisch gesteuerte, elektrische Entladungsherstelltechniken, numerisch gesteuerte Laserschneidtechniken oder durch numerisch gesteuertes Wasserstrahlschneiden gebildet werden. Bei mittleren Stückzahlen werden die Lager der vorliegenden Erfindung vorzugsweise unter Verwendung eines Formgußverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt. Bei Anwendungen mit hohen Stückzahlen können die Lager der vorliegenden Erfindung unter Verwendung einer breiten Vielfalt von Waterialien, wie beispielsweise Kunststoffe, Keramiken, pulverisierte und nicht pulverisierte Metalle und Komposits, hergestellt werden. In Anwendungen mit hohen Stückzahlen kann eine Anzahl Herstellverfahren, die Spritzgießen, Druckgießen, Pulvermetall, Druckgießen und Extrusion umfassen, ökononisch eingesetzt werden. Die Lager der vorliegenden Erfindung können in einer Form hergestellt werden, die leicht gießbar ist.
Kurz gesagt bezieht sich die Erfindung auf axiale und zusammengesetzte, radiale und axiale, hydrodynamische Lager, wie sie im Anspruch 1 definiert sind, und Anordnungen, die dasselbe umfassen, wie sie in Anspruch 27 definiert sind, djie sich wesentlich besser verhalten als bekannte Lager und Anordnungen und unter einem Bruchteil der Kosten vergleichbarer Lager hergestellt können.
Die Erfidung bezieht sich auch auf ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung eines Lagers, wie es im Anspruch 28 festgelegt ist, das die Bildung eines zylindrischen Rohlings, der eine zentrale Achse; die Bildung einer zentralen Bohrung in dem zylindrischen Rohling, wobei die zentrale Bohrung eine zentrale Achse besitzt, die mit der Achse des zylindrischen Rohlings übereinstimmt; spanabhebende Bearbeitung des zylindrischen Rohlings, um eine Mehrzahl umfangsmäßig beabstandeter Lagerkissen und eine unitäre Tragestruktur festzulegen, die die Lagerkissen für eine Bewegung mit sechs Freiheitsgraden trägt, um so eine Keilbildung zu optimieren, umfaßt.
Es ist vorteilhaft für dieses Verfahren, wenn der zylindrische Rohling durch spanabhebende Bearbeitung mittels elektrischer Entladung, Laserschneiden oder Wasserstrahlschneiden bearbeitet wird.
Der spanabhebend bearbeitete, zylindrische Rohling kann als Modell zum Formen des Lagers mit verschiedenen Techniken, einschließlich Druckgießen, Spritzgießen, Pulvermetallformung und Sinterung, verwendet werden.
Vorteilhaft weist das Verfahren weiterhin den Schritt der Bildung einer radialen Mut um den Umfang des zylindrischen Rohlings auf.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist auch vorteilhaft den Schritt der Bildung einer Flächennut an einer der gegenüberliegenden, kreisförmigen Flächen des zylindrischen Rohlings auf.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist zusätzlich die Schritte des Einhüllens des spanabhebend bearbeiteten, zylindrischen Rohlings in geschmolzenem Gummi, Zulassen, daß sich der Gummi aushärtet, Teilen des Gummis, Entfernen des spanabhebend bearbeiteten, zylindrischen Rohlings, um eine offene Gießform zu erhalten, Einfüllen von geschmolzenem Wachs in die Gummigießform, Zulassen, daß sich das Wachs zu einem Wachsformkern aushärtet, Entfernen des Wachsformkerns aus der Gummigießform, Einhüllen des Wachskerns in flüssigem Gips, Zulassen, daß sich der Gips härtet, um so eine Gipsgießform zu bilden, Bilden mindestens einer Öffnung in der Gipsgießform, Einfüllen geschmolzenen Lagermaterials in die Gipsgießform, um so den Hachsformkern auszuschmelzen und das geschmolzene Wachs durch geschmolzenes Lagermaterial zu ersetzen, Zulassen, daß sich das geschmolzene Lagermaterial aushärtet, und Entfernen des Gipses von dem ausgehärteten Lagermaterial, auf.
Ein weiterer, vorteilhafter Schritt weist das Auffüllen der Zwischenräume zwischen den Lagerkissen und den Öffnungen innerhalb der unitären Tragestruktur mit einem porösen Kunststoffmaterial auf.
Die Erfindung wird weitergehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben und erläutert.
In Verbindung mit diesen Zeichnungen ist anzumerken, daß die Figuren 19 - 20 einen Stand der Technik als Hilfe zum Verstehen der Probleme, denen sich die Erfindung zuwendet, darstellen. Es sollte nun weiterhin angemerkt werden, daß die Figuren 1 bis 14 Achs- (Radial-) Lager darstellen, und deren Herstellung, die keinen Teil der vorliegenden Erfindung darstellt, ist Gegenstand der EP-A-0 317 621 (Anmeldungs-Nr. 88 906 301.2), die, unveröffentlicht zum Prioritätsdatum hiervon, ein früheres Prioritätsdatum beansprucht. Diese Figuren werden hier dargestellt, um die Prinzipien des Aufbaus und der Herstellung zu erläutern, die bei der Konstruktion und der Herstellung der Axiallager der vorliegenden Erfindung anwendbar sind. In ähnlicher Weise stellen, wie in der nachfolgenden Beschreibung ausgeführt werden wird, andere Figuren Radiallager dar, die keinen Teil der Erfindung bilden, allerdings Merkmale einsetzen, die bei Axiallagern der Erfindung anwendbar sind.
In den Zeichnungen
Figur 1 zeigt eine Schnittansicht eines Achslagers, das einen Sektor davon darstellt, der eine Form einer Tragestruktur darstellt, die für Axiallager anwendbar ist, die die Erfindung verkörpert;
Figur 2 zeigt eine schematische Ansicht eines einzelnen Kissens, das gemäß dem Beispiel hergestellt ist, das in Figur 1 dargestellt ist;
Figur 3 zeigt eine Kantenansicht des Kissens der Figur 2, das die Kissenorientierung mit der Haltestruktur in dem belasteten Zustand darstellt; Figur 4 zeigt eine Schnittansicht eines Sektors eines zweiten Beispiels eines Achslagers, das die Struktur einsetzt, die für die Lager der vorliegenden Erfindung anwendbar ist;
Figur 5 zeigt eine Ansicht, teilweise im Schnitt, eines einzelnen Kissens der Figur 4;
Figur 5A zeigt eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts einer modifizierten Form des Lagers der Figur 4;
Figur 5B zeigt eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts einer anderen modifizierten Form des Lagers, das in Figur 4 dargestellt ist;
Figur 6 zeigt eine Endansicht eines Kissens des Lagers der Figur 4;
Figur 7 zeigt eine schematische Ansicht der Torsionsablenkung eines Stegs, stark vergrößert;
Figur 8 zeigt eine Schnittansicht eines Achslagers, das ein Beispiel eines Lagers darstellt, das zwei Stege umfaßt;
Figur 9 zeigt eine vergrößerte Endansicht eines Kissens des Lagers der Figur 1, das eine lokale Ablenkung der Kissenoberfläche ohne eine Tragestrukturablenkung zeigt, und zwar stark übertrieben;
Figur 10 zeigt eine Kantenansicht eines Kissens des Lagers der Figur 8, die die Kissenorientierung mit der Tragestruktur in dem belasteten Zustand darstellt;
Figur 10a zeigt eine Kantenansicht des Kissens des Lagers der Figur 8, die eine lokale Ablenkung der Kissenoberfläche, stark übertrieben, darstellt;
Figuren 11A und 11B zeigen Querschnittsansichten eines zylindrischen Lagers oder eines Rohlings vor der spanabhebenden Bearbeitung;
Figuren 12A und 12B zeigen Querschnittsansichten eines spanabhebend bearbeiteten Lagers oder Rohlings;
Figuren 13A und 13B zeigen Querschnittsansichten eines weiteren spanabhebend bearbeiteten Lagers oder Rohlings;
Figuren 14a und 14B zeigen Querschnittsansichten eines modifizierten, spanabhebend bearbeiteten Lagers oder Rohlings; und
Figuren 14C und 14D zeigen Querschnittsansichten eines Lagers, das aus dem modifizierten, spanabhebend bearbeiteten Lager oder Rohling der Figuren 14A und 14B aufgebaut ist;
Figur 15 zeigt eine Draufsicht auf ein Axiallager gemäß der Erfindung, das steg-befestigte Lagerkissen besitzt;
Figur 16 zeigt einen Seitenquerschnitt des Axiallagers der Figur 15;
Figur 17 zeigt eine bodenseitige Ansicht des Axiallagers der Figur 15;
Figur 18 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Bereichs des Axiallagers der Figur 15;
Figur 19 zeigt eine Draufsicht auf ein Axiallager nach dem Stand der Technik;
Figur 20 zeigt einen Querschnitt des Axiallagers nach dem Stand der Technik der Figur 19;
Figur 20(a) zeigt eine schematische Darstellung eines Segments des Axiallagers nach dem Stand der Technik der Figuren 19 und 20, die die Druckverteilung über die Oberfläche eines Lagerkissens darstellt;
Figur 21 zeigt eine Draufsicht auf ein Axiallager gemäß der vorliegenden Erfindung, das einen zweischenkligen Träger besitzt;
Figur 22 zeigt eine Seitenquerschnittsansicht des Axiallagers der Figur 21;
Figur 23 zeigt eine bodenseitige Ansicht des Lagers der Figur 21;
Figur 23(A) zeigt eine bodenseitige Ansicht einer modifizierten Version des Lagers der Figur 21;
Figur 24 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Segments des Lagers der Figur 21;
Figur 25 zeigt einen Querschnitt eines anderen Lagers gemäß der vor-11 egenden Erfindung;
Figur 26 zeigt einen Querschnitt eines anderen Lagers gemäß der vorliegenden Erfindung;
Figur 27 zeigt einen Seitenquerschnitt eines anderen Lageraufbaus gemäß der vorliegenden Erfindung;
Figur 28 zeigt einen oberseitigen Querschnitt des Lageraufbaus der Figur 27;
Figur 29 zeigt einen Seitenquerschnitt eines anderen Lageraufbaus gemäß der vorliegenden Erfindung;
Figur 29A zeigt einen Querschnitt eines anderen Axiallageraufbaus gemäß der vorliegenden Erfindung;
Figur 29B zeigt einen anderen Querschnitt des Lagers der Figur 29A;
Figur 30 zeigt einen oberseitigen Querschnitt des Lageraufbaus der Figur 29;
Figur 30A zeigt eine Draufsicht des Lagers der Figur 29A;
Figur 30B zeigt eine bodenseitige Ansicht des Lagers der Figur 29A;
Figur 31 zeigt eine Seitenansicht eines anderen Achslageraufbaus, der zur Illustration dargestellt und für das Axiallager der vorliegenden Erfindung anwendbar ist;
Figur 31A zeigt einen radialen Querschnitt eines Bereichs des Lagers, das in Figur 31 dargestellt ist;
Figur 32 zeigt eine Seitenansicht eines anderen Achslageraufbaus, das zur Illustration dargestellt ist;
Figur 32A zeigt einen radialen Querschnitt des Lagers der Figur 32;
Figur 32B zeigt eine perspektivische Ansicht des Lagers der Figur 32;
Figur 33 zeigt eine Seitenansicht eines anderen Achslageraufbaus, der zur Illustration dargestellt ist;
Figur 33A zeigt ein Detail eines Bereichs der äußeren Peripherie des Lagers der Figur 33;
Figur 33B zeigt einen Querschnitt es Lagers der Figur 33;
Figur 33C zeigt einen anderen Querchnitt des Lagers der Figur 33;
Figur 34 zeigt eine Seitenansicht eines anderen Achslagers, das zur Illustration dargestellt ist;
Figur 34A zeigt ein Detail eines Bereichs der äußeren Peripherie des Lagers der Figur 34:
Figur 34B zeigt einen Querschnitt des Lagers der Figur 34;
Figur 34C zeigt einen anderen Querschnitt des Lagers der Figur 34; Figur 34D zeigt einen anderen Querschnitt des Lagers der Figur 34;
Figur 35 zeigt eine Seitenansicht eines kombinierten Radial- und Axiallagers, das zur Illustration dargestellt ist;
Figur 35A zeigt einen Querschnitt des Lagers der Figur 35;
Figur 35B zeigt einen anderen Querschnitt des Lagers der Figur 35;
Figur 36 zeigt eine Seitenansicht eines anderen kombinierten Radial- und Axiallagers, das zur Illustration dargestellt ist;
Figur 37 zeigt einen schematischen Querschnitt des Lagers der Figur 36, das die Kräfte darstellt, die auf das Lagerkissen wirken,
Figur 38A zeigt eine oberseitige Ansicht eines einfach spritz- bzw. gießbaren Axiallagers gemäß der vorliegenden Erfindung;
Figur 38B zeigt eine Bodenansicht des Lagers der Figur 38A;
Figur 38C zeigt einen Explosionsquerschnitt entlang der Linien, die in Figur 38A angegeben sind;
Figur 38D zeigt eine Bodenansicht, die Modifikationen des Lagers darstellen, das in den Figuren 38A-C dargestellt ist;
Figur 39A zeigt eine Draufsicht auf ein anderes, einfach spritz- bzw. gießbares Axiallager gemäß der vorliegenden Erfindung;
Figur 39B zeigt eine bodenseitige Ansicht des Lagers der Figur 39A;
Figur 39C zeigt einen Teilquerschnitt, der die Tragestruktur für die Lagerkissen des Lagers der Figuren 39A und 39B darstellt;
Figur 40 zeigt eine Seitenansicht eines selbstschmierenden Radiallagers;
Figur 40A zeigt einen Querschnitt des Lagers der Figur 40;
Figur 41 zeigt eine Ansicht eines selbstschmierenden, kombinierten Radial- und Axiallagers, das zur Illustration dargestellt ist;
Figur 41A zeigt einen Querschnitt des Lagers der Figur 41.
Zum Beschreiben der Lager der vorliegenden Erfindung in einer verständlichen Art und Weise ist es hilfreich, die Lagerstrukturen zu beschreiben, wie sie aus einem zylindrischen Rohling durch Bildung von Muten, Schlitzen, Bohrungen und anderen Öffnungen in dem zylindrischen Rohling gebildet werden. Wie nachfolgend angemerkt ist, ist dies manchmal eine nützliche Technik zum Herstellen eines Prototyp-Lagers. Allerdings ist der Hinweis auf den zylindrischen Rohling in erster Linie dahingehend beabsichtigt, das Verständnis der vorliegenden Erfindung zu unterstützen. Es sollte angemerkt werden, daß es, obwohl viele der Lager der vorliegenden Erfindung aus einem zylindrischen Rohling hergestellt werden könnten, nicht notwendig ist, daß irgendeines von diesen so hergestellt wird. Natürlich können die Lager auf verschiedene Weisen hergestellt werden, wobei einige davon nachfolgend besprochen werden.
Wie zunächst die Figur 1 zeigt, ist die Struktur, die dort dargestellt ist, ein Sektor einer Achslageranordnung, die Nuten und Schlitze besitzt, die darin gebildet sind, um so ein Gehäuse 10 und eine Mehrzahl umfangsrichtungsmäßig angeordneter Lagerkissen 12 festzulegen, von denen jedes durch eine Tragestruktur gehalten ist, die das Gehäuse, einen Steg 14 und eine Nase bzw. einen Stumpf 16 umfaßt. Das Lager, das durch die Nuten und Schlitze festgelegt ist, ist nicht symmetrisch um die Kissenumfangsmittellinie (Figuren 3, 13a). Demgemäß ist das Lager, das dargestellt ist, ein radiales, unidirektionelles bzw. in einer Richtung laufendes Lager, d.h. es ist dazu geeignet, um radial eine Welle für eine Drehung in nur einer Richtung zu tragen. In der dargestellten Anordnung trägt das Lager die Welle 5 nur für eine Drehung in der Gegenuhrzeigerrichtung, wie dies durch den Pfeil dargestellt ist. Andererseits würde es, wenn das Lager symmetrisch um die Mittellinie des Kissens wäre, zum Tragen der Welle 5 für eine Drehung in Uhrzeigerrichtung oder in Gegenuhrzeigerrichtung geeignet sein, d.h. das Lager würde bidirektionell sein.
Jedes Lagerkissen 12 umfaßt eine voranführende Kante 15 und eine nachlaufende Kante 17. Die voranführende Kante ist als die Kante definiert, die sich zuerst einem Punkt auf dem Umfang der Welle nähert, wenn sie fortfährt, sich zu drehen. Ähnlich ist die nachlaufende Kante als die Kante definiert, die sich umfangsmäßig später demselben Punkt auf der Welle annähert, wenn sie fortfährt, sich zu drehen. Wenn sich die Welle 5 in der geeigneten Richtung dreht, bewegt sich der Punkt auf einem Fluidfiim von der voranführenden Kante über das Lagerkissen und aus der nachlaufenden Kante heraus. Eine optimale Funktion wird dann erhalten, wenn der Stumpfabschnitt 16 das Lagerkissen 12 und demzufolge irgendeine Belastung an einem Punkt 16a (Figur 3) zwischen der Umfangsmittellinie 13a des Kissens 12 und der nachlaufenden Kante 17, vorzugsweise näher zu der Mittellinie 13a, trägt. Der Steg 14 sollte sich auch um einen Punkt 14a schwenken, der winkelmäßig zwischen der voranführenden Kante und der nachlaufenden Kante angeordnet ist, so daß sich, als Ergebnis einer Ablenkung des Stegs 14, die nachlaufende Kante 17 nach innen ablenkt. Natürlich hangt der Grad einer Ablenkung unter anderem von der Form des Stegs und der Länge der Einschnitte oder Schlitze, die in dem Lager gebildet sind, ab.
Obwohl speziell Bezug auf Achslager oder Axiallager genommen wird, um ein Verständnis dieser Erfindung zu erleichtern, können einige derselben Prinzipien des Lagerdesigns unabhängig der spezifischen Form des Lagers aufgebaut werden. Zum Beispiel arbeiten beide Typen von Lagern auf dem Prinzip einer Bildung eines hydrodynamischen Keils. Weiterhin ist die Hauptachse sowohl der Achslager als auch der Axiallager dieselbe Mittelachse des zylindrischen Rohlings, aus dem das Lager gebildet wird. Die umfangsmäßige Kissenmittellinie ist die sich radial erstreckende Linie, die durch die geometrische Mitte des Kissens und die Hauptachse des Lagers hindurchführt. Demgemäß wird, wenn entweder ein Axiallager oder ein Achslager symmetrisch zu dieser Mittenlinenachse ist, d.h. der Hauptachse, das Lager bidirektionell sein.
Es sind signifikante Unterschiede zwischen Axiallagern und Achslagern vorhanden. Der bekannteste Unterschied ist natürlich der Bereich der Welle, die getragen wird, und demzufolge die Orientierung und/oder die Stellung der Lagerkissenträger. Zum Beispiel tragen, während Achslager umfangsmäßige Bereiche von Wellen tragen, Axiallager Schulter- oder axiale Endbereiche der Wellen. Andere Unterschiede folgen aus diesem fundamentalen Unterschied. Zum Beispiel nehmen in einem Radial- oder Achslager die Kissen die Last in der Richtung der Last auf oder tragen sie; dagegen teilen in einem Axiallager alle Kissen normalerweise die Last. Weiterhin besitzt ein Achslager allgemein einen eingebauten Keil aufgrund der Unterschiede in den Wellen und Lagerdurchmessern. Im Gegensatz dazu sind in den Axiallagern keine eingebauten Kelle vorhanden. Zusätzlich trägt, während ein Achs- oder Radiallager eine drehungsmäßige Stabilität kontrolliert, ebenso wie eine Last, ein Axiallager typischerweise nur eine Last. Es sollte auch verständlich werden, daß das Design von Achslagern, insbesondere von hydrodynamischen Achslagern, wesentlich komplizierter als das Design von Axiallagern ist. Teilweise folgt dies aufgrund der Beschränkungen, die durch das Erfordernis mit sich gebracht werden, die radiale Umschließung der Achslager zu begrenzen. Um diese Unterschiede aufzunehmen, ist die Konfiguration der Axiallager etwas gegenüber denjenigen der Achslager unterschiedlich. Dennoch sind, wie aus dieser Angabe ersichtlich ist, viele der Prinzipien, die hier besprochen sind, sowohl auf Axial- als auch Achslager anwendbar.
Unter Bezugnahme nun auf die Figuren 2 und 3 wird ersichtlich werden, daß das Kissen 12 mit einer gebogenen Fläche 13 versehen ist, die im wesentlichen dem Radius oder Bogen des äußeren Durchmessers der Welle entspricht, den das Kissen tragen wird (über den Fluidfilm), und jedes Kissen ist durch sich axial erstreckende und sich radial erstreckende Kanten festgelegt. Die sich axial erstreckenden Kanten umfassen die voranführenden und die nachlaufenden Kanten auf. Der Steg ist sowohl in einer statischen Position (durchgezogene Linie) als auch in einer abgelenkten Position (angedeutete Linie) in Figur 3 dargestellt. Der Basisaufbau der Tragestruktur, wie er in Figur 1 dargestellt ist, wird durch die Verwendung kleiner Schlitze oder Einschnitte durch die Wand gebildet. Typischerweise sind die Schlitze oder radialen Einschnitte von 0,05 bis 3,15 mm (0,002 bis 0,125") breit. Der Grad einer Ablenkung kann durch Variationen, unter anderen Maßnahmen, der Länge der Einschnitte variiert werden. Längere Einschnitte liefern einen längeren Momentenarm, der zu einer größeren Ablenkung führt. Kürzere Einschnitte führen zu Stegen, die eine geringere Flexibilität und eine höhere Lastaufnahmefähigkeit besitzen. Bei der Auswahl einer Länge eines Einschnitts oder Schlitzes muß darauf geachtet werden, eine Resonanz zu vermeiden.
Durch Anordnen des Endes eines Steges 14 so, wie dies dargestellt ist, wird eine Ablenkung nach unten um den Verbindungspunkt 16a zu einer nach innen gerichteten Bewegung der nachlaufenden Kante 17 des Kissens 12, einer nach außen gerichteten Bewegung der voranführenden Kante 15 und einem leichten Abflachen des Kissens 12, wie dies anhand der punktierten Linien in Figur 9 zu sehen ist, führen. Als Folge dieser Ablenkung wird der Spalt zwischen der Kissenfläche 13 und der äußeren Oberfläche der Welle 5, durch den ein Fluid strömt, keilförmig werden, was zu dem ausreichend bekannten, hydrodynamischen Trageeffekt führt. Idealerweise liegt das Verhältnis des Abstands zwischen der nachlaufenden Kante und der Welle gegenüber dem Abstand zwischen der voranführenden Kante und der Welle zwischen 1:2 bis 1:5. Anders ausgedrückt sollte der Abstand zwischen der voranführenden Kante und der Welle zwischen 2 bis 5 Male größer als der Abstand zwischen der nachlaufenden Kante und der Welle sein. Um dieses idaele Abstands- oder Keilverhältnis für irgendeine spezifische Anwendung zu erhalten, müssen geeignete Ablenkungsvariablen, einschließlich Anzahl, Größe, Stelle, Form und Materialcharakteristika des einheitlichen Elements ausgewählt werden. Eine computerunterstützte Finite-Elemente-Analyse wurde dahingehend geprüft, daß sie das effektivste Mittel zur Optimierung dieser Variablen ist. Eine computerunterstützte Analyse ist insbesondere bei einem Lager nützlich wie derjenige Typ, der vorstehend beschrieben ist, der eine Bewegung in allen sechs Richtungen (sechs Freiheitsgrade) zuläßt.
Wie die Figuren 4 und 5 zeigen, ist dort ein zweites erläuterndes Beispiel eines Achslagers dargestellt, das mit Schlitzen, Einschnitten und Muten gebildet ist, um ein Lagergehäuse 30 mit einem Lagerkissen 32 zu bilden, das von dem Gehäuse durch eine Tragestruktur getragen ist, die einen Steg umfaßt, der ein Paar Stegbereiche 34a, 34b besitzt, die sich im wesentlichen in einer einzigen Linie von den Kissen weg erstrecken. Weiterhin kann das Kissen so hinterschnitten sein, daß es durch die Stege nur an einer Kissentrageoberfläche 34ps getragen wird. Unter Bezugnahme auf Figur 5 wird ersichtlich werden, daß die Stege 34, 34a ein geeignetes Stumpfstegende, wie bei 36. 36a, besitzen, das als ein frei aufgehängter Träger für den Steg wirkt.
Wie aus Figur 4 ersichtlich wird, stellt diese perspektivische Ansicht der Figur 5 nur einen Bereich des Kissens 32 dar. Das gesamte Kissen ist in den Figuren 5A und 58 dargestellt, die mögliche Modifikationen der Lager darstellen, die in Figur 4 dargestellt sind. Wie aus den Zeichnungen deutlich wird, ist die Kissentrageoberfläche 34ps dichter an der nachlaufenden Kante 37 als die voranführende Kante 35 angeordnet. Mit diesem Aufbau wird ein sich Verdrillen des Stegs, wie in Figur 7 dargestellt ist, in der Mitte des Stegs stattfinden und eine Torsionsablenkung erzeugen, wie dies dargestellt ist. Wiederum wird die primäre Flexibilität durch kleine Einschnitte oder Schlitze durch die Lagergehäusewand ermöglicht. Diese Einschnitte statten das Lagerkissen mit sechs Freiheitsgraden aus (d.h. das Kissen kann in den +x,-x, +y,-y, +z und -z -Richtungen translatieren ebenso wie um die x-, y- und z- Achsen rotieren) und sind so aufgebaut, um eine hydrodynamische Keilausbildung zu optimieren. Wenn die Einschnitte oder Schlitze vor einem Durchbrechen beendet werden, um Stegbereiche 34a und 34b zu bilden, würde das Kissen 32 durch eine kontinuierliche, zylindrische Membran 34m getragen werden, wie dies in Figur 5A dargestellt ist. Diese Membran wirkt als eine Fluiddämpfungseinrichtung, auf der das Kissen 32 getragen wird. Das Beenden der Einschnitte würde an einem Punkt A und einem Punkt B in Figur 4 auftreten. Diese Flexibilität der Membran, kombiniert mit dem Fluidschmiermittel, liefert eine Einrichtung, um die Dämpfungswirkung zu variieren und das Kissen gegen das Gehäuse zu isolieren. Die Dämpfung nimmt die Form eines hydraulischen Dämpfungskissens an, das hohe Dämpfungscharakteristika liefert. Wie bei dem Lager, das in den Figuren 1-3 dargestellt ist, ist das Lager, das in den Figuren 4-7 dargestellt ist, nicht symmetrisch um die Kissenmittellinie, und es ist deshalb ein unidirektionelles Lager. Demgemäß besitzt das Lager eine voranführende Kante 35, die sich nach außen ablenkt, und eine nachlaufende Kante 37, die sich nach innen ablenkt, um einen Keil zu bilden. Wiederum sollte das Keilverhältnis (Verhältnis von Abstand zwischen der nachlaufenden Kante und der Welle zu dem Abstand zwischen der voranführenden Kante und der Welle) zwischen 1:2 bis 1:5 liegen. Weiterhin sollte die Stelle der Mitte der Wirkung der Last die primär durch die Stelle des Kissentragebereichs 34ps des Stegs 34 hinsichtlich des Kissens bestimmt wird, wiederum zwischen der Umfangsmitte der Kissenfläche und der nachlaufenden Kante, vorzugsweise näher zu der Umfangsmitte der Kissenfläche, liegen.
Wie in Figur 56 dargestellt ist, kann der Steg einfacher festgelegt werden als dies in Figur 5 dargestellt ist, und zwar durch einfache Ausdehnung der Einschnitte oder Schlitze nach unten von den Punkten A und B aus.
Wie die Figur 8 zeigt, ist dort ein drittes, illustratives Beispiel eines Achslagers dargestellt, wobei Innenschlitze oder Einschnitte so vorgesehen sind) um einen Steg an einer Stegtragestruktur zu bilden. Genauer gesagt ist das Lager mit Nuten und Schlitzen oder Einschnitten ausgebildet, um ein Kissen 40 festzulegen, das von einem Gehäuse durch Stege 42 und 44 getragen wird. Das Kissen ist mit den Stegen an Tragestümpfen 40a und 40b verbunden. Eine Stegbefestigung mit dem Gehäuse erfolgt an Tragestumpfen 46 und 48. Wiederum besteht das Lager aus dünnen Einschnitten oder Schlitzen, die durch die Lagerwand geschnitten dargestellt sind. Der Einschnitt oder Schlitz 60 unterhalb der Kissenoberfläche schafft eine zusätzliche Flexibilität derart, daß unter Last das Kissen seine Form ändert, um eine Tragflügelfläche zum Einführen von Schmiermittel zu bilden. Demzufolge wirkt, als Ergebnis der Zweipunkthalterung Steg an Steg, das Kissen als federähnliche Membran.
Die Figur 10A stellt die abgelenkte Form des Kissens 40 unter Last dar. Wie in den Zeichnungen (übertrieben) dargestellt ist, kann das Kissen so gebildet und getragen werden, um sich unter Last zu einer Tragflügelform auszulenken. Der Tragflügel verbessert drastisch die Funktion. Wie aus den Zeichnungen ersichtlich ist, ist das Kissen für eine Verschiebung in den x-, y- und z- Richtungen ebenso wie für eine Rotation um die x-, y- und z- Achsen in der Lage, d.h. das Kissen besitzt sechs Freiheitsgrade. Wiederum ermöglicht die Struktur eine optimale, hydrodynamische Keilbildung.
Wie nun die Figur 9 zeigt, ist dort die lokale, vorhandene Ablenkung der Fläche des Kissens 50 dargestellt, wo sich das Kissen unter Last abflacht. Diese Ablenkungen sind mit der Tragestrukturablenkung, die in den Figuren 3 und 10 dargestellt ist, kombiniert, allerdings sind sie von geringerer Größe. Das Nettoergebnis ist die Form, die in den Figuren 3 und 10 dargestellt ist, allerdings mit einer Flächenkrümmung, die genau bzw. Stück für Stuck abgeflacht worden ist.
Die Figuren 31 und 31A stellen ein anderes Beispiel eines Achslagers dar. Der Lageraufbau, der in den Figuren 31 und 31A dargestellt ist, unterscheidet sich von den zuvor beschriebenen Achslagerkonstruktionen dahingehend, daß das Lager bidirektionell ist, d.h. das Lager ist für ein Tragen einer Welle für entweder in der Uhrzeiger- oder der Gegenuhrzeigerdrehung, und zwar aus Sicht der Figur 31, geeignet. Das Lager ist bidirektionell, da die Kissen symmetrisch um deren Mittellinien sind, die als die sich radial erstreckende Linie festgelegt sind, die durch die Hauptachse (606) des Lagers und die geometrische Mitte des Kissens hindurchführen. Ähnlich den zuvor beschriebenen Achslagern ist das Lager der Figuren 31 und 31A mit einer Mehrzahl dünner, radialer, umfangsmäßiger Schlitze gebildet, um eine Mehrzahl umfangsmäßig beabstandeter Lagerkissen 632 festzulegen.
Die Tragestruktur für jedes der Lagerkissen 632 ist in gewisser Weise ähnlich der Tragestruktur für das Achslager, das in Figur 8 dargestellt ist. Insbesondere wird jedes Lagerkissen 632 durch eine Stegtragestruktur an zwei Kissentrageoberflächen 632ps getragen. Das Stegnetzwerk, das mit den Lagerkissen an jeder Kissentrageoberfläche 632ps verbunden ist, liefert identisch den symmetrischen Aufbau des Lagers, der das Lager bidirektionell gestaltet. Zu Zwecken der Vereinfachung dieser Beschreibung wird nur das Netzwerk der Stege beschrieben werden, das das Lager an einer Kissentrageoberfläche trägt, da die andere Kissentrageoberfläche in einer Identischen Weise getragen wird. Demzufolge ist, wie in Figur 31 dargestellt ist, ein erster, sich im wesentlich radial erstreckender Steg 640 mit den Lagerkissen 632 an der Kissentrageoberfläche 632p5 verbunden. Ein zweiter) im wesentlichen umfangsmäßiger Steg 642 ist mit dem radial äußersten Ende des Stegs 640 verbunden. Ein dritter, im wesentlichen radialer Steg 644 erstreckt sich radial nach innen von dem Steg 642. Ein vierter, im wesentlichen umfangsmäßiger Steg 646 erstreckt sich von dem radial Innersten Bereich des Stegs 644 aus. Ein fünfter, im wesentlichen radialer Steg 648 erstreckt sich radial nach außen von einem Steg 644 zu dem Gehäusebereich der Tragestruktur. Zusammengefaßt wird jedes Lagerkissen 632 des Lagers, das in Figur 31 dargestellt ist, durch die Stege und das Lagergehäuse getragen. Weiterhin kann, wie nachfolgend besprochen wird, durch Bildung sich radial erstreckender, umfangsmäßig beabstandeter Nuten oder sich kontinuierlich erstreckender, umfangsmäßiger Nuten in dem Gehäusebereich der Tragestruktur der Gehäusebereich der Tragestruktur so aufgebaut werden, daß er als eine Vielzahl Stege oder Membrane wirkt. Es sollte auch angemerkt werden, daß, ähnlich des Lagers der Figur 8, der Einschnitt oder Schlitz, der unterhalb der Oberfläche des Kissens gebildet ist, eine zusätzliche Flexibilität derart mit sich bringt, daß das Kissen unter Last seine Form verändert, um eine Tragfläche für den Einlaß von Schmiermittel zu bilden. Demzufolge wirkt, als Folge des Zweipunktträgers mit einem Steg auf einem Steg, das Kissen ähnlich einer federähnlichen Membran.
Figur 31a zeigt einen radialen Querschnitt der Figur 31, die den dritten Steg 644, das Lagerkissen 632 und das Gehäuse darstellt.
Die Figuren 32, 32A und 32B stellen einen anderen Achslageraufbau dar, der sich von den zuvor beschriebenen Lageraufbauten dadurch unterscheidet, daß die Lagerkissen und die Tragestruktur durch relativ große Nuten und Öffnungen festgelegt werden, die in einem zylindrischen Rohling gebildet sind. Mormalerweise würde dieser Typ eines Aufbaus durch Fräsen des Rohlings im Gegensatz zu einer spanabhebebenden, elektrischen Bearbeitung durch Entladung oder einer anderen ähnlichen Technik zur Bildung kleiner Nuten, wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen, gebildet werden. Ein Vorteil des Lageraufbaus, der in Figur 32 dargestellt ist, ist derjenige, daß es, in Anwendungen, die extrem kleine Lager erfordern, einfacher ist, präzise die proportional größeren Einschnitte und Öffnungen zu bilden, die dazu erforderlich sind, ein Lager des Typs zu bilden, der in den Figuren 32, 32A und 32B dargestellt ist, verglichen mit den proportional kleineren Einschnitten und Öffnungen, die durch den Aufbau erforderlich sind, der zum Beispiel in den Figuren 1, 4 und 8 dargestellt ist. Weiterhin sind die großen Nuten oder Öffnungen allgemein einfacher zu gießen, zu spritzen oder zu extrudieren. Lager, die durch größere Einschnitte gebildet werden, finden auch Verwendung bei Anwendungen, die extrem große Lager mit steifen Lagerkissen-Tragestrukturen erfordern.
Die Lagerkissen, die in Figur 32 dargestellt sind, sind um deren Kissenmittellinie 706A symmetrisch. Demzufolge ist das Lager bidirektionell. Allerdings besitzt) wie am besten in der perspektivischen Ansicht der Figur 32B dargestellt ist, das Lager einen kontinuierlichen Querschnitt mit keinen verdeckten Öffnungen. Demzufolge ist es leicht extrudierbar und leicht gieß- bzw. spritzbar. Natürlich kann die Tragestruktur durch Bildung von Diskontinuitäten im Querschnitt verändert werden, z.B. durch Bildung sich radial erstreckender, umfangsmäßiger Nuten oder nicht-symmetrisch angeordneter, sich radial erstreckender Öffnungen, um die Tragestruktur zu ändern und dadurch die Funktionscharakteristika zu ändern. Die Hauptachse des Lagers ist mit 706 bezeichnet.
Wie in Figur 32 dargestellt ist, umfaßt das Lager eine Mehrzahl umfangsmäßig beabstandeter Lagerkissen 732. Jedes Lagerkissen 732 wird durch eine Tragestruktur getragen, die ein Paar allgemein radialer Stege 740 umfaßt, die mit den Lagerkissen 732 an einer Kissentrageoberfläche verbunden sind. Ein zweiter, sich im wesentlichen umfangsmäßig erstreckender Steg 742 trägt jeden der Stege 740. Die Stege 742 sind mit dem Gehäuse durch Tragestümpfe 744 in einer Ausführung eines frei tragenden Typs verbunden. In diesem Lager können die Stege 740 als eine primäre Tragestruktur betrachtet werden; die Stege 742 können als eine sekundäre Tragestruktur betrachtet werden; und die Stege 744 können als eine tertiäre Tragestruktur betrachtet werden.
Die sekundären Stege 742, die in Figur 32 dargestellt sind, werden durch Bildung einer Mehrzahl sich axial erstreckender, umfangsmäßiger Nuten 750 in dem Gehäuse der Tragestruktur festgelegt. Um die Symmetrie des bidirektionellen Lagers beizubehalten, sind diese Nuten ufangsmäßig um Kissenmittellinien 706A beabstandet, in einer Art und Weise, die zu der umfangsmäßigen Beabstandung der Lagerkissen 732 identisch ist. Natürlich könnten ähnlich umfangsmäßig beabstandete radiale Nuten in irgendeiner der vorherigen Lageraufbauten vorgesehen werden. Zum Beispiel könnten, wie vorstehend angemerkt ist, solche Nuten in dem Umfang des Lageraufbaus gebildet werden, der in den Figuren 31 und 31A dargestellt ist, um einen weiteren, stegähnlichen Träger zu bilden.
Die Figur 32A zeigt einen radialen Querschnitt eines Bereichs des Lagers, das in Figur 32 dargestellt ist. In diesem Querschnitt sind das Lagerkissen 32 und der erste Steg 740 sichtbar.
Figur 326 zeigt eine perspektivische Ansicht des Lagers der Figur 32. Es sollte angemerkt werden, daß, obwohl die peripheren, umfangsmäßigen und zylindrischen Bereiche des Lagers in einer etwas segmentierten Ausführung dargestellt sind, um die Krümmung hervorzuheben, diese gekrümmten Oberflächen tatsächlich kontinuierlich gekrümmt sind.
Figur 33 stellt eine andere Achslagerkonstruktion dar. Ähnlich dem Lager der Figur 32 wird das Lager 33 durch proportional große Nuten und Bohrungen gebildet. Insbesondere legt eine Mehrzahl gleichmäßig beabstandeter, sich radial erstreckender, umfangsmäßiger Nuten eine Mehrzahl umfangsmäßig beabstandeter Lagerkissen 832 fest. Die Lagerkissen 832 werden weiterhin durch ein Paar sich axial erstreckender, umfangsmäßiger Nuten festgelegt, die sich symmetrisch von den planaren Flächen des Zylinderrohlings erstrecken, und sie sind am besten in den Figuren 32B und 32C zu sehen, in denen die Nuten durch die Bezugszeichen 834 und 835 bezeichnet sind. Die Lagertragestruktur wird durch die vorstehend angegebenen, strukturellen Merkmale und durch eine Mehrzahl umfangsmäßig beabstandeter, symmetrisch angeordneter, flacher Bohrungen 838 und eine Mehrzahl umfangsmäßig beabstandeter, symmetrisch angeordneter, tiefer Bohrungen 837 festgelegt. Aufgrund des Vorhandenseins der "verdeckten" Bohrungen 837 und 838 ist der Lageraufbau der Figur 33 nicht extrudierbar und nicht gießbar in einer einfachen, zweistückigen Gießform gieß- bzw. spritzbar, d.h. einfach gieß- bzw. spritzbar.
Wie am besten in Figur 33A dargestellt ist, schneiden die tiefen Bohrungen 837 die axialen Nuten 836 so, um Tragestrukturen für jedes Lagerkissen festzulegen. Die Tragestruktur wird weiterhin durch eine umfangsmäßige Nut 839 festgelegt, die sich von dem äußeren Umfang des zylindrischen Rohlings erstreckt.
Unter Bezugnahme auf die Figuren 33-33C wird verständlich werden, daß die Vorsehung der strukturellen Teile, wie sie vorstehend besprochen sind, eine Tragestruktur für ein Lagerkissen 832 bilden, das einen Steg 840 umfaßt, der direkt das Kissen trägt, d.h. eine primäre Tragestruktur. Zwei kontinuierliche Stege 882, d.h. eine tertiäre Tragestruktur und eine sekundäre Tragestruktur, weisen eine Mehrzahl Stege auf, die teilweise durch Bohrungen 837 und 838 festgelegt sind, die den Steg 840 mit den kontinuierlichen Stegen 882 verbinden.
Da die Tragestruktur des Lagers, das in den Figuren 33-33C dargestellt ist, nicht symmetrisch um die Kissenmittellinie 806A ist, die sich von der Hauptachse 806 erstreckt, ist sie unidirektionell. Weiterhin ist dieses Lager, ähnlich dem Lager der Figur 32, teilweise gut für Anwendungen geeignet, die extrem kleine Lager erfordern, und zwar aufgrund der proportional größeren Nuten und Bohrungen, die dieses Lager festlegen, und seine Tragestrukturen sind einfacher hergestellt.
Die Figuren 34 und 34A-34D stellen einen anderen Achslageraufbau dar. Der Lageraufbau der Figur 34 ist demjenigen der Figur 33 insoweit, als die Lagerkissen und deren Tragestrukturen durch proportional große Nuten und Bohrungen festgelegt werden, wie dies in den Zeichnungen dargestellt ist, ähnlich. Die Tragestruktur für die Lagerkissen 932 ist ähnlich der Tragestruktur für die Lagerkissen 832. Insbesondere ist, während die Tragestruktur jedes der Lagerkissen 932 identisch ist, die Tragestruktur nicht symmetrisch hinsichtlich jedes Lagerkissens. Demzufolge ist das Lager, das in Figur 34 dargestellt ist, unidirektionell. Weiterhin ist, da die Tragestruktur "verdeckte" Öffnungen besitzt, das Lager in einer einfachen, zweiteiligen Gießform weder extrudierbar noch gieß- bzw. spritzbar.
Wie in den Zeichnungen dargestellt ist, umfaßt die Tragestruktur eine primäre Tragestruktur, die ein Paar stegähnlicher Teile 940 aufweist, die mit den Lagerkissen 932 verbunden sind und teilweise durch symmetrisch angeordnete Öffnungen 942 festgelegt sind. Eine flache, umfangsmäßige Nut, die an dem äußeren Umfang des Lagers gebildet ist, legt eine tertiäre Tragestruktur fest, die ein Paar kontinuierlicher, stegähnlicher Elemente 982 aufweist. Eine sekundäre Tragestruktur, die ein Steg- und Membrannetzwerk 960 zur Verbindung der Stege 940 mit den kontinuierlichen Stegen 982 aufweist, wird durch die Vorsehung einer Mehrzahl großer, symmetrisch angeordneter Bohrungen 944, die Vorsehung kleinerer, symmetrisch angeordneter Bohrungen 946 und die Vorsehung kleiner, nicht symmetrisch angeordneter Bohrungen 948 festgelegt. Aufgrund der Vorsehung der nicht symmetrisch angeordneten Bohrungen 948 ist die Tragestruktur flexibler und demzufolge in der Richtung dieser Bohrungen vorgespannt.
Die Figuren 15-18 stellen ein unitäres, hydrodynamisches Axiallager gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Wie früher angemerkt ist, umfassen Axiallager gemäß der vorliegenden Erfindung einige derselben Merkmale wie das Achslager, das beschrieben worden ist. Zum Beispiel besitzen, ähnlich den Achslagern, die Axiallager der vorliegenden Erfindung eine Hauptachse, die als zentrale Achse des Rohlings festgelegt ist, aus denen das Lager gebildet wird. Auch besitzen die Lagerkissen eine umfangsmäßige Mittellinie, die sich radial von der Hauptachse durch die geometrische Witte des Kissens erstreckt. Wenn das Axiallager um seine umfangsmäßige Mittellinie symmetrisch ist, ist es bidirektionell, wenn das Lager nicht symmetrisch um seine Mittelumfangslinie ist, ist es unidirektionell. Allerdings besitzen aufgrund der Natur deren unterschiedlicher Funktion die Axiallager eine geringfügig unterschiedliche Konfiguration. Zum Beispiel umfaßt das Axiallager, das in den Figuren 15-18 dargestellt ist, eine Mehrzahl Lagerkissen 132 einer im wesentlichen identischen Konfiguration. Die Figur 18 stellt die umfangsmäßige Unterteilungslinie CDL und die radiale Unterteilungslinie RDL des Lagerkissens 132 dar. Die Lagerkissenoberflächen der Lagerkissen 132 liegen in einer Ebene, die im wesentlichen quer zu der Achse der Welle, die getragen werden soll, und der Hauptachse des Lagers liegt. Natürlich kann, wenn die Kissenoberflächen unter Last abgelenkt werden, oder falls es erwünscht ist, daß das Lager geringfügig so schräg verläuft, um die Welle in dem installierten oder statischen Zustand zu berühren, die Oberfläche der Lagerkissen etwas nicht-planar oder etwas schrägliegend hinsichtlich der Hauptachse oder der Achse der Melle, die getragen werden soll, sein.
Eine besonders wichtige Betrachtung bei dem Design der Axiallager der vorliegenden Erfindung ist die Verhinderung einer Fluidleckage. In einem großen Umfang wird diese Aufgabe durch Aufbau der Tragestrukturen so gelöst, daß sich unter Last die innere Kante der Lagerkissen nach unten ablenkt (aus Sicht der Figur 16) und sich die äußere Kante nach oben ablenkt. Alle Axiallager, die hier beschrieben sind, sind in dieser Art und Weise aufgebaut. Zum Beispiel ist in dem Lager, das in Figur 16 dargestellt ist, der Steg 134 mit dem Kissen 132 an einer Kissentrageoberfläche 134ps verbunden, die näher zu der äußeren Kante des Lagerkissens liegt als sie zu der inneren Kante des Lagerkissens liegt. Demzufolge ist die Kissentrageoberfläche 134ps radial nach außen zu der radialen Unterteilungslinie RDL angeordnet, wie dies in Figur 18 dargestellt ist. Demzufolge ist das Lager so aufgebaut, daß sich unter Last die innere Kante des Lagers nach unten ablenkt. Im Betrieb entspricht die nach unten gerichtete Ablenkung der inneren Kante des Lagerkissens einer Ablenkung von der Welle weg, die getragen wird, und die nach oben gerichtete Ablenkung der unteren Kante des Lagerkissens entspricht einer Ablenkung zu der Welle hin. Die abgelenkte Orientierung des Lagerkissens verhindert wesentlich den Verlust von Fluid, der ansonsten als Folge der Zentrifugalkräfte, die auf das Fluid einwirken, auftritt.
Der Verlust des hydrodynamischen Fluids kann weiterhin durch Tragen des Lagerkissens derart reduziert werden, daß sich unter Last das Lagerkissen so deformiert, um eine ein Schmiermittel aufnehmende Tasche zu bilden. Allgemein wird eine solche Halterung erreicht, wenn das Lagerkissen durch eine Mehrzahl sich radial oder umfangsmäßig beabstandeter Stege getragen wird und der Bereich zwischen den Stegen nicht direkt so getragen wird, daß der nicht getragene, zentrale Bereich des Kissens dazu tendieren wird, sich nach außen so zu deformieren, um einen ein Fluid zurückhaltenden Kanal zu bilden. Figur 29, die nachfolgend besprochen wird, stellt ein Beispiel eines Lagers dar, das die erforderlichen. radial beabstandeten Stege darin besitzt. Eine größere Tasche wird dann erhalten, wenn die Stege weiter voneinander beabstandet werden. In einer ähnlichen Art und Weise kann ein Kanal in einem Achslager durch Bildung axial oder umfangsmäßig beabstandeter Stegträger und eines ungestützten Bereichs zwischen den Stegen gebildet werden.
Wie am besten in den Figuren 15 und 16 dargestellt ist, besitzt jedes Lagerkissen eine abgerundete oder abgeschrägte Kante 132B um deren gesamten Umfang herum. Der Zweck der Abrundung ist ein Reduzieren von Eintritts- und Austritts-Schmiermittelverlusten.
Jedes der Lagerkissen 132 wird durch einen primären Tragebereich getragen, der in der dargestellten Ausführungsform ein stegähnliches Trageteil 134 aufweist, das das Kissen an einer Lagerkissentrageoberfläche 134ps trägt. Jeder Steg 134 wird wiederum durch einen sekundären Tragebereich getragen, wie bei spiel sei se einen mittels Steg getragenen Steg oder eine Membran 136. Der Steg oder die Membran 136 wird wiederum durch ein tertiäres Trageteil getragen, wie beispielsweise ein Paar stegähnlicher Schenkel 138a, 138b.
Durch Bildung von Löchern oder Öffnungen 142 in dem Steg- oder Membranbereich 136 bildet die kontinuierliche Membran 136 einen Satz Stege 136. Natürlich funktioniert, falls Löcher oder Öffnungen 142 nicht in der Wembran 136 vorgesehen sind, die Membran als eine kontinuierliche Membran. Alternativ könnte der innere, stegähnliche Schenkel 138a durch kurze, stumpfähnliche Stege oder sogar weggelassene Stege ersetzt werden, um einen tertiären Träger festzulegen, so daß der sekundäre Träger in einer freihängenden Art und Weise getragen wird. Schließlich ist, da die Löcher und Öffnungen symmetrisch hinsichtlich der Hauptachse des Lagers angeordnet sind, das Lager symmetrisch um die Hauptachse und ist deshalb bidirektionell.
Wie in den Figuren 15, 17 und 18 dargestellt ist, sind die Löcher oder Öffnungen 142) die die kontinuierliche Membran in separate Stege unterteilen, rund. Die Verwendung runder Öffnungen erleichtert die Herstellung des Lager-Prototyps, da kreisförmige Öffnungen leicht in das Lagermaterial gebohrt werden können. Dies ist für alle Lager der Fall, die hier beschrieben sind. Wenn solche kreisförmigen Öffnungen gebildet werden, kann es auch vorteilhaft sein, die Öffnungen hinter das Steg- oder Membranteil 136 zu dem unteren Bereich der Lagerkissen 132 zu erstrecken, um so die stegähnlichen Teile 134 festzulegen. Dies folgt daher, da, wie in Figur 15, der Querschnitt der Kissentrageoberfläche 134ps und demzufolge die Seitenwände des Stegs 134 ein gebogenes Erscheinungsbild besitzen.
Obwohl die Form der Stegteile durch eine Herstellungsanpassung diktiert werden, kann die Form auch die Funktion der individuellen Lager beeinflussen. Demzufolge ist, obwohl die spezifische Form der Lager, die hier beschrieben ist, einschließlich des Axiallagers, das in den Figuren 15-18 dargestellt ist, primär der Einfachheit der Herstellung eines Prototyps zuzuordnen ist, ist auch herausgefunden worden, daß sie exzellente Ergebnisse für eine Anwendung mit sich bringt. Irgendwelche Änderungen in der Form wurden natürlich die Funktionscharakteristika des Lagers durch zum Beispiel Verändern der Biege- oder Verdrillungscharakteristika der Stege, die das Lagerkissen tragen, beeinflussen. Demzufolge müssen, während andere Formen der Stege, Kissen und Membrane manchmal ins Auge gefaßt werden, sowohl die Einzelheit der Herstellung als auch der Effekt der Fori des Stegkissens oder der Membran bei der Lagerfunktion berücksichtigt werden.
Beispiele anderer Axiallagerformen sind in den Figuren 21-30 und 38-39 dargestellt. Der Unterschied zwischen diesen Lagern und dem Lageraufbau, der in den Figuren 15-18 dargestellt ist, besteht primär in unterschiedlichen Aufbauten des primären Tragebereichs, des sekundären Tragebereichs und des tertiären Tragebereichs.
Eine solche andere Lagerform ist in den Figuren 21-24 dargestellt. Eine Draufsicht des Lagers ist in Fig. 21 dargestellt; ein Querschnitt des Lagers ist in Figur 22 dargestellt; eine bodenseitige Ansicht des Lagers ist in Figur 23 dargestellt und eine perspektivische Ansicht des Lagers ist in Figur 24 dargestellt. Das Lager, das in den Figuren 21-24 dargestellt ist, ist Ähnlich dem Lager der Figuren 15-18 mit zwei feststellbaren Ausnahuen. Erstens umfaßt das Lager der Figuren 21-24 einen abgewinkelten oder schräggestellten Tragesteg 134A im Gegensatz zu einem vertikalen Tragesteg wie in Figur 15. Zweitens umfaßt das Lager zusätzliche Löcher 144, die sich durch den Tragesteg 136 erstrecken, um eine zylindrische Öffnung durch den schräggestellten oder angewinkelten Steg 134 so zu bilden, um elliptische Öffnungen in dem Tragesteg zu bilden. Die elliptischen Öffnungen unterteilen den Steg in ein Paar komplexer Bänder, wobei die Form davon unter Bezug auf die perspektivische Ansicht der Figur 24 ersichtlich werden kann. Die Vorsehung der Öffnungen 144 und die folgende Unterteilung der schräggestellten oder angewinkelten Stege 134A in koiplexere Bänder erhöht wesentlich die Flexibilität der Tragestruktur des Lagers, das in den Figuren 21-24 dargestellt ist. verglichen mit den Lagern, die in den Figuren 15-18 dargestellt sind. Demzufolge lenken sich die Kissen 132 des Lagers der Figuren 21-24 so ab, um einen hydrodynamischen Keil in Abhängigkeit einer leichteren Belastung zu bilden, als dies die Kissen 132 des Lagers tun, das in den Figuren 15-18 dargestellt ist. Es folgt, daß das Lager, das in den Figuren 21-24 dargestellt ist, besser zum Aufnehmen von geringen Lasten geeignet ist, und das Lager, das in den Figuren 15-18 dargestellt ist, besser zum Tragen schwererer Lasten geeignet ist. Weiterhin erhöht die Vorsehung angewinkelter oder schräggestellter Tragestege, wie beispielsweise der Steg 134A, mit oder ohne Öffnungen, um den Steg in komplexe Bänder zu unterteilen, die Flexibilität des Kissens in der vertikalen Richtung, da eine vertikal aufgebrachte Last ein Moment erzeugt, das dazu tendiert, zu bewirken, daß sich der Steg zu der Mitte oder dem inneren Durchmesser des Lagers ablenkt und dadurch eine zentrifugale Leckage des schmierenden Fluids vermeidet.
Figur 23A stellt eine Bodenansicht eines Lagers des Typs dar, der in den Figuren 21-24 dargestellt ist, wobei zusätzliche Löcher 146 in der Wembran oder dem Tragesteg 136 gebildet sind, um die Flexibilität des Stegs oder der Membran 136 noch weiter zu verstärken. Wie in Figur 23A dargestellt ist, sind die Löcher 146 nicht symmetrisch hinsichtlich jedes Lagersegments gebildet. Die Vorsehung dieser Löcher in einer solchen nicht symmetrischen Ausführung führen zu einem Lager, bei dem die Kissen dazu tendieren, sich leichter in einer Richtung als in der anderen Richtung abzulenken. Anders ausgedruckt werden die Lagerkissen in einer Richtung durch die Vorsehung der nicht symmetrischen Öffnung in der Tragestruktur vorgespannt. Natürlich können solche nicht symmetrisch angeordneten Öffnungen in irgendeinem der Lageraufbauten der vorliegenden Erfindung vorgesehen werden, in dem es erwünscht ist, die Lagerkissen in einer Richtung vorzuspannen. Es kann auch erwünscht sein, die nicht symmetrisch angeordneten Öffnungen oder Löcher derart vorzusehen, daß nur ausgewählte der Lagerkissen vorgespannt werden.
Figur 25 zeigt eine Querschnittsansicht eines anderen Lagers gemäß der vorliegenden Erfindung. Gemäß diesem Aufbau wird das Lagerkissen 132 an einem Kissentragestumpf 134S getragen, der wiederum an einem horizontal orientierten Stegbereich 134H getragen wird, der wiederum an einem umgekehrt angewinkelten Stegbereich 134I getragen wird. In weiterer Hinsicht ist der Aufbau ähnlich demjenigen der zuvor beschriebenen Lager. Aufgrund dieses Aufbaus besitzt das Lager einen größeren Grad einer Flexibilität in einer Richtung, das allerdings extrem steif in der entgegengesetzten Richtung ist.
Ein ähnlicher Aufbau ist in Figur 26 dargestellt. Der Unterschied zwischen dem Lager, das in Figur 26 dargestellt ist, und dem Lager, das in Figur 25 dargestellt ist, ist derjenige, daß das Lager, das in Figur 26 dargestellt ist, einen vertikalen Stegbereich 134V im Gegensatz zu einem umgekehrt angewinkelten Stegbereich 134I verwendet. Die Lager sind in jeder weiteren Hinsicht ähnlich. Das Nichtvorhandensein eines angewinkelten Stegs in dem Lager der Figur 26 führt dazu, dem Lager ihr Steifigkeit in der vertikalen Richtung zu verleihen.
Die Figuren 27-28 stellen eine andere Ausführungsform des Lageraufbaus der vorliegenden Erfindung dar.
Wie in den Zeichnungen dargestellt ist, umfaßt dieses Lager eine Mehrzahl Lagerkissen 321-326 (in Figur 28 angedeutet dargestellt). Jedes der Lagerkissen 321-326 wird an einer Kissentrageoberfläche 342 einer Lagertragestruktur getragen. Die Lagertragestruktur umfaßt einen primären Tragebereich, der aus einem Paar verschachtelter Stümpfe zusammengesetzt ist, die an einem sekundären Tragebereich getragen sind, der eine geteilte Umfangsmembran 360 umfaßt, die an einem tertiären Tragebereich getragen ist, der ein Paar Umfangsstege 380, 382 umfaßt. Die Umfangsstege 380 und 382 sind ähnlich zu denjenigen der zuvor beschriebenen Aufbauten. Die Membran 360 unterscheidet sich von der Membran in den zuvor beschriebenen Aufbauten dahingehend, daß die Membran 360 radial durch die Nut unterteilt ist, die in dem Boden der Lagertragestruktur gebildet ist, die die verschachtelten Stumpfe bildet. Der innere Stumpf ist umgekehrt hinsichtlich des äußeren Stumpfs, so daß die Mittellinien der Stümpfe an einem Punkt 350 oberhalb der Kissentrageoberfläche 342 zusumenlaufen und einen Querschnitt besitzen, der ähnlich einem umgekehrten V erscheint. Da sich die Mittellinie der Stümpfe an einem Punkt 350 oberhalb der Kissenoberfläche schneiden, trägt die primäre Tragestruktur das Lagerkissen für ein Schwenken um einen Punkt oberhalb der Kissenoberfläche bei. Dies stellt eine geeignete Ablenkung sicher.
Die Stege 346, 344, die das Lagerkissen tragen, können zueinander unter demselben Winkel angewinkelt, zueinander unter unterschiedlichen Winkeln angewinkelt, ein Steg kann angewinkelt und ein Steg kann nicht angewinkelt und angewinkelt in derselben Richtung sein. Natürlich wirken sich Variationen in dem Grad der Abwinkelung der Stege in der primären Tragestruktur auf die Ablenkungscharakteristika des Lagers aus.
Eine Mehrzahl Löcher oder Öffnungen 420, die symmetrisch um die Lagertragestruktur angeordnet ist, unterteilt die verschachtelte Stumpf- oder umgekehrte V-Struktur in eine Mehrzahl Tragestege 344, 346 und unterteilt den Scheitelpunkt der verschachtelten Stumpfe so, um die Kissentrageober flächen 342 festzulegen. Demzufolge wird zum Beispiel das Lagerkissen 321 an einer Kissentrageoberfläche 342 durch ein Paar komplexer Tragestege 344 und 346 getragen, die zueinander konisch sind und eine komplexe, geometrische Konfiguration besitzen, die durch die sich zylindrisch erstreckenden Öffnungen festgelegt wird, die durch den verschachtelten Stumpfabschnitt hindurchführen. Nie am besten in Figur 27 dargestellt ist, schneiden sich die Mittellinien der Stege 344 und 346 an einem Punkt 350 oberhalb der Kissenoberfläche, um ein geeignetes Schwenklager sicherzustellen. Die einzelnen Stege 344 und 346 werden an einer peripheren Membran 360 getragen, die durch die Nut unterteilt ist, die die Stumpfe festlegt. Die Membran wird durch periphere Stege 380, 382 getragen. Natürlich können, wie vorstehend besprochen ist, die peripheren Stege 380, 382 und die periphere Membran 360 umfangsmäßig geteilt sein, um einzelne Stegträger festzulegen.
Verschiedene Modifikationen der Lagertragestruktur sind möglich. Zum Beispiel kann die Ablenkung der Tragestruktur durch Änderung des Winkels der Stege, durch Änderung der Stelle der Löcher oder Öffnungen, die die Schenkel festlegen, durch Variieren der Länge irgendeines der Stege oder l rgendei ner der Membrane und durch Änderung der Breite oder der Dicke irgendeines der Stege oder irgendeiner der Membrane modifiziert werden. Um eine Anzahl dieser Möglichkeiten darzustellen, zeigen die Figuren 27 und 28 eine unterschiedliche Tragestruktur für jedes der Lagerkissen 321-326. Es sollte verständlich werden, daß diese verschiedenen Tragestrukturen in einem einzelnen Lager zum Zwecke der Darstellung der vorliegenden Erfindung dargestellt sind. Bei der normalen Verwendung würde jedes der Lagerkissen 321-326 eine ähnliche, obwohl nicht notwendigerweise Identische, Tragestruktur besitzen, um eine gleichförmige Funktion sicherzustellen.
Die Tragestruktur für das Lagerkissen 322 unterscheidet sich von derjenigen des Lagerkissens 322 durch die Vorsehung eines Lochs oder einer Öffnung 422, die sich durch den Steg 346 erstreckt, um so den Steg 346 in eine Mehrzahl Stege oder Unter-Stege 346(a) und 346(b) zu unterteilen. Falls, ähnlich der Öffnung 422, der Durchmesser und die Positionierung der Öffnung derart sind, daß der Steg vollständig getrennt ist, wird der Steg in separate Stege unterteilt. Andererseits wird, falls die Öffnung nur teilweise den Steg trennt (z.B. die Öffnung 423), der Steg in Unter-Stege unterteilt. Wie in Figur 27 dargestellt ist, bildet die Öffnung 422 eine elliptische Öffnung in der Seite des Stegs 346 so, daß, aus Sicht der Figur 27, ein radial äußerer Steg 344 sichtbar ist. Aufgrund dieses Aufbaus wird das Kissen 322 durch drei angewinkelte Bänder oder Stege 344, 346(A) und 346(B) getragen.
Das Lagerkissen 323 wird durch vier angewinkelte Stege oder Bänder 344(a), 344(b), 346(a) und 346(b) getragen. Diese Struktur wird durch Bildung eines Lochs oder einer Öffnung 423 erzielt, die sich durch sowohl den Steg 344 als auch den Steg 346 erstreckt und die Kissentrageoberfläche in zwei Abschnitte unterteilt.
Es sollte angemerkt werden, daß hinsichtlich sämtlicher Modifikationen, die hier besprochen sind, die Größe der Öffnungen basierend auf dem Grad ausgewählt werden sollte, zu dem die Stege 344 und 346 in separate Stege unterteilt werden sollen. In einigen Fällen kann es erwünscht sein, die Stegabschnitte vollständig zu trennen, wobei in diesem Fall eine größere Öffnung verwendet werden würde. In anderen Fällen, wie derjenige, der hinsichtlich des Trägers des Lagerkissens 323 dargestellt ist, ist es erwünscht, den Steg an einem gewissen Punkt entlang der Seitenwand des Stegs zu unterteilen. Es sollte angemerkt werden, daß die Zeichnung nur die Vorsehung einer Öffnung für die Lagerkissentragestruktur darstellt, um die Stege 344 und 346 zu unterteilen. Es ist auch möglich, zwei oder mehr Öffnungen ähnlich der Öffnungen 422-426, die in Figur 28 dargestellt sind, vorzusehen, um die Stege 344, 346 in drei oder mehr Stege oder Unter-Stege zu unterteilen. Wie immer hängt eine Bestimmung des Typs des Trägers, der eingesetzt werden soll, von den erwünschten Funktionscharakteristika ab. Allgemein gestaltet eine Unterteilung der Stege in separate Stege oder Unter-Stege die Tragestruktur flexibler. Durch Gestalten der Tragestruktur flexibler in einer Richtung, wie mit der Tragestruktur für die Lagerkissen 322, 324 und 326, werden Lagerkissen in einer vorbestimmten Richtung vorgespannt.
Die Tragestruktur für das Lagerkissen 324 ist ähnlich derjenigen für das Lagerkissen 322, mit der Ausnahme, daß sich die Öffnung 424 durch den äußeren Tragesteg 344 eher als durch den inneren Tragesteg 346 erstreckt. Demzufolge wird ähnlich dem Lagerkissen 322 das Lagerkissen 324 durch drei angewinkelte Schenkel getragen.
Die Tragestruktur für das Lagerkissen 325 ist ähnlich derjenigen für das Lagerkissen 321 mit der Ausnahme, daß eine Öffnung 425 durch den äußeren peripheren Steg 380 und die periphere Membran 360 in einer nicht symmetrischen Position vorgesehen ist. Demzufolge wird das Lagerkissen 325 in einer vorbestimmten Richtung vorgespannt, d.h. die Richtung der größten Flexibilität, die durch die Vorsehung der Öffnung 425 bewirkt wird.
Die Tragestruktur für das Lagerkissen 326 ist ähnlich derjenigen des Lagerkissens 322 mit der Ausnahme, daß die Öffnung 426, die den Steg 346 unterteilt, in einer nicht symmetrischen Ausführung vorgesehen ist, um so ein Lagerkissen 326 in der Richtung der größeren Flexibilität vorzuspannen, d.h. in der Richtung des kleineren, flexibleren Stegs.
Natürlich könnte irgendeine Kombination der Tragestrukturen, die in den Figuren 25-28 dargestellt sind, dazu eingesetzt werden, um erwünschte Funktionscharakteristika zu erzielen.
Die Figuren 29-30 stellen eine andere Ausführungsform des Lagers der vorliegenden Erfindung dar. Wie in den Zeichnungen dargestellt ist, umfaßt dieses Lager eine Mehrzahl Lagerkissen 521-526 (die Stelle ist angedeutet in Figur 30 dargestellt). Jedes der Lagerkissen 521-526 ist einheitlich zu und getragen an einer Lagerkissentragestruktur. Allgemein umfaßt die Lagerkissentragestruktur mindestens eine primäre Tragestruktur, die einen inneren, umfangsmäßigen Tragesteg 546 und einen äußeren, umfangsmäßigen Tragesteg 544, einen sekundären Tragebereich, der eine innere, periphere Membran 362 umfaßt, und einen tertiären Tragebereich, der eine äußere, periphäre Membran 364 umfaßt, und einen inneren, peripheren Tragesteg 382 und einen äußeren, peripheren Tragesteg 380 umfaßt. Hie am besten in Figur 29 dargestellt ist, sind die umfangsmäßigen Tragestege 544, 546 teilweise in einem tiefen, umfangsmäßigen Kanal festgelegt, der sich von dem Boden des Lagers zu dem Lagerkissen erstreckt. Die Tragestege werden weiterhin durch eine Mehrzahl Löcher oder Öffnungen 620 festgelegt, die symmetrisch um die Lagerkissentragestruktur angeordnet sind, die die Stege 544, 546 von benachbarten Stegen trennt. Demzufolge wird zum Beispiel das Lagerkissen 521 an einem Paar Stege 544 und 546 getragen, wobei die Stege allgemein gebogene Seitenwände besitzen. Wie früher erwähnt ist, umfaßt die Stegtragestruktur auch Membr&ne 364, 362 und periphere Stege 380, 382.
Zahlreiche Modifikationen der Lagertragestruktur sind möglich. UM eine Anzahl dieser Möglichkeiten darzustellen, zeigen die Figuren 29 und 30 eine unterschiedliche Tragestruktur für jedes der Lagerkissen 521-526. mwie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform der Figuren 27-28 sind die verschiedenen Tragestrukturen in einem einzelnen Lager zum Zwecke der Erläuterung der vorliegenden Erfindung dargestellt. Bei der normalen Verwendung würde jedes Lagerkissen 521-526 eine ähnliche, obwohl nicht notmwendigerweise Identische, Tragestruktur besitzen, um eine gleichförmige Funktion sicherzustellen.
Die Tragestruktur für das Lagerkissen 522 unterscheidet sich von derjenigen des Lagerkissens 521 durch die Vorsehung eines Lochs oder einer Öffnung 622, die sich durch den inneren, umfangsmäßigen Steg 546 so erstreckt, um den Steg 546 in eine Mehrzahl Stege 546a, 546b zu unterteilen. Aufgrund dieses Aufbaus wird das Kissen 522 durch drei sich vertikal erstreckende Stege oder Bänder 544, 546a und 546b getragen.
Das Lagerkissen 523 ist durch vier sich vertikal erstreckende Stege oder Bänder 544a, 544b, 546a und 546b getragen. Diese Struktur wird durch Vorsehung eines Lochs oder einer Öffnung 623 erreicht, die sich durch sowohl den Steg 544 als auch den Steg 546 erstreckt. Die dünneren Stege, die aus dieser Modifikation resultieren, würden natürlich eine größere Flexibilität als die Tragestruktur für die Lagerkissen 522 und 521 haben.
Das Lagerkissen 524 wird durch fünf relativ dünne, sich vertikal erstreckende Stege oder Bänder getragen. Diese Struktur wird durch Bildung eines Lochs oder einer Öffnung 624, um den inneren Steg 546 in zwei Stege zu unterteilen, und durch Vorsehung von zwei Löchern 624 erreicht, um den äußeren Steg 544 in drei Stege zu unterteilen.
Die Tragestruktur für das Lagerkissen 525 ist ähnlich derjenigen für das Lagerkissen 522, mit der Ausnahme, daß eine zusätzliche Öffnung 635 nicht symmetrisch den äußeren Steg 544 in zwei Stege unterteilt. Aufgrund der nicht symmetrischen Unterteilung des äußeren Stegs 544 wird das Lagerkissen in der Richtung der größeren Flexibilität vorgespannt.
Die Tragestruktur für das Lagerkissen 526 ist ähnlich derjenigen für das Lagerkissen 522, mit der Ausnahme, daß der äußere Steg 544 eher als der innere Steg 546 geteilt ist. Weiterhin ist die Öffnung 626 etwas größer als die Öffnung 622, so daß eine Nut an dem äußeren Umfang des inneren Stegs 546 gebildet wird, um so den inneren Steg 546 etwas flexibler zu gestalten.
Natürlich könnte irgendeine Kombination der Tragestrukturen, die in den Figuren 29, 30 dargestellt sind, dazu eingesetzt werden, um erwünschte Funktionscharakteristika zu erzielen.
Die Figuren 29A, 29B, 30A und 30B stellen im Detail ein Axiallager darf bei dem die Lagerkissen 521A eine Tragestruktur sehr ähnlich zu derjenigen besitzen, die dazu verwendet wird, das Lagerkissen 521 in den Figuren 29 und 30 zu tragen. Der Lageraufbau ist allerdings insoweit unterschiedlich, als die Stege 544A und 546A umfangsmäßig enger und vertikal kürzer als deren Gegenstücke in dem Lager, das in den Figuren 29 und 30 dargestellt ist, sind. Natürlich sind kürzere Stege steifer als die vergleichbar längeren Stege und schmalere Stege sind weniger steif als vergleichbar breitere Stege. Weiterhin ist der Steg 544A radial schmaler als der Steg 546A; wogegen in dem Lager, das in den Figuren 29, 30 dargestellt ist, die Stege 544 und 546 gleiche Breiten besitzen. Der Unterschied in der radialen Dicke wird kompensiert, da die große Öffnung 620, die die umfangsmäßige Erstreckung der Stege 544A und 546A festlegt, derart angeordnet ist, daß der Steg 544A wesentlich breiter in der umfangsmäßigen Richtung als der Steg 546A ist. Schließlich sollte angemerkt werden, daß die Öffnungen 620 wesentlich größer als die entsprechenden Öffnungen 620 in dem Lageraufbau der Figuren 29 und 30 sind. Natürlich erhöhen die größeren Öffnungen die Flexibilität der Tragestruktur, die dadurch gebildet wird.
Die Figuren 35-37 stellen ein kombiniertes, axiales und radiales, hydrodynamisches Lager dar. Das Lager, das in Figur 35 dargestellt ist, ist sehr ähnlich dem Lager, das in Figur 34 dargestellt ist, und entsprechende Bezugszeichen werden dazu verwendet, die entsprechende Struktur zu bezeichnen. Ähnlich ist, wie in dem Querschnitt in Figur 37 gezeigt ist, das Lager der Figuren 36-37 in gewisser Weise ähnlich den Radial lagern, die in den Figuren 4 und 14D dargestellt sind, mit der Ausnahme, daß das Lagerkissen 1032 und die Lagerkissentragestruktur, die Stege undloder Membrane 1034, 1036 und 1038 umfaßt, durch proportional größere Schlitze und Nuten festgelegt wird. Allerdings unterscheiden sich die Radial-Axiallager von den nur radialen Lagern dahingehend, daß die Lagerkissenoberfläche 1032ps hinsichtlich der Hauptachse 1006 angewinkelt ist. Aufgrund dieser angewinkelten Kissenoberfläche tragen die Lager der Figuren 35-37 Lasten, die sowohl entlang der Hauptachse 1006 als auch radial von der Achse 1006 wirken.
Die Welle muß, damit sie durch die angewinkelte Kissentragefläche 1032ps getragen werden kann, mit einem Läufer befestigt werden, der unter einem Winkel komplementär zu dem Winkel der Kissentragefläche angewinkelt ist. Der Anteil der axialen Last, die durch das Lager aufgenommen wird, und der Anteil der radialen Last, die durch das Lager aufgenommen wird, hängt von dem Winkel der Kissenoberfläche 1032ps ab. Falls das Kissen unter einem Winkel α hinsichtlich der Hauptachse 1006 angewinkelt wird, kann die axiale Last, die auf das Lager aufgebracht wird, durch die nachfolgende Gleichung bestimmt werden: aufgebrachte axiale Last - totale axiale Last (sinα).
Ähnlich kann die radiale Last, die auf das Lager aufgebracht wird, durch die folgende Gleichung bestimmt werden:
aufgebrachte radiale Last - totale radiale Last (cosα).
Die Tragestruktur für das Lager, das in Figur 35 dargestellt ist, ist ähnlich der Tragestruktur für das Lager, das in Figur 34 dargestellt ist.
Die Tragestruktur für das Lager, das in den Figuren 36 und 37 dargestellt ist, umfaßt eine primäre Tragestruktur für die beabstandeten Lagerkissen 1032, die einen Steg 1034 besitzen, der das Lagerkissen 1032 trägt, eine tertiäre Tragestruktur, die ein Paar umfangsmäßiger Stege 1038 aufweist, die kontinuierlich sein kann. Die sekundäre Tragestruktur weist eine Membran 1036 oder ein Netzwerk aus Stegen 1036 zur Verbindung des Stegs 1034 mit den Stegen 1038 auf Wie am deutlichsten in Figur 36 dargestellt ist, ist die Tragestruktur für jedes der Vielzahl Tragekissen 1032 nicht symmetrisch. Demgemäß ist das Lager, das in den Figuren 36 und 37 dargestellt ist, unidirektionell.
Allgemein kann irgendeiner der Achslageraufbauten, die in dieser Anmeldung beschrieben sind, bei dem Design kombinierter Radial-Axiallager des Typs eingesetzt werden, der in den Figuren 36 und 37 dargestellt ist. Natürlich muß, um die kombinierte Radial- und Axiallagercharakteristik zu erzielen, die Lagerkissenoberfläche unter einem Winkel zwischen 0 und 90 Grad zu der Hauptachse angewinkelt sein. Weiterhin wird sich das Erfordernis, sowohl radiale als auch axiale Lasten aufzunehmen, notwendigerweise bei dem Design der Lagerkissentragestruktur auswirken.
Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Angabe spanabhebend bzw. maschinell bearbeitbarer Lagerformen. Anders ausgedrückt handelt es sich um Lagerformen, die durch spanabhebende Bearbeitung eines Stücks starkwandigen Rohrs oder eines ähnlichen zylindrischen Lagers, das standardmäßig verfügbare spanabhebende Bearbeitungstechniken verwendet. Solche Lager sind durch die Tatsache gekennzeichnet, daß sie aus einem Stück starkwandigen Rohrs oder eines zylindrischen oder ähnlich zylindrischen Lagers durch Bildung von Bohrungen, Schlitzen und Nuten gebildet werden. Der Vorteil solcher Lager ist derjenige, daß es einfach ist, Prototypen herzustellen und diese Prototypen nach dem Testen zu modifizieren. Natürlich können, wenn die Lager in der Massenherstellung gefertigt werden, unter Verwendung von zum Beispiel Spritz- oder Gießtechniken, unterschiedliche Herstellumstände unterschiedliche Formen diktieren. Es ist wichtig zu erkennen, daß Änderungen in der Form die Lagerfunktion beeinflussen.
Eine andere Herstellbetrachtung ist die Einfachheit eines Spritzens bzw. Gießens. Natürlich sind die meisten Lagerkonstruktionen der vorliegenden Erfindung dazu geeignet, daß sie durch dieselbe Gieß- bzw. Spritztechnik gegossen bzw. gespritzt werden. Allerdings können nur bestimmte Formen in einer einfachen, zweistückigen Gießform spritzgegossen werden, d.h. einer Form, die keine Ansätze umfaßt. Ein anderer Vorteil der Lager der vorliegenden Erfindung ist derjenige, daß die Lager mit einfach giebbaren Formen festgelegt werden sollen, wie mit Formen, die spritzgegossen werden können, unter Verwendung einer einfachen, zweiteiligen Gießform. Eine einfach spritzbare Form ist allgemein durch das Nichtvorhandensein von "verdeckten" Hohlräumen, die Ansätze zum Gießen erfordern, gegeben. Zum Beispiel umfaßt hinsichtlich der Radiallager eine einfach gießbare Form sich nicht radial erstreckende Nuten in dem inneren und äußeren Durchmesser und einen kontinuierlichen, axialen Querschnitt. Das Lager, das in den Figuren 32, 32A und 32B dargestellt ist, ist ein Beispiel eines einfach gießbaren Radialoder Achslagers.
Ähnlich sind einfach gießbare Axiallager durch die Tatsache gekennzeichnet, daß sie mit einer einzelnen Gußnaht gegossen werden können, so daß zum Beispiel dann, wenn sie nur von der Oberseite oder dem Boden aus betrachtet werden, alle Oberflächen sichtbar sind.
Die Figuren 38A-38C stellen ein einfach gießbares Axiallager dar. Das Lager umfaßt eine Mehrzahl umfangsmäßig beabstandeter Lagerkissen 132m und eine Tragestruktur, die jedes der Lagerkissen 132m trägt. Die Tragestruktur umfaßt einen primären Tragebereich, der umfangsmäßige Stege 134mb und 134ma umfaßt, einen sekundären Tragebereich, der einen sich radial erstreckenden Steg 136m umfaßt, und einen tertiären Tragebereich, der ein stumpfähnliches Paar Stege 138m umfaßt. Es sollte angemerkt werden, daß in den Figuren 38A-38C die Abmessungen der Tragestruktur etwas verzerrt sind, um eine Klarheit zu schaffen. Zum Beispiel sind, wie in Figur 38C dargestellt ist, die umfangsmäßigen Stege 134ma und 134mb extra dick dargestellt. Eine solche Stegstruktur würde einen relativ steifen Träger für die Lagerkissen 132m liefern und in der Praxis würde ein solcher steifer Träger wahrscheinlich nicht notwendig oder erwünscht sein.
Variationen der spezifischen) gießbaren Stegstruktur) die dargestellt ist, sind möglich. Zum Beispiel können irgendeines oder beide der beabstandeten, umfangsmäßigen Stegsegmente 134ma oder 134mb als ein kontinuierlich, umfangsmäßiges Stegelement gebildet sein. Zusätzlich könnte der sekundäre Tragebereich eine Vielzahl sich radial erstreckender Stege zwischen jedem Lagerkissen 132m umfassen. Weiterhin könnte die primäre Tragestruktur so modifiziert werden, um drei oder mehr umfangsmäßige Stegsegmente zu umfassen, die jedes Paar benachbarter Lagerkissen verbinden, und/oder umfangsmäßige Stegsegmente unterschiedlicher radialer Breiten könnten verwendet werden. Weiterhin könnten die stumpfähnlichen Stegbereiche 138m entlang der sich radial erstreckenden Kanten der Stege 136 im Gegensatz zu den sich umfangsmäßig erstreckenden Enden vorgesehen werden. Schließlich könnte mit irgendeinem Lager gemäß der vorliegenden Erfindung die Struktur durch Variieren der Länge oder der Dicke irgendeines der Elemente in der Tragestruktur variiert werden, um die Ablenkungscharakteristika der Tragestruktur zu modifizieren.
Um eine Anzahl möglicher Tragestrukturaufbauten darzustellen, zeigt Figur 38D eine unterscheidliche Tragestruktur für jedes der Lagerkissen 321m-326m. Insbesondere zeigt Figur 380 eine Bodenansicht mit den Modifikationen, die darin dargestellt sind. Es sollte verständlich werden, daß diese verschiedenen Tragestrukturen in einem einzelnen Lager zu Zwecken der Darstellung der Erfindung gezeigt sind. Bei der normalen Verwendung würde jedes der Lagerkissen 321m-326m eine ähnliche, obwohl nicht notwendigerweise identische, Tragestruktur haben, um eine gleichförmige Funktion sicherzustellen.
Der Träger für das Lagerkissen 321m unterscheidet sich von demjenigen der Lagerkissen 132m dahingehend, daß sich ein oval geformter Vorsprung von der Rückseite der Lagerkissenoberfläche erstreckt, um einen steifen Träger für die äußere Umfangskante des Lagerkissens 321m zu schaffen. Aufgrund dieses Aufbaus würde das Lagerkissen 321m extrem steif an seinem äußeren Umfangsende sein.
Der Träger für das Lagerkissen 322m ist ähnlich zu dem von 321m, mit der Ausnahme, daß sich, im Gegensatz zu einem einzelnen, großen Vorsprung, zwei kleinere Vorsprünge 122m von dem Boden des Lagers in der Nähe der äußeren Umfangskante des Lagerkissens erstrecken. Ähnlich dem Vorsprung 120m liefern diese zwei Vorsprünge 122m eine Steifigkeit an der äußeren Umfangskante des Lagerkissens 322m. Allerdings ermöglicht dieser Aufbau des Lagers, sich in den ungestützten Bereich zwischen den Vorsprüngen abzulenken.
Das Lagerkissen 323m wird durch-eine modifizierte Tragestruktur getragen, die einen kontinuierlichen, umfangsmäßigen Steg 134ma in dem primären Tragebereich umfaßt. Ähnlich umfaßt das Lagerkissen 324m einen kontinuierlichen, inneren umfangsmäßigen Steg 134mb. Die Vorsehung solcher kontinuierlicher Stege erhöht die Steifigkeit der Lagertragestruktur.
Die Tragestruktur für das Lagerkissen 325 wird durch die Vorsehung großer Öffnungen 142m in dem inneren Steg 134mb und kleinerer Öffnungen 144 in dem äußeren Steg 134ma modifiziert. Die Vorsehung dieser Öffnungen erhöht die Flexibilität der Stege. Natürlich erhöhen die größeren Öffnungen 142 die Flexibilität der Stege in einem größeren Ausmaß als die kleinen Öffnungen 144. Variationen dieser Tragestruktur umfassen die Verwendung unterschiedlich dimensionierter Öffnungen oder eine unterschiedliche Anzahl an Öffnungen, um das Lagerkissen 325m in einer vorbestimmten Richtung vorzuspannen.
Das Lagerkissen 326m wird durch eine modifizierte Struktur getragen, in der der primäre Tragebereich eine Membran 134m im Gegensatz zu einem Paar Stege umfaßt. In dem dargestellten Beispiel ist eine der Nembrane mit einer Öffnung 146 versehen, um das Lagerkissen 326m in einer vorbestimmten Richtung vorzuspannen. Natürlich ist die Vorsehung der Öffnung 146m nicht notwendig, und, falls es erwünscht ist, könnte eine Anzahl Öffnungen vorgesehen werden.
Wie aus diesen Zeichnungen ersichtlich ist, umfassen die spritzbaren Lager nicht irgendwelche verdeckten Hohlräume, die die Verwendung einer komplexen Gießform und/oder einer Gießform, die einen verschiebbaren Vorsprung umfaßt, erfordern würde. Insbesondere kann, da jede Oberfläche der Lagerstruktur direkt in entweder der Draufsicht der Figur 38A oder der Bodenansicht der Figur 38B sichtbar ist, das Lager einfach unter Verwendung einer zweiteiligen Gießform gespritzt werden. Genauer gesagt legt ein erstes Gießformteil diejenigen Oberflächen fest, die direkt nur in der Oberseitenansicht der Figur 38A sichtbar sind. Das zweite Gießformteil legt diejenigen Oberflächen fest, die nur in der bodenseitigen Ansicht der Figur 38B sichtbar sind. Oberflächen, die Kanten besitzen, die in den Figuren 38A und 38B sichtbar sind, können unter Verwendung irgendeiner oder beider Gießformen gespritzt werden. In dem dargestellten Lager wird eine einfache Spritz- bzw. Gießbarkeit erreicht, da der sekundäre und der tertiäre Tragebereich umfangsmäßig in dem Zwischenraum zwischen den Lagerkissen angeordnet sind. Die Modifikationen, die in Figur 38D dargestellt sind, ändern nicht die einfache Gießbarkeit des Lagers.
Noch komplexere Varianten des gießbaren Axiallagers, das in den Figuren 38A-38D dargestellt ist, sind möglich. Insbesondere kann irgendeine der zuvor besprochenen Modifikationen der Lagerstruktur, die für ein einfaches Gießen geeignet ist, eingesetzt werden. Zum Beispiel könnten die primären Tragestege kontinuierlich sein. Demzufolge erfordert die Vorsehung eines einfach gießbaren Lagers nicht notwendigerweise einen einfachen Lageraufbau. Ein Beispiel einer komplexeren Lagerstruktur ist in den Figuren 39A-39C dargestellt.
Wie in den Figuren 39A-C dargestellt ist, umfaßt das Lager eine Vielzahl umfangsmäßig beabstandeter Lagerkissen 232m, die durch eine Lagerkissentragestruktur getragen werden. Der sekundäre und der tertiäre Bereich der Lagerstruktur sind ähnlich den entsprechenden Bereichen der Lagertragestruktur der Figur 38. Allerdings unterscheidet sich das Lager der Figur 39 von dem Lager der Figur 38 dahingehend, daß in dem Lager der Figur 39 der primäre Tragebereich eine Vielzahl komplexer Stege 234 umfaßt. Genauer gesagt ist jedes Lagerkissen durch einen radial äußeren, kontinuierlichen, komplexen, umfangsmäßigen Steg 234ma getragen. Die Kissen werden weiterhin durch eine Mehrzahl voneinander beabstandeter, umfangsmäßiger, komplexer Stege 234mb getragen. Die komplexen Formen des kontinuierlichen Stegs 234ma und der Stegsegmente 234mb können am besten unter Bezugnahme auf die Figur 39C ersichtlich werden, die, etwas schematisch, das Profil der komplexen Stege 234 darstellt. Im Betrieb funktionieren die Stege 234ma und 234mb als ein Steg-Netzwerk. Demzufolge kann ersichtlich werden, daß zahlreiche komplexe Axiallagerkonstruktionen eingesetzt werden können, wobei die Möglichkeit, das Lager mit einer einfachen, zweiteiligen Gießform herzustellen, d.h. eine einfache Gießbarkeit, beibehalten wird. Natürlich liefert jede Struktur einzigartige Ablenkungscharakteristika, die beim Aufbau des Lagers für eine optimale Keilbildung beachtet werden müssen.
In bestimmten gas- oder luftgeschmierten Ablenkungskissenlagern sind Fälle vorhanden, wo die Lasten oder Geschwindigkeiten die Fähigkeit eines Luftfilms überschreiten. In diesen Fällen ist es notwendig, ein Schmiermittel eines flüssigen Typs in den konvergierenden Keil ohne die Vorsehung eines Flüssigkeitsreservoirs oder -bads einzuführen. Die Figuren 4D, 40A, 41 und 41A stellen Lagerkonstruktionen zum Erreichen dieses Zweckes dar. Insbesondere stellen diese Zeichnungen eine neuartigeb selbstschmierende Ablenkungskissenlagerstruktur gemäß einem anderen wichtigen Aspekt der vorliegenden Erfindung dar. Das Lager ist im wesentlichen ein Ablenkungskissenlager des Typs, der hier beschrieben ist, der so modifiziert wurde, daß er schmierenden Kunststoff in seinen verschiedenen Öffnungen umfaßt.
Der Kunststoff, der für das Lager eingesetzt wird, ist ein herkömmlicher, spritzbarer, poröser Kunststoff, der zum Absorbieren von Schmiermittelflüssigkeit geeignet ist, wenn er in einer solchen Flüssigkeit getränkt wird. Ein solcher Kunststoff wird unter dem Handelsnamen POREX verkauft. Allgemein kann ein poröser Kunststoff aus verschiedenen Kunststoffen durch Injektion von Luft in das Kunststoffmaterial gebildet werden, um die Poren zu bilden. Insbesondere wird Flüssigkeit in dem porösen Kunststoff in einer dochtartigen Art und Weise arbsorbiert und durch den Kunststoff festgehalten.
Das schmierende Ablenkungskissenlager ist durch Verwendung eines herkömmlichen Radial-Axial- oder kombinierten Radial- und Axial-Ablenkungskissenlagers des Typs, der vorstehend beschrieben ist, und Gießen oder Spritzen des herkömmlichen, porösen Kunststoffes um und in die Zwischenräume zwischen den Ablenkungsteilen aufgebaut. Als Folge dieses Aufbaus bewirkt während des Betriebs die Bewegung der Welle und die Kompression der Ablenkungsteile, daß schmierende Flüssigkeit den porösen Kunststoff verläßt, wobei es in die voranführende Kante des konvergierenden Keils hineingezogen wird. Die Bildung des flüssigkeitsgefüllten Keils erhöht in großem Umfang die Last- und Geschwindigkeitsfähigkeit des Lagers. Nachdem die Flüssigkeit über die Kissenoberfläche vorbeigeführt ist, wird sie wieder durch den porösen Kunststoff absorbiert, nachdem sie die nachlaufende Kante verläßt.
Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Komposit-Struktur, die Standardlagermaterial mit porösem Kunststoff kombiniert. Aufgrund dieses Komposits ist es möglich, den Vorteil der einzigartigen Charakteristika beider Materialien zu nutzen. Genauer liefern herkömmliche, poröse Kunststoffe alleine schlechte Ablenkungskissen-Lagermaterialien, da die Poren in dem Kunststoff tatsächliche Fehlstellen sind und für die Entwicklung des sehr dünnen Fluidfils ungünstig sind. Andererseits sind herkömmliche Kunststoff- oder Metall-Lagermaterialien, die keine Poren besitzen, zum Absorbieren von Schmiermittel in irgendeinem größeren Umfang ungeeignet. Allerdings kann durch die Verwendung beider Materialien in der Art und Weise, die beschrieben ist, ein effektives, selbstschmierendes, hydrodynamisches Lager erhalten werden. Weiterhin sind synergetische Ergebnisse aus der kombinierten Verwendung von Standardmaterial und Schmiermittel absorbierendem, porösem Kunststoff vorhanden. Zum Beispiel unterstützen die Ablenkungen der Lageroberfläche das Hineindrücken des flüssigen Schmiermittels in die voranführende Kante. Weiterhin unterstützt eine Kanalisierung oder Schmiermittelrückhaltedeformation der Lageroberfläche die Aufnahme der Flüssigkeit.
Die Figuren 40 und 41 stellen zwei Beispiele des selbstschmierenden Ablenkungskissenlagers dar. Insbesondere stellen diese Zeichnungen Lager ähnlich den Lagern dar, die zuvor beschrieben sind, die so modifiziert worden sind, um den Flüssigkeit absorbierenden, porösen Kunststoff, der in die Zwischenräume zwischen den Ablenkungsteilen eingefüllt ist, einzuschließen. In einem gewissen Umfang wirkt das Lager als ein Skelettbereich und der poröse Kunststoffbereich wirkt als ein Schmiermittelaufnahme- und Freigabeschwamm.
Insbesondere stellen die Figuren 40 und 40A ein selbstschmierendes Radiallager dar, das eine unterlegende Lagerstruktur besitzt, die im wesentlichen identisch zu dem Lager ist, das in den Figuren 32 und 32A dargestellt ist. Allerdings ist die Lagerstruktur der Figur 40 so modifiziert, daß der poröse Kunststoff die Öffnungen zwischen den Lagern und den Öffnungen innerhalb der Tragestruktur füllt, die kontinuierlich zu den Zwischenräumen zwischen den Lagerkissen 732 sind. Natürlich könnten die Zwischenräume zwischen den Lagerkissen mit porösem Kunststoff ebenso gefüllt werden. Allerdings würde, ohne daß dort eine Verbindung zwischen dem porösen Kunststoff und der Lagerkissenoberfläche vorhanden ist, die Vorsehung solcher porösen Kunststofflächenbereiche ohne Wirkung sein.
In ähnlicher Weise stellen die Figuren 41 und 41A ein kombiniertes Axial- und Radiallager dar, das eine Konstruktion im wesentlichen identisch zu der Konstruktion des kombinierten Radial- und Axiallagers, das in den Figuren 36 und 37 dargestellt ist, besitzt. Allerdings ist wiederum der poröse Kunststoff in die Lücken oder Zwischenräume innerhalb der Tragestruktur zwischen dem Ende zwischen den Kissen eingespritzt. Wiederum führt die Injektion des porösen Kunststoffs, wie dies dargestellt ist, zu einem Lager, das einen kontinuierlichen inneren Durchmesser besitzt. Allerdings variieren, ähnlich dem Lager der Figur 40, die Materialcharakteristika über den inneren Durchmesser wesentlich.
Genauer gesagt umfaßt, ähnlich dem Lager der Figur 40, der innere Durchmesser des Lagers der Figur 41 Keiltragelagerkissenoberflächen und umfangsmäßig beabstandete Schmiermittelfreigabe- und Absorptions und Rückhaltebereiche. Im Betrieb bewirkt die Bewegung der Welle und die Kompression der Ablenkungsteile, daß die Schmiermittelflüssigkeit den porösen Kunststoff verläßt und in die voranführende Kante des konvergierenden Keils gezogen wird. Die Bildung des flüssigkeitsgefüllten Keils erhöht in großem Waß die Last- und Geschwindigkeitsfähigkeit der Lager.
Die Herstellung des selbstschmierenden Ablenkungskissenlagers umfaßt drei wesentliche Schritte. Zuerst wird der Basislager- oder Skelettbereich aus Standardlagermaterial gebildet. Zweitens wird der poröse Kunststoff in die erwünschten Zwischenräume in der Lagerstruktur injiziert. Zu Zwecken der Herstellungsvereinfachung wird der Kunststoff in das Lager ohne Schmiermittel injiziert. Abschließend wird das Lager mit dem porösen Kunststoff, der in die erwünschten Zwischenräume injiziert ist, mit flüssigem Schmiermittel beladen. Um den Kunststoff geeignet mit flüssigem Schmiermittel zu beladen, ist es notwendig, das Schmiermittel von einer Seite aus hineinzuziehen. Das Hineinlassen der Flüssigkeit führt zu einem ungefüllten, inneren Bereich. Dies wird dadurch bewirkt, daß Poren nicht ermöglicht wird, von einer Seite aus zu belüften. In Figur 40 ist die Basislagerstruktur eine kombinierte Radial- und Axial struktur ähnlich derjenigen, die in Figur 36 dargestellt ist. Allerdings füllt der poröse Kunststoff die Lücken innerhalb der Tragestruktur. Die Vorsehung des porösen Kunststoffs führt zu einem Kompositlager, das eine Oberfläche mit kontinuierlichem inneren Durchmesser besitzt. Allerdings variieren die Ablenkungscharakteristika über die Oberfläche in großem Maße. Insbesondere sind die Ablenkungskissen, die aus Standardlagermaterialien, wie beispielsweise aus Metall oder nicht-porösem Kunststoff, gebildet sind, für eine Ablenkung und die Bildung eines Fluidkeils geeignet. Andererseits sind die porösen Kunststoffbereiche für eine Kompression geeignet, um so Schmiermittel an der voranführenden Kante der Lagerkissen freizugeben und Schmiermittel an der nachlaufenden Kante der Lagerkissen zu absorbieren.
Wie im Zusammenhang mit jedem der erläuternden Beispiele, die vorstehend beschrieben sind, angemerkt ist, können die Lager der vorliegenden Erfindung, die so gebildet werden, daß sie ein Keilverhältnis von 1:2 bis 1:5 bilden, eine deformierbare Lageroberfläche besitzen, deren Form modifiziert werden kann, um sechs- Freiheitsgrade des Kissens zu erlauben und eine Dämpfungswirkung eines (hydraulischen) Stoßdämpfertyps zu liefern. Die Lager sind typischerweise eine unitäre Konstruktion.
Aufgrund des Keils, der durch Ablenkung des Lagerkissens und der Fähigkeit des Lagerkissens gebildet wird, sich in sechs Freiheitsgraden zu bewegen, liefert das Lager der vorliegenden Erfindung außergewöhnliche Funktionscharakteristika. Insbesondere können die Lagerabmessungen und Ablenkungsvariablen, die die Anzahl, die Größe, die Form, die Stelle und die Materialcharakteristika der Elemente umfassen, in dem unitären Lager auf irgendeine spezifische Anwendung zugeschnitten werden, um eine breite Vielfalt von Lasten zu tragen. Von diesen Variablen ist die Form der Trageteile besonders wichtig. Der Einfluß der form der Trageteile auf die Ablenkungscharakteristika der Tragestruktur kann ersichtlich werden, wenn die variablen Formeln für das Trägheitsmoment bh³/12 (englische Einheiten) (die Hauptkomponente des Schnittmoduls für einen rechteckigen Abschnitt, z - I/c - bh²/6) in einem Beispiel verwendet werden. Weiterhin ermöglicht die Fähigkeit des Kissens, sich in sechs Freiheitsgraden zu bewegen, dem Lager, irgendeine Hellenfehlausrichtung zu kompensieren und zu korrigieren. In dieser Hinsicht ist anzumerken, daß die Lager der vorliegenden Erfindung eine selbstkorrigierende Charakteristik besitzen, die aus der Tendenz des Lagers resultiert, zu seinem nicht abgelenkten Zustand aufgrund der Steifheit des Lagers zurückzukehren. Natürlich ist die Steifheit des Lagers primär eine Funktion der Form der Tragestruktur und in einem geringeren Ausmaß der anderen Ablenkungsvariablen, einschließlich der Anzahl, der Größe, der Stelle und der Materlaicharakteristika der Elemente, die durch die Nuten und Einschnitte oder Schlitze, die in dem unitären Element gebildet sind, festgelegt sind. Steifere Lager besitzen eine größere selbstkorrigierende Tendenz, sind allerdings weniger in der Lage, sind auf eine Wellenfehlausrichtung einzustellen.
Tests haben gezeigt, daß Lager, die die Merkmale der vorliegenden Erfindung einsetzen, eine drastisch verbesserte Funktion gerade im Vergleich mit der Struktur liefern, die in dem früheren Patent des vorliegenden Erfinders offenbart ist, der US-A-4,496,251. In einem kürzlichen Test wurden Achslager, die hier offenbart sind, in einem Radiallager mit einer radialen Umhüllung von 2,31 mm (0,091") verwendet. Nach innen gerichtete Ablenkungen des Lagerkissens betrugen 0,076 mm (0,0003"), die eine außergewöhnliche Stabilität und Lagereigenschaft liefern. Eine vergleichbare Verschiebung, die die Anordnung verwendet, die in dem älteren Patent des vorliegenden Erfinders, der US-A-4,496,251 verwendet wird, würde einen erforderlichen radialen Zwischenraum von 7,6 mm (0,30") haben.
In herkömmlichen hydrodnyamischen Achslagern ist es typischerweise notwendig, einen Fluidfilm-Freiraum zwischen der Lagerkissenoberfläche und dem Wellenbereich, der getragen werden soll, vorzusehen. Dies erfordert extrem enge Herstellungstoleranzen, die ein Hindernis hinsichtlich einer Herstellung mit hohen Produktionszahlen darstellen können.
Die Lager der vorliegenden Erfindung können so aufgebaut werden, um das Erfordernis solcher enger Herstelltoleranzen zu vermeiden. Insbesondere ist es durch Vorsehung geeigneter Bohrungen, Nuten, Einschnitte oder Schlitze möglich, ein Lager festzulegen, das tatsächlich irgendeine erwünschte Funktionscharakteristik besitzt. Ein solches Charakteristikum ist die Steifheit oder Federcharakteristik des Lagerkissens in der Richtung der Last, d.h. in der radialen Richtung (radiale Steifheit) hinsichtlich Achslagern und in der axialen Richtung (axiale Steifheit) hinsichtlich Axiallagern. Es ist auf dem Gebiet der Lager bekannt, daß der Fluidfilm zwischen der Melle und dem Lager als eine Feder modellmäßig betrachtet werden kann, da er eine berechenbare radiale oder axiale Fluidfilmsteifheit oder eine Federcharakteristik besitzt. Dies trifft sowohl für kompressible als auch nicht kompressible Fluide zu, allerdings ist sie insbesondere für Gasfluid-Schmiermittel nützlich. Die Fluidfilmsteifheit und die Lagersteifheit wirkt gegensätzlich zueinander derart, daß sich dann, wenn die Fluidfilmsteifheit oder Federcharakteristik die Lagersteifheit oder Federcharakteristik übersteigt, das Lager in der Richtung der Fluidfilmsteifheit ablenken wird (d.h. die radiale Richtung für Achslager und die axiale Richtung für Axiallager), bis die Steifheit des Fluids und des Lagers im Gleichgewicht sind. Demzufolge wurde herausgefunden, daß es dann, wenn ein Achslager so aufgebaut wird, daß die radiale Steifheit des Lagers geringer als die radiale Steifheit des Fluidfilms ist, nicht notwendig ist, einen präzisen Abstand zwischen der Welle und dem Lager zu bilden, da die radiale Steifheit des Fluidfilms automatisch und unmittelbar unter Drehung der Welle eine geeignete radiale Ablenkung des Achslagers bewirkt. Die virtuell anfängliche Keilbildung führt zu einer virtuell anfänglichen Bildung des schützenden Fluidfilms, wodurch eine Beschädigung der den Keil bildenden Oberfläche verhindert wird, die typischerweise unter niedrigen Geschwindigkeiten während der Bildung des Fluidfilms auftritt.
Die radiale Steifheit des Lagers ist natürlich primär eine Funktion des Widerstands- oder Biegungs-ents der Tragestruktur, das von der Form der Tragestruktur abhängt. Die radiale Steifheit des Kissens hängt auch von der Länge der Schlitze oder Einschnitte, die in dem Lager gebildet sind, ab. Dasselbe trifft für Axiallager zu, natürlich mit der Ausnahme, daß die axiale Steifheit des Lagers kritisch ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine hohe Funktion ohne enge Herstelltoleranzen zu erreichen, die typischerweise für hydrodynamische Lager erforderlich sind.
Zum Beispiel können die Lager der vorliegenden Erfindung so aufgebaut werden, daß sie einen Paßsitz haben, wenn sie an der Welle installiert werden, derart, daß sich, wenn das Lager mit Kraft auf die Welle aufgebracht wird, die Kissen ablenken, geringfügig so, daß sie eine konvergierende Keilform bilden, während in dem stationär installierten Zustand ein Kontakt zwischen dem Lagerkissen und der Welle an der nachlaufenden Kante gegeben ist. Zu Anfang des Anlaufens tritt der Fluidfilm in den Keil ein und baut einen Fluiddruck auf, der eine Separation der Welle und des Kissens bewirkt. Demzufolge können gemäß einem anderen wichtigen Aspekt dieser Erfindung die Lager der vorliegenden Erfindung so aufgebaut und dimensioniert werden, daß die nachlaufende Kante des Lagers mit dem Wellenbereich, der getragen werden soll, wenn die Welle ruht, in Berührung steht.
Die Axiallager der vorliegenden Erfindung können so aufgebaut sein, um einen statisch belasteten Keil zu bilden. Um einen statisch belasteten Keil zu bilden, ist die Tragestruktur für die Lager so aufgebaut, daß sich die Lagerkissen zu der Welle von der radial inneren Umfangskante des Lagerkissens zu der radial äußeren Umfangskante des Lagerkissens biegen.
Weiterhin ist die Tragestruktur so aufgebaut, daß sich das Lagerkissen zu der Welle von der sich radial erstreckenden, voranführenden Kante zu der nachlaufenden Kante biegt. Auf diese Weise wird ein statisch belasteter Keil, der sich dem optimalen Keil annähert, gebildet. Weiterhin wird das Kissen zu der Welle an der äußeren Umfangskante so gebogen, um die erwünschte Fluid zurückhaltende Charakteristik zu erreichen. Die Steifheit der Tragestruktur kann auch so aufgebaut werden, daß ein geeigneter Zwischenraum zwischen den Kissen und der Welle unmittelbar unter Drehung der Welle aufgebaut wird.
Alternativ kann das Lager so aufgebaut sein, daß das gesamte Lagerkissen den Wellenbereich, der getragen werden soll, berührt, wenn die Welle ruht. Dieser Aspekt der vorliegenden Erfindung ist insbesondere bei der Massenproduktion der Lager und bei Lagern nützlich, die gasschmierende Fluide verwenden, da es eine viel größere Variation der Bearbeitungs toleranzen erlaubt. In einem Beispiel kann eine Variation von 0,07 mm (0,003 Inch) vorgesehen werden, um eine unwesentliche Auswirkung auf den Keil zu haben, wogegen eine herkömmliche spanabhebende Bearbeitung der bekannten Gaslager eine Toleranz von 0,00000x erfordert, die nur durch die Verwendung hoch entwickelter und teurer Waschinentechniken, wie beispielsweise eine spanabhebende Bearbeitung im Mikro-Inch-Bereich über Ätzen, erreicht werden kann.
In geringen Mengen werden die Lager, die hier offenbart sind, vorzugsweise durch spanabhebende Bearbeitung mittels elektrischer Entladung oder durch Laserschneidverfahren hergestellt. Die Doppellinien, die in den Zeichnungen dargestellt sind, zeigen die tatsächlichen Pfade des Drahts oder des Strahls, der typischerweise einen Durchmesser von 0,50-1,52 mm (0,002-0,060") aufweist. Das Schmiermittel, das in die mit elektrischer Entladung spanabhebend bearbeiteten Pfade strömt, wirkt als ein Fluidbefeuchter, der irgendeine Vibration oder Instabilität unter Resonanzfrequenzen reduziert. In den Situationen, die vorstehend beschrieben sind, wo eine kontinuierliche, zylindrische Membran gebildet wird, findet die Dämpfung in Form eines Stoßdämpfers statt, der hohe Dämpfungscharakteristika liefert. Eine wesentliche Berücksichtigung bei dem Design ist dasjenige, daß die Tragestrukturlänge und die Richtung so orientiert werden, um eine nach innen gerichtete Ablenkung, wie dies in Figur 3 dargestellt ist, zu schaffen. Auch kleinste Ablenkungen der Kissen selbst in der Richtung der Last, wie dies in Figur 9 dargestellt ist, führen zu exzentrischen Änderungen, die weiter die Lagerfunktion verbessern. Es ist anzumerken, daß in Faires, "Design of Machine Elements" der Abstand zwischen der Mitte des Lagers und der Witte der Welle, als die Exzentrizität des Lagers bezeichnet wird. Diese Terminologie ist dem Fachmann auf dem Gebiet der Lagertechnik ausreichend bekannt. Mit der neuen Annäherung der Einstellung und Modifizierung der Steifheit der Lagerkonfiguration oder der Struktur und insbesondere des Stegs, um eine bestimmte Lageranwendung zu erfüllen, wird eine optimale Funktion leicht erhalten. Kürzliche Computeranalysen haben demonstriert, daß tatsächlich irgendeine Steifheit oder Ablenkung erreicht werden kann.
Wie vorstehend angemerkt ist werden, wenn kleine Mengen oder Prototypen der Lager der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, die Lager vorzugsweise durch spanabhebende Bearbeitung durch elektrische Entladung oder durch Laserschneidverfahren hergestellt. Solche kleinen Mengen oder Prototypen werden gewöhnlich aus Metall hergestellt. Allerdings sind dann, wenn höhere Produktionsmengen eines bestimten Lagers beabsichtigt sind, andere Verfahren zur Herstellung, wie beispielsweise Spritzgießen, Gießen, Pulvermetallgießen und Extrusion, ökonomischer. In Verbindung mit solchen Herstellverfahren ist es ökonomischer, Kunststoffe, Keramiken, pulverisierte Metalle oder Komposits einzusetzen, um die Lager der vorliegenden Erfindung zu bilden. Es wird angenommen, daß Verfahren, wie Spritzgießen, Gießen, Pulvermetallgießen mit Sintern und Extrusion ausreichend bekannt sind, so daß die Verfahren nicht im Detail hier angegeben werden müssen. Es wird auch angenommen, daß dann, wenn ein Lager-Prototyp konstruiert ist, das Verfahren und die Herstellung einer Gießform oder dergleichen für eine Massenproduktion des Lagers für den Fachmann auf dem Gebiet des Spritzens oder Gießens bekannt ist. Weiterhin sollte verständlich werden, daß nur bestimmte Typen der Lager der vorliegenden Erfindung dazu geeignet sind, sie in hohen Stückzahlen mittels Extrusion herzustellen. Allgemein sind dies die Lager, die nur durch die Vorsehung umfangsmäßiger Nuten und radialer und umfangsmäßiger Einschnitte und Schlitze gebildet werden, die sich axial durch das gesamte Lager erstrecken. Anders ausgedrückt besitzen diese Lager eine konstante oder einen in anderer Weise extrudierbaren Querschnitt.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wurde ein neuartiges Formgießverfahren herausgefunden, das besonders nützlich bei der Herstellung von Zwischenmengen ist, z.B. geringer als 5.000 Lager. Gemäß diesem Herstellverfahren ist der erste Schritt der Formgießprozedur die Herstellung eines Lager-Prototyps. Wie vorstehend besprochen und nachfolgend detailliert beschrieben ist, kann der Prototyp in irgendeiner der verschiedenen Arten und Weisen hergestellt werden, wird allerdings vorzugsweise durch spanabhebende Bearbeitung eines Stücks dickwandigen Rohrs oder eines ähnlichen zylindrischen Achsstücks hergestellt. Für größere Lager wird das zylindrische Achsstück typischerweise unter Verwendung einer Orehbank zur Bildung der Fläche und der umfangsmäßigen Nuten und einer Bohrmaschine zum Bilden axialer und radialer Bohrungen spanabhebend bearbeitet. Bei der spanabhebenden Bearbeitung kleinerer zylindrischer Achsstücke können Techniken, wie beispielsweise Masserstrahlschneiden, Laser- und elektrische Drahtentladungstechniken geeigneter verwendet werden. Allerdings werden in irgendeiner Anwendung die Lager typischerweise gedreht und gebohrt, um die größeren Nuten zu bilden.
Nachdem der Lager-Prototyp gebildet ist, ist es erwünscht, den Prototyp zu testen, um die Lagerfunktionen in der vorausgesagten Art und Weise zu bestätigen. Als Ergebnis eines solchen Tests kann es notwendig sein, den Prototyp zu modifizieren und zu überarbeiten, um die erwünschten Ergebnisse zu erhalten.
Falls ein zufriedenstellender Prototyp erhalten ist, wird er als ein Modell verwendet und eine Gummigießform des Prototyps wird gebildet. Typischerweise umfaßt dieser Schritt das Umhüllen des Prototyps in geschmolzenem Gummi und Ermöglichen, daß sich der Gummi aushärtet, um eine Gummiform des Prototyps zu bilden. Der Gummi, der den Prototyp einhüllt, wird geteilt und der Prototyp wird entfernt, um eine offene Gummigießform zu erhalten.
Wenn einmal die Gummigießform erhalten ist, wird sie dazu verwendet, einen Wachsformkern zu bilden. Dieser Schritt umfaßt typischerweise Einfüllen des geschmolzenen Wachses in die Gummigießform und Zulassen, daß sich das Wachs aushärtet, um einen Nachsformkern des Lagers zu bilden.
Nachdem der Wachsformkern erhalten ist, wird er dazu verwendet, eine Gipsgießform zu bilden. Dieser Schritt umfaßt typischerweise das Einhüllen des Wachsformkerns in dem Gips und dann Zulassen, daß sich der Gips um den Wachsformkern herum härtet, um so eine Gipsgießform zu bilden.
Die Gipsgießform kann dann dazu verwendet werden, ein Lager zu bilden. Genauer gesagt wird geschmolzenes Lagermaterial, wie beispielsweise Bronze, in die Gipsgießform eingefüllt, um so den Wachsformkern zu schmelzen und aus der Gießform zu entfernen. Dann wird die Gipsgießform mit geschmolzenem Lagermaterial gefüllt und das geschmolzene Wachs wird aus der Gipsgießform entfernt.
Nachdem dem geschmolzenem Lagermaterial ermöglicht ist, sich auszuhärten, wird die Gipsgießform um das Lager herum entfernt und ein Lager wird erhalten.
Da dieses Herstellverfahren den verlorenen Wachsformkern einsetzt, ist es auch als Genauguß bzw. Hüllenguß bzw. Formguß oder Gießen mit verlorenem Kern bekannt.
Ungeachtet der Tatsache, daß das Formguß- oder das Gießen mit verlorenem Kern, das vorstehend beschrieben ist, den Verlust eines Wachsformkerns und die Bildung sowohl eines Gummi- als auch einer Gipsgießform einsetzt und es ziemlich arbeitsintensiv ist, hat es sich als kosteneffektiv bewährt, wenn Zwischenmengen, z.B. geringer als 5.000 Einheiten, eines bestiften Lagers erforderlich sind. Die Kosteneffektivität dieser Prozedur für Lageranforderungen einer geringeren Menge folgt aus der Tatsache, daß die Gießformen, die bei diesem Verfahren verwendet werden, viel billiger herzustellen sind als komplexe Gießformen, die für das Injektionsgießen oder Pulvermetallgießen erforderlich sind.
Wie vorstehend angemerkt ist, ist der erste Schritt bei dem Formgußverfahren tatsächlich für irgendein Verfahren der Herstellung von Lagern gemäß der vorliegenden Erfindung die Herstellung eines Lager-Prototyps. Gemäß einem anderen Gedanken der vorliegenden Erfindung können relativ komplexe Axiallager der vorliegenden Erfindung unter Verwendung einfacher Herstelltechniken gebildet werden. Ähnliche Techniken werden für sowohl Axial- als auch kombinierte Axial- und Radiallager verwendet.
Unter Berücksichtigung des Vorstehenden wird angenommen, daß es ausreichend ist, das Verfahren zum Herstellen eines einzelnen Achslagers unter Verwendung einer elektrischen Entladungsherstellung und spanabhebenden Bearbeitung zu beschreiben. Es wird davon ausgegangen, daß eine Beschreibung einer solchen Herstellung die Einfachheit demonstriert, mit der relativ komplexe Lagerformen der vorliegenden Erfindung erzielt werden können.
Jedes Lager besitzt anfänglich die Form eines zylindrischen Rohlings, der eine zylindrische Bohrung besitzt, wie dies in den Figuren 11A und 11B dargestellt ist. Der Rohling wird dann spanabhebend maschinenbearbeitet, um eine radiale, schmierende Fluidnut zu bilden, wie dies in den Figuren 12a und 12b dargestellt ist. Für bestimmte Anwendungen ist es erwünscht, den Rohling weiterhin spanabhebend zu bearbeiten, um Oberflächennuten zu erhaltenm die vorzugsweise symmetrisch an den radialen Flächen der Lager angeordnet sind, wie dies in den Figuren 13 und 13B dargestellt ist. Die Vorsehung solcher Oberflächennuten führt schließlich zu einem Lager, das leicht torsionsmäßig abgelenkt wird. Während die Nut, die in den Figuren 13A und 13B dargestellt ist, zylindrisch ist, ist es möglich, konische Nuten zu bilden, wie dies in den Figuren 14A und 148B dargstellt ist. Wie nachfolgend ersichtlich werden wird, führt dies zu einem Lager, das verbesserte Ablenkungscharakteristika aufgrund der angewinkelten Ausrichtung der Lagerstege liefert. In diesem Zusammenhang sollte angemerkt werden, daß es bevorzugt ist, daß die Lagerstege, aus Sicht in der Figur 14A, konisch entlang Linien verlaufen, die an einem Punkt in der Nähe der Mittellinie der Welle konvergieren. Dies stellt sicher, daß die Flexibilität um die Wellenmittellinie durch Einrichtung einer Wirkungsmitte für das gesamte System derart auftritt, daß sich die Kissen auf die Wellenfehlausrichtung einstellen können. Zusammengefaßt bewirkt der konische Verlauf der Tragestäbe, daß das Lager in einer Art und Weise ähnlich einem sphärischen Lager durch Konzentrierung der Tragekräfte auf einen einzelnen Punkt wirkt, um den sich die Welle in allen Richtungen schwenkt, um irgendeine Fehlausrichtung zu korrigieren. Die Pfeile in Figur 14A stellen die Wirkungslinien der Ablenkung dar.
Lager, die die Querschnitte des Typs besitzen, der in den Figuren 12A und 14A dargestellt ist, sind besonders beim Zurückhalten bzw. Aufnehmen des hydrodynamischen Fluids wirksam. Dies rührt daher, da das Lagerkissen in der Nähe der axialen Enden des Lagerkissens getragen wird und der zentrale Bereich des Lagerkissens nicht direkt getragen wird. Aufgrund dieses Aufbaus wird das Lagerkissen so getragen, um sich unter Last zu deformieren, um eine ein Fluid afufnehmende, konkave Tasche zu bilden, d.h. der zentrale Bereich des Lagerkissens lenkt sich radial nach außen ab. Dies verringert in großem Maß eine Fluidleckage. Natürlich hängt der Grad der Taschenbildung von den relativen Dimensionen des Lagerkissens und der Tragestruktur ab. Eine größere Fluid aufnehmende Tasche könnte durch Vorsehen einer dünneren Lagerkissenoberfläche und durch Halterung der Kissenoberfläche an den extrem axialen Enden des Lagerkissens erhalten werden.
Nachdem der zylindrische Rohling geeignet spanabhebend bearbeitet ist, wie dies in den Figuren 12A und 12B, den Figuren 13A und 13B oder den Figuren 14A und 14B dargestellt ist, werden radiale und/oder umfangsmäßige Schlitze und Nuten entlang der radialen Fläche des äpanabhebend bearbeiteten Rohlings gebildet, um die Lagerkissen, die Stegträger und das Gehäuse festzulegen. Die Figuren 14C und 14D stellen solche Nuten dar, die in dem spanabhebend bearbeiteten Rohling der Figuren 14A und 14B gebildet sind. Wenn niedrige Stückzahlen der Lager oder der Prototypen der Lager zur Verwendung in dem Aufbau einer Gießform hergestellt werden, werden Einschnitte und Schlitze vorzugsweise durch eine elektrische Ent- Iadungsbearbeitung oder unter Verwendung eines Lasers gebildet. Die spanabhebende Bearbeitung der zylindrischen Rohlinge, um die Konfigurationen zu erzielen, die in den Figuren 12A und 12B, den Figuren 13A und 13B, den Figuren 14A und 14B dargestellt sind, oder eine ähnliche Form, kann durch herkömmliche Maschinenwerkzeuge, wie beispielsweise eine Drehbank oder dergleichen, vorgenommen werden.
Obwohl die vorstehende Diskussion insbesondere auf Achslager gerichtet ist, können die Prinzipien ebenso gut auf Axiallager angewandt werden. Zum Beispiel kann das Axiallager, das in den Figuren 15-18 dargestellt ist, durch spanabhebende Bearbeitung eines Abschnitts eines dickwandigen Rohrs gebildet werden, um radial innere und äußere Nuten, Oberflächennuten, axiale Bohrungen, radiale Einschnitte und Abschrägungen bzw. Abrundungen zu bilden, um Lagerkissen und eine Tragestruktur festzulegen.
Die Funktionscharakteristika der Lager der vorliegenden Erfindung resultieren aus der relativen Form, der Größe, der Stelle und den Materialcharakteristika der Lagerkissen und der Stegträger, die durch die Bohrung und Einschnitte oder Schlitze, die in dem spanabhebend bearbeiteten Rohling gebildet sind. Diese Parameter sind in großem Umfang durch die Dimensionen und der Stelle der radialen, umfangsmäßigen Bohrung, Einschnitte oder Schlitze, die in dem Lager gebildet sind, in Verbindung mit der Form des spanabhebend bearbeiteten Rohlings, in dem die Bohrungen oder Schlitze gebildet sind, um das Lager zu erzielen, festgelegt.
Wie vorstehend angemerkt ist werden, obwohl der Aufbau der Lager der vorliegenden Erfindung sehr einfach unter Bezug auf das spanabhebende Bearbeitungsverfahren verstanden wird, größere Mengen vorzugsweise durch das Formgießverfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt und eine Produktion in noch größerem Maßstab der Lager, die mit der vorliegenden Erfindung beabsichtigt werden, könnten noch ökonomischer durch Injektionsspritzgießen, Gießen, Pulvermetallgießen, Druckgießen, Extrusion oder dergleichen, durchgeführt werden.
Beim Extrudieren einer großen Anzahl Lager aus einem rohrähnlichen, zylindrischen Rohling können radiale Schmiermittelfluidnuten, wie in den Figuren 12A und 12B dargestellt ist, entlang der Länge des rohrähnlichen, zylindrischen Rohlings vor der Extrusion vorgesehen werden. Allerdingskönnen, falls Oberflächennuten in dem Lager erwünscht werden, diese einzeln nach Abschneiden der einzelnen Lager von dem extrudierten und spanabhebend bearbeiteten Rohling gebildet werden. Aus diesem Grund dürfte eine Extrusions nicht ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung von Lagern sein, die Oberflächennuten, um die torsionsmäßige Flexibilität zu erhöhen, erfordern.

Claims

1. Hydrodynamisches Axial- oder kombiniertes Achs-Axial-Lager zum Tragen einer sich rotierenden Welle auf einem Fluidfilm, wobei das Lager eine Vielzahl Lagerkissen (132), die Lagerkissenoberflächen besitzen, die so angeordnet sind, um in einen Wellenbereich einzugreifen, um die Welle für eine axiale Schubbelastung zu tragen, und eine Tragestruktur zum Tragen der Lagerkissen aufweist, wobei dies Lagerkissen und die Tragestruktur unitär sind und die Tragestruktur einen m m primären Tragebereich (134), einen sekundären Tragebereich (136) und einen tertiären Tragebereich (138) aufweist, wobei die Tragebereiche dazu geeignet sind, sich relativ zueinander abzulenken und um die Lagerkissen für eine Bewegung mit sechs Freiheitsgraden so zu tragen, daß sich unter Last jedes Kissen zu einer Position ablenkt, in der die nachlaufende Kante des Kissens näher zu dem Wellenbereich als die voranführende Kante des Kissens ist, um so einen optimalen, hydrodynamischen Keil zu bilden, gekennzeichnet dadurch, daß der primäre Tragebereich mindestens einen Träger (134) zum Tragen jedes der Kissen an einer Stelle dichter zu der äußeren Kante des Kissens als zu der inneren Kante des Kissens besitzt derart, daß sich die innere Kante des Lagerkissens nach unten unter Last ablenkt.

2. Lager nach Anspruch 1, wobei die Tragestruktur mindestens einen umfangsmäßigen Steg (134), einen längsgerichteten Steg (138) und eine Membran (136) zum Tragen der Kissen für eine Bewegung unter sechs Freiheitsgraden umfaßt derart, daß unter einer normalen Last die nachlaufende Kante jedes Kissens radial nach innen zu dem Wellenbereich abgelenkt wird und die voranführende Kante jedes Kissens radial nach außen abgelenkt wird.

3. Lager nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Tragestruktur symmetrisch zu den Lagerkissen derart ist, daß das Lager den Wellenbereich für eine Drehung in irgendeiner Richtung tragen kann.

4. Lager nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der primäre Tragebereich in eine Mehrzahl stegähnlicher Kissentrageteile (134A) unterteilt ist, wobei 3edes der Vielzahl der Tragekissen (132) durch mindestens eines der Vielzahl der stegähnlichen Kissentrageteile in dem primären Tragebereich getragen wird; wobei der sekundäre Tragebereich (136) jedes der Vielzahl stegähnlicher Kissentrageteile trägt und wobei der tertiäre Tragebereich (138) den sekundären Tragebereich trägt.

5. Lager nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der primäre Tragebereich einen Tragesteg (544,546) aufweist, der im wesentlichen breiter in der umfangsmäßigen Richtung als in der radialen Richtung ist und eine Form und eine Stelle derart besitzt, daß sich unter Last die innere Kante des Lagerkissens nach unten ablenkt.

6. Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Lagerkissen und die Tragestruktur durch eine Vielzahl Einschnitte, Nuten und Öffnungen, die in einem unitären Teil gebildet sind, festgelegt sind.

7. Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Bewegung der Tragestruktur mittels Fluid gedämpft ist.

8. Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Tragestruktur so aufgebaut ist, um sich so abzulenken, um eine Wellenfehlausrichtung aufzunehmen.

9. Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Tragestruktur so aufgebaut ist, um sich unter Last so abzulenken, um die Belastungen an den einzelnen Lagerkissen zu egalisieren.

10. Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 9, das poröses Kunsttoffmaterial besitzt, das die Zwischenräume zwischen den Lagerkissen auffüllt.

11. Lager nach Anspruch 10, wobei der poröse Kunststoff zum Absorbieren und Freigeben eines flüssigen Schmiermittels geeignet ist und mit flüssigem Schmiermittel derart beladen ist, daß dann, wenn sich die Tragestruktur ablenkt, flüssiges Schmiermittel aus dem porösen Kunststoff auf die Lagerkissenoberfläche freigegeben wird.

12. Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 11, das eine einfach gießbare bzw. spritzbare Form besitzt.

13. Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der primäre Tragebe reich jedes Lagerkissens (1032) einen Steg (1034) aufweist.

14. Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der primäre Tragebereich für jedes Lagerkissen (521) zwei Stege (544,546) aufweist.

15. Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der primäre Tragebereich jedes Lagerkissens (522) drei oder mehr Stege (544, 546a) 546b) aufweist.

16. Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 15) wobei der sekundäre Tragebereich einen Steg (1036) aufweist.

17. Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei der sekundäre Tragebereich drei oder mehr Stege aufweist.

18. Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei der sekundäre Tragebereich eine kontinuierliche Membran aufweist.

19. Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei der tertiäre Tragebereich zwei oder mehr Stege aufweist.

20. Lager nach Anspruch 19, wobei der tertiäre Tragebereich ein kontinuierliches, umfangsmäßiges Stegelement aufweist.

21. Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei die Lagerkissen so aufgebaut sind, um sich in eine konvexe Form unter Belastung abzulenken.

22. Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei die Lagerkissen so aufgebaut sind, um sich in eine Tragflügelform unter Belastung abzulenken.

23. Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei das Lager aus einem Eisenmetallmaterial gebildet ist.

24. Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei das Lager aus einem Nichteisenmetallmaterial gebildet ist.

25. Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei das Lager aus einem Kunststoffmaterial gebildet ist.

26. Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei das Lager aus einem keramischen Material gebildet ist.

27. Lageranordnung, die einen Wellenbereich aufweist, der in Rotation auf einem Fluidfilm durch ein Lager gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche getragen ist, wobei die Tragestruktur des Lagers so aufgebaut ist, daß die nachlaufende Kante jedes Lagerkissens den Wellenbereich berührt, wenn sich die Melle in Ruhe befindet; und wobei die Tragestruktur eine vorbestimmte Steifheit so besitzt, daß, falls die Welle beginnt zu rotieren, der hydrodynamische Druck des Fluids zwischen dem Kissen und dem Wellenbereich zu einem Punkt ansteigt, an dem die Steifheit des Fluidfilms größer als die Steifheit der Tragestruktur ist, wodurch bewirkt wird, daß sich das Lagerkissen so ablenkt, um seine nachlaufende Kante von dem Wellenbereich weg zu bewegen, um eine Bildung eines Fluidfilms zwischen der nachlaufenden Kante des Kissens und dem Wellenbereich zu ermöglichen.

28. Verfahren zur Herstellung eines Lagers nach einem der Ansprüche 1 bis 26, gekennzeichnet durch die Schritte der Bildung eines zylindrischen Rohlings, der eine zentrale Achse besitzt; der Bildung einer zentralen ßohrung in dem zylindrischen Rohling, wobei die zentrale Bohrung eine zentrale Achse besitzt, die mit der Achse des zylindrischen Rohlings übereinstimmt; und der spanabbebenden Bearbeitung des zylindrischen Rohlings so, um die Mehrzahl umfangsmäßig beabstandeter Lagerkissen und die unitäre Tragestruktur, die die Lagerkissen für eine Bewegung mit sechs Freiheitsgraden trägt, festzulegen.

29. Verfahren nach Anspruch 28, wobei der zylindrische Rohling durch spanabhebende Bearbeitung mittels elektrischer Entladung bearbeitet wird.

30. Verfahren nach Anspruch 28, wobei der zylindrische Rohling durch Laserschnei den spanabhebend bearbeitet wird.

31. Verfahren nach Anspruch 28, wobei der zylindrische Rohling durch Masserstrahlschneiden spanabhebend bearbeitet wird.

32. Verfahren nach einem der Ansprüthe 28 bis 31, wobei der spanabhebend bearbeitete Rohling als Modell zur Bildung des Lagers durch Gießen verwendet wird.

33. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 31, wobei der spanabhebend bearbeitete Rohling als Modell zur Bildung des Lagers durch Spritzgießen verwendet wird.

34. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 31, wobei der spanabhebend bearbeitete Rohling als Modell zum Bilden des Lagers durch Pulvermetallformung und -sinterung verwendet wird.

35. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 31, wobei der spanabhebend bearbeitete Rohling als Modell zur Bildung des Lagers durch Extrusion verwendet wird.

36. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 31, das weiterhin den Schritt der Bildung einer radialen Nut um den Umfang des zylindrischen Rohlings herum aufweist.

37. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 31 oder nach Anspruch 36, das weiterhin den Schritt der Bildung einer umfangsmäßigen Nut an einer der gegenüberliegenden, kreisförmigen Flächen des zylindrischen Rohlings aufweist.

38. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 31, 36 oder 37, das weiterhin die Schritte aufweist: Einhüllen des spanabhebend bearbeiteten, zylindrischen Rohlings in geschmolzenem Gummi; Zulassen, daß sich der Gummi aushärtet: Teilen des Gummis; Entfernen des spanabhebend bearbeiteten, zylindrischen Rohlings, um eine offene Gummigießform zu erhalten; Einfüllen geschmolzenen Wachses in die Gummiform; Zulassen, daß sich das Wachs zu einem Wachsformkern aushärtet; Entfernen des Wachsformkerns aus der Gummigießform; Einhüllen des Machsformkerns in Gips; Zulassen, daß sich der Gips aushärtet, um so eine Gipsgießform zu bilden; Bilden mindestens einer Öffnung in der Gipsgießform; Einfüllen geschmolzenen Lagermaterials in die Gipsgießform, um so den Wachskernform auszuschmelzen und das geschmolzene Wachs durch geschmolzenes Lagermaterial zu ersetzen; Zulassen, daß sich das geschmolzene Lagermaterial aushärtet; und Entfernen des Gipses von dem ausgehärteten Lagermaterial.

39. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 38, das weiterhin den Schritt des Auffüllens der Zwischenräume zwischen den Lagerkissen und den Öffnungen innerhalb der unitären Tragestruktur mit einem porösen Kunststoffmaterial aufweist.