Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfinung bezieht sich auf hydrodynamische Lager.
Hintergrund der Erfindung
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In hydrodynamischen Lagern wird ein rotierender Gegenstand, wie beispielsweise
eine Welle durch ein stationäres Lagerkissen über ein unter Druck stehendes
Fluid, wie beispielsweise Öl, Luft oder Wasser abgestützt Hydrodynamische
Lager machen mit Vorteil von der Tatsache Gebrauch, daß, wenn sich das
rotierende Objekt bewegt, dieses nicht entlang der Oberseite des Fluides gleitet.
Stattdessen haftet das Fluid in Kontakt mit dem rotierenden Objekt dicht an dem
rotierenden Objekt und der Bewegung gesellt sich ein Schlupf bzw. eine Scherung
zwischen den Fluidpartikeln durch die gesamte Höhe des Fluidfilmes bei. Wenn
somit das rotierende Objekt und die Kontaktschicht des Fluids mit einer
Geschwindigkeit sich bewegen, die bekannt ist, nimmt die Geschwindigkeit an
Zwischenhöhen der Fluiddicke mit einer bekannten Rate ab, bis das Fluid in
Kontakt mit dem stationären Lagerkissen an dem Lagerkissen anhaftet und
bewegungslos ist. Wenn aufgrund der Last, die sich durch Abstützung des
rotierenden Objektes ergibt, das Lagerkissen zu dem rotierenden Element
ausgelenkt wird, wird das Fluid in die keilförmige Öffnung gezogen und es wird
ein hinreichender Druck in dem Fluidfilm erzeugt, um die Last abzustützen
Diese Tatsache wird bei Drucklagern für hydraulische Turbinen und
Propellerwellen von Schiffen ebenso verwendet wie in dem herkömmlichen
hydrodynamischen Gleitlager.
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Sowohl Drucklager als auch radiale bzw. Gleidager sind nomalerweise durch
Wellen-Abstützkissen charakterisiert, die um eine Achse beabstandet sind. Die
Achse, um die die Kissen beabstandet sind, entspricht allgemein der Längsachse
der abzustützenden Welle sowohl für Druck- als auch für Gleitlager. Diese Achse
kann als die Hauptachse bezeichnet werden.
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In einem idealen hydrodynamischen Lager erstreckt sich der hydrodynamische
Keil über die gesamte Lager-Kissenfläche, der Fluidfilm ist gerade dick genug,
um die Last abzustützen, die Hauptachse des Lagers und die Achse der Welle
sind aufeinander ausgerichtet, die Fluidleckage von den Enden der Lagerkissen-
Oberfläche, die den Vorder- und Hinterkanten benachbart sind, ist minimal, der
Fluidfilm wird sobald entwickelt, wie die Welle zu rotieren beginnt und im Falle
von Drucklagern sind die Lagerkissen gleich belastet. Während ein ideales
hydrodynamisches Lager noch zu schaffen ist, wird ein Lager, das im
wesentlichen jede dieser Aufgaben erfüllt, als ein Entwurf mit optimaler
hydrodynamischer Keilbildung bezeichnet.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf hydrodynamische Lager, die
manchmal als bewegliche Lagerkissen bekannt sind. Allgemein werden diese
Lager in einer solchen Weise angeordnet, daß sie sich bewegen können, um die
Bildung eines keilförmigen Filmes aus Schmiermittel zwischen den relativ
beweglichen Teilen zu gestatten. Da ein Fluid im Übermaß unerwünschte
Reibungs- und Leistungsverluste hervorruft, ist die Fluiddicke vorzugsweise
gerade dick genug, um die maximale Last abzustützen. Dies gilt, wenn die
Bildung des Keiles optimiert ist. Im wesentlichen verschiebt sich das Kissen mit
einer schwenk- oder schwingartigen Bewegung um ein Zentrum, das vor der
Kissenoberfläche angeordnet ist und die Lagerreibung hat das Bestreben, den Keil
zu öffnen. Wenn die Bildung des Keiles optimiert ist, so erstreckt sich der Keil
über die gesamte Kissenfläche. Darüber hinaus wird der Keil mit der
geringstmöglichen Geschwindigkeit und idealerweise sobald wie die Welle mit der
Rotation beginnt gebildet.
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In bekannten Lagern vom radialen Kissentyp ist es bislang als notwendig
angesehen worden, ein genau festgelegtes Spiel zwischen dem Lager und dem
rotierenden abzustützenden Objekt vorzusehen, um die geeignetee Auslenkung der
Lagerkissen und die Bildung des hydrodynamischen Keils zu gestatten. Das
Erfordernis der engen Toleranzen ist besonders mühsam bei der Herstellung von
gasgeschmierten Lagern. Ein weiteres Problem bei gasgeschmierten Lagern
besteht im Zusammenbruch des Fluidfilmes bei hohen Geschwindigkeiten. Diese
Probleme haben die Verwendung von gasgeschmierten hydrodynamischen Lagern
eingeschränkt.
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Die US-PS-3, 107,955 für Trumpler offenbart ein Beispiel eines Lagers, das an
einem Träger gelagerte Lagerkissen aufweist, der sich mit einer Schwenk- oder
Schwingbewegung um ein Zentrum verschiebt, das vor der Kissenoberfläche
angeordnet ist. Dieses Lager basiert wie viele bekannte Lager nur auf einem
zweidimensionalen Modell der Kissenauslenkung. Demzufolge wird eine optimale
Keilbildung nicht erzielt.
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In der US-PS-2, 137,487 für Hall ist ein hydrodynamisches, bewegliches
Kissenlager gezeigt, das einen hydrodynamischen Keil bildet, indem sein Kissen
entlang sphärischer Obertlächen gleitet. In vielen Fällen steckt das Kissen fest
und der entsprechende Keil kann nicht gebildet werden. In der US-PS-3,930,691
für Greene wird das Schaukeln durch Elastomere vorgegeben, die Gegenstand der
Verschmutzung und Beeinträchtigung sind.
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Die US-PS-4,099,799 für Etsion offenbart ein nachgiebiges Kissen-Gaslager, das
an einem nicht-einstückigen Hebel angeordnet ist. Das offenbarte Lager
verwendet ein Kissen, das auf einem rechteckförmigen Hebelträger angeordnet
ist, um einen Schmierkeil zwischen der Kissentläche und der rotierenden Welle
zu erzeugen. Sowohl Drucklager als auch radiale bzw. Gleitlager werden
offenbart.
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In der US-PS-4,496,251 für Ide ist ein Kissen gezeigt, welches mit bahnförmigen
Sehnen ausgelenkt wird, so daß ein keilförmiger Schmierfilm zwischen den relativ
beweglichen Teilen gebildet wird.
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Die US-PS-4,5 15,486 offenbart hydrodynamische Druck- und Gleitager, die eine
Anzahl von Lagerkissen umfässen, von denen jedes ein Oberflächenelement und
ein Stützelement aufweist, die getrennt sind und miteinander durch ein
elastomeres Material verbunden sind.
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Die US-PS-4,526,482 offenbart hydrodynamische Lager, die primär für Prozeß-
Schmieranwendungen vorgesehen sind, d.h., das Lager ist ausgelegt, um in einem
Fluid zu arbeiten. Die hydrodynamischen Lager werden mit einem zentralen
Abschnitt der lasttragenden Oberfläche gebildet, der nachgiebiger als der Rest des
Lagers ist, so daß sie unter Laßt ausgelenkt werden und eine Drucktasche des
Fluides bildet, um große Lasten zu tragen.
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Es ist ebenfalls in der US-PS-4,676,668 für Ide verrnerkt worden, daß
Lagerkissen von dem Stützelement durch wenigstens ein Bein beabstandet sein
können, welches eine Flexibilität in drei Richtungen vorgibt. Um eine Flexibilität
in der Ebene der Bewegung vorzugeben, sind die Beine nach innen gewinkelt, um
eine konische Form mit dem Scheitelpunkt des Konus bzw. dem Schnittpunkt vor
der Kissenoberfläche zu bilden. Jedes Bein hat eine Abschnittssteifigkeit, die
relativ gering in der Richtung der gewünschten Bewegung ist, um eine
Kompensation von Fehlausrichtungen zu gestatten. Diese Lehren sind sowohl bei
Gleit- als auch bei Drucklagern anwendbar. Während die Offenbarung dieses
Patentes einen beträchtlichen Fortschritt in der Technik repräsentiert, besitzt
dieses einige Nachteile. Ein solcher Nachteil ist die Starrheit der Stützstruktur
und des Lagerkissens, welche eine Deformation der Kissenobertläche verhindert.
Ferner ist die Lagerkonstruktion nicht genormt.
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Die letzten zwei Patente sind von speziellem Interesse, da sie demonstrieren, daß
trotz der anhaftenden und beträchtlichen Unterschiede zwischen Druck- und
Gleitlagern einige konzeptionsmäßige Ähnlichkeiten zwischen hydrodynamischen
Gleitlagern und hydrodynamischen Drucklagern bestehen.
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Diese Anmeldung bezieht sich teilweise auf hydrodynamische Drucklager. Wenn
der hydrodynamische Keil in solchen Lagern optimiert ist, so ist die Last auf
jedem der auf einem Kreisumfang beabstandeten Lager im wesentlichen gleich.
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Gegenwärtig ist das am meisten verwendete hydrodynamische Drucklager das
sogenannte Kingsbury-Lager vom Schuhtyp. Das Kingsbury-Lager vom Schuhtyp
ist gekennzeichnet durch eine komplexe Struktur, welche umfäßt: schwenkbar
gelagerte Schuhe, einen Druckkragen, der mit der Welle rotiert und eine Last an
die Schuhe anlegt, einen Basisring für die Abstützung der Schuhe, ein Gehäuse
bzw. Lager, das die inneren Lagerelemente enthält und abstützt, ein
Schmiersystem und ein Kühlsystem Infolge dieser komplexen Struktur ist das
Kingsbury-Lager vom Schuhtyp typischerweise außerordentlich teuer.
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Eine Alternative zu dem komplexen Kingsbury-Lager vom Schuhtyp ist das
genormte Sockellager. Dieses Lager ist u.a. bei Tiefbrunnen-Pumpen verwendet
worden. Diese relativ einfache Struktur ist typischerweise durch Sandformung
oder irgendeine andere rohe Herstelltechnik gebildet worden, da bislang die
spezifischen Abmessungen nicht von Bedeutung erschienen sind. Das Lager ist
strukturell gekennzeichnet durch eine flache Basis mit einem dicken inneren
kreisförmigen Ansatz, mehrere starre Sockel, die sich quer von der Basis
erstrecken und ein auf jedem starren Sockel zentriertes Druckkissen.
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Bekannte hydrodynamische Lager leiden oftmals an einer Fluidleckage, welche
einen Zusammenbruch des Fluidfilmes hervorruft. In radialen Lagern tritt die
Leckage in erster Linie an den axialen Enden der Lagerkissenoberfläche auf. Bei
Drucklagern tritt die Leckage primär an dem äußeren Kreisumfang der
Kissenobertläche infolge der Zentrilugalkräfte auf, die auf das Fluid einwirken.
Wenn die Keilbildung optimiert ist, ist die Fluidleckage minimal.
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Ein hydrodynamisches Lager gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruches 1 ist
z.B. in der britischen Patentbeschreibung 1392245 offenbart. Dieses frühere
Dokument offenbart ein axiales Gleitlager, das einen Ringkörper umfäßt, der eine
Schicht aus Lagermetall aufweist, die einer Endfläche der Gleitfläche zugefügt
wird, die über den Umfäng dieser Endfläche verteilt ist, wobei jede Gleitfläche
einen flachen Teil und einen Teil aufweist, dessen Querschnitt abgeschrägt ist,
wobei der Ringkörper und die Lagermetallschicht unterschiedliche thermische
Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Der gesamte Ringkötper ist auf einem
Stützring in einer solchen Weise angeordnet, daß die flachen Teile irgendeiner
Gleitfläche symmetrisch in Beziehung auf die Ansätze des Stützringes angeordnet
sind. Der Stützring als die Stützstruktur umfäßt Ausnehmungen, die daher kein
Teil der Kissen sind.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein hydrodynamisches Lager
vorzugeben, welches eine Dicke des Fluidfilmes aufbaut, die gerade ausreicht, um
die maximale Last abzustützen, aber eine unerwünschte Reibung verhindert.
Ferner sollte ein Lager den Fluidkeil über die gesamte Kissenfläche erstrecken
und es sollte eine Bildung des Fluidkeiles mit der geringstmöglichen
Geschwindigkeit vorgeben. Weitere Aufgaben liegen in der Vorgabe eines Lagers,
welches mit minimalen Lagerdimensionen hergestellt werden kann und dabei noch
eine vereinfachte Konstruktion vorgibt. Weiterhin sollte ein solches Lager die
Fluidleckage auf ein Minimum bringen.
Zusammenfassung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung offenbart ein Lager vom Kissentyp gemäß Anspruch 1.
Bevorzugte Ausführunsbeispiele sind in den beigeschlossenen Unteransprüchen
definiert.
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Das Lager vom Kissentyp, welches vorzugsweise genormt ist, kann aus einem
einzigen Stück eines starkwandigen Rohres oder eines zylindrischen Zapfens
gebildet werden, der mit kleinen Nuten und Schlitzen, Bolrrungen oder
Einschnitten versehen ist bzw. eingearbeitet aufweist, die sich durch die
Lagerwand erstrecken, um ein flexibles Gleit- oder Drucklager und eine
Stützstruktur zu definieren. Die Kissen und die Stützstruktur sind so ausgelegt,
daß die Form des konvergierenden Keiles optimiert wird, der zwischen der
Kissenoberfläche und der Welle gebildet wird, wenn die Welle rotiert.
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Speziell ist entdeckt worden, daß ein hydrodynamisches Lager höchstwirksam
arbeitet, wenn der hydrodynamische Keil verschiedene Charaltteristiken aufweist.
Speziell sollte sich der Keil über die gesamte Kissenoberfläche erstrecken; der
Keil sollte zu allen Zeiten eine geeignete Dicke aufweisen; der Keil sollte so
geformt sein, daß er die Fluidleckage auf ein Minimum bringt; der Keil sollte an
eine Fehlausrichtung angepaßt sein, so daß die Hauptachse des Lagers kolinear
oder im wesentlichen parallel zu der Achse der Welle ist; und der Keil sollte bei
der geringstmöglichen Geschwindigkeit gebildet werden, um Schaden der
keilbildenden Oberfläche zu verhindern, welche im allgemeinen infolge eines
Obertlächenkontaktes der Welle mit dem Kissen bei geringen Geschwindigkeiten
auftritt. Darüber hinaus sollte bei Drucklagern die Last zwischen den
beabstandeten Lagerkissen gleich sein.
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Bezüglich der Dicke des Fluidfilmes versteht es sich, daß die optimale Dicke mit
der Last variiert. Bei hoher oder schwerer Belastung ist ein relativ dicker
Fluidfilm erwünscht, um in geeigneter Weise die Last abzustützen Dickere Filme
erhöhen jedoch die Reibung und den Leistungsverlust. Die Lager sind daher
vorzugsweise so entworfen, daß sie die minimal erforderliche Dicke vorgeben,
um die Welle bei maximaler Last abzustützen
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Die Stützstruktur ist vorzugsweise genormt (einstückig).
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Der Erfinder hat entdeckt, daß in vielen spezifischen Anwendungsfällen, wie
beispielsweise Hochgeschwindigkeitsanwendungen, es erforderlich ist, die
dynamische Flexibilität des gesamten Systems zu prüfen und abzuschätzen, das
aus der Welle bzw. dem Rotor, dem hydrodynamischen Schmierfilm und dem
Lager besteht. Bei einer Computeranalyse dieses Systems unter Verwendung eines
Modelles mit finiten Elementen ist festgestellt worden, daß es notwendig ist, das
gesamte Lager als ein vollständig flexibles Element zu behandeln, das die Form
unter Betriebsiasten verändert. Durch Hinzufügen von mehr oder weniger
Flexibilität über die Bearbeitung der Grundstruktur können Lagercharakteristiken
erzielt werden, die einen Betrieb mit stabiler geringer Reibung über weite
Betriebsbereiche vorgeben. Eine Anzahl von Variablen ist gefünden worden, die
wesentlich die Lager-Leistungscharakteristik beeinflussen. Unter den wichtigsten
Variablen sind die Form, Größe, der Ort und die Materialcharakteristiken (z.B.
der Elastizitätsmodul usw.) des Kissens und der Stützelemente.
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Spezifische Anwendungsfälle der Lager der vorliegenden Erfindung umfässen
elektrische Motoren, Gebläse, Turbolader, Verbrennungskraftmaschinen,
Außenbordmotoren und Kompressorenlexpander. Testgeschwindigkeiten haben
300.000 U/min überschritten. Es wird vermerkt, daß die Einschmtte, Nuten und
Öffnungen zusätzlich zu der Gestattung einer Bewegung für das Lagerkissen, um
einen konvergierenden Teil für die hydrodynamische Schmierung zu bilden, dem
Kissen selbst eine Auslehkung und Formänderung, beispielsweise durch
Abfiachung, gestatten. Dies verbessert unter anderem die Betriebsleistung durch
Veränderung der Exzentrizität des Lagers.
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Die Lager können aus Metallen, Metallpulver, Plastik, Keramik oder
Verbundstoffen gebildet werden. Bei der Herstellung in kleinen Mengen werden
die Lager typischerweise durch Abstechen, Abdrehen und Fräsen der Rohlinge
hergestellt, um größere Nuten oder Öffnungen zu bilden; kleinere Nuten werden
gebildet durch Wasserstrahlschneiden, elektrische Entladung oder Laser-
Bearbeitungsverfahren und gestatten eine Entwurfsflexibilität, um das Lager
abzustimmen und die gewünschten Charakteristiken vorzugeben. Die Abstimmung
wird im wesentlichen die Steifigkeit verändern, die ihrerseits die Vibration
eliminiert. Die Herstellung in größeren Mengen eines Lagers eines einzigen Typs
wird vorzugsweise verwirklicht durch Spritzgießen, Extrusion, Pulvermetall-
Formgießen, Präzisions-Formguß oder einige ähnliche Herstelltechniken. Gemäß
einem Aspekt der vorliegenden Erfindung werden Zwischenmengen von Lagern
gemäß einem neuen Verfahren hergestellt, das die Bearbeitung und die
Formgußtechnik kombiniert. Die vorliegende Erfindung hat ebenfalls leicht
formbare Lager im Auge, welche keine verdeckten Öffnungen aufweisen, so daß
sie in einer einfachen zweistückigen Form gegossen werden können. Allgemein
können die Lager der vorliegenden Erfindung mit einem Bruchteil der Kosten
hergestellt werden, die für vergleichbare Lager erforderlich sind.
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Entgegen bekannten Lagern vom Kissentyp gestattet die vorliegende Erfindung
dem Kissen selbst eine Formänderung (z.B. Abflachen), um die Leistung zu
verbessern; und sie gestattet vergleichbare Auslehkungen innerhalb einer
kleineren Umhüllung (d.h. die Differenz zwischen der radialen inneren
Gleitoberfläche und der radialen äußeren Gleitoberfläche in Gleitlagern) speziell
bei Gleitlagern. Alle diese Charakteristiken tragen zu der Bildung eines optimalen
hydrodynamischen Keiles bei.
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Während es zahlreiche Anordnungen von Bohrungen, Nuten, Einschnitten oder
Schlitzen gibt, gibt es primär zwei Arten von Auslehkungen: nämlich eine oder
mehrere Sehnen oder Membranen, die sich in der allgemeinen Lastrichtung in
einem Biegemodus auslenken und zweitens durch Torsionsauslehkung in einem
Träger oder einer Membran in einer Richtung, die sich von dem Kissen hinweg
entlang der Längsachse der Welle in Gleitlagern erstreckt. Das Ausmaß der
Auslehkung im Biegemodus ist teilweise eine Funktion der Steifigkeit der
Stützstruktur in radialer Richtung. Das Kissen selbst kann hergestellt sein, daß es
sich unter einer Last auslenkt, um eine unterschiedliche Form zu bilden, indem
innere Einschnitte unter dem Kissen vorgesehen sind oder indem die Kanten des
Kissens hinterschnitten werden. In jedem Fall werden die Einschnitte speziell
gemacht, um zu einer vorbestimmten Form unter Last zu führen. Durch
Umgebung oder Abstützung bestimmter Sehnen oder Membranen mit
Schmierflüssigkeit kann ein Dämpfungselement dem Entwurf hinzugefügt werden.
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Die Gleitlager der vorliegenden Erfindung passen ebenalls in eine relativ kleine
Umhüllung (d.h. Abstand zwischen dem äußeren Durchmesser des Gehäuses und
dem inneren Durchmesser des Kissens).
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Das Erfordernis nach engen Toleranzen zwischen dem Lagerkissen und dem
abzustützenden Wellenteil kann umgangen werden durch solche Dimensionierung
des Lagers, daß der Abstand zwischen dem Lagerkissen und dem abzuslutzenden
Wellenteil eliminiert wird, während zur gleichen Zeit die Stützstruktur so
dimensioniert wird, daß die radiale (im Falle eines Gleitlagers) oder axiale (im
Falle eines Drucklagers) Steifigkeit des Lagers geringer ist als die entsprechende
Steifigkeit des Fluidfilmes des abstützenden Fluids. Entweder das gesamte Kissen
oder nur ein Teil desselben kann in Kontakt mit der Welle vorgespannt werden.
Bei extrem flexiblen Lagern kann es beispielsweise erwünscht sein, das gesamte
Kissen im Kontakt mit der Welle torsionsmäßig vorzuspannen Andererseits ist es
in einigen Fällen vorteilhaft, nur die Vorderkante des Lagerkissens in Kontakt mit
der Welle torsionsmäßig vorzuspannen, um einen hydrodynamischen Keil zu
definieren. Somit können die Lager der vorliegenden Erfindung mit einer
Eingriffsanpassung entworfen werden, wenn sie auf der Welle installiert werden.
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Natürlich kann die vorliegende Erfindung bei irgendeinem Radiallager,
Drucklager oder kombiniertem Radial- und Drucklager angewendet werden.
Insbesondere wenn die Lager-Stützstruktur symmetrisch um die Mittellinie des
Kreisumfangs des Lagerkissens ist, wird das Lager bidirektional, d.h., es ist in
der Lage, eine Welle in zwei Drehrichtungen in identischer Weise abzustützen
Wenn jedoch die Lager-Stützstruktur nicht symmetrisch um die Mittellinie des
Kreisumfangs des Lagerkissens ist, so wird sich das Lager unterschiedlich
auslenken, wenn es eine Welle in einer ersten Drehrichtung im Vergleich zur
Drehung in der entgegengesetzten Richtung abstützt Sowohl für die Gleit- oder
Radiallager als auch für die Drucklager ist die Hauptachse die zentrale Achse des
zylindrischen Rohlings, aus dem das Lager gebildet wird.
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In einem bevorzugten Ausfülrrungsbeispiel können die Lagerkissen für eine
Auslenkung abgestützt werden, so daß sie das hydrodynamische Fluid
zurückhalten, wodurch das Problem der Fluidleckage vermieden wird. Bezüglich
der Radial- oder Gleitlager wird die Stützstruktur so entworfen, daß unter Last
das Lagerkissen ausgelenkt wird, um eine Fluid-Rückhaltetasche zu bilden.
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Allgemein wird eine solche Abstützung erzielt, wenn der primäre Stützteil mit
dein Lagerkissen in der Nähe der axialen Kanten des Lagerkissens verbunden
wird und das Zentrum des Lagerkissens nicht direkt abgesuitzt ist, d.h. für eine
Auslenkung radial nach außen frei ist. Bezüglich Drucklager ist das Kissen so
abgestützt, daß es unter Last zu dem Lager-Innendurchmesser geschwenkt wird,
um eine zentrifugale Leckage zu verhindern. Allgemein wird dies erreicht, wenn
die Kissen-Stützoberfläche, an der die primäre Stützstruktur das Lagerkissen
abstützt, näher an dem Außendurchmesser des Lagers als an dem
Innendurchmesser des Lagers angeordnet ist. Wenn die primäre Stützstruktur zwei
oder mehr radial beabstandete Träger aufweist, so muß die Gesamt-Stützstruktur
ausgelegt werden, um eine Auslenkung des Lagerkissens an dem inneren Ende
hervorzurufen. Ferner wird, wenn das Lagerkissen durch mehrere radial
beabstandete Träger abgestützt wird und der Bereich zwischen den Trägern nicht
direkt abgestützt ist, das Lager das Bestreben haben sich auszulenken, um einen
konkaven Fluid-Rückhaltekanal zu bilden.
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Eine Anzahl von Herstellverfahren für die Lager der vorliegenden Erfindung sind
möglich. Die Auswahl eines speziellen Herstellungsverfahrens hängt in großem
Umtäng von dem Volumen des speziell herzustellenden Lagers ab und von den
verwendeten Materialien. In Anwendungsfällen mit geringem Volumen oder wenn
es erwünscht ist, Prototypen zum Test und/oder zur Produktion von Gießformen
ohne ähnlichen Einrichtungen herzustellen, werden die Lager vorzugsweise aus
metallischen zylindrischen Rohlingen hergestellt, die beispielsweise aus einem
dickwandigen Rohr oder anderen Zapfen, die bearbeitet werden, um radiale
und/oder Flächenbohrungen oder Nuten vorzugeben, die mit radialen Einschnitten
oder Schlitzen entweder durch numerisch gesteuerte elektrische Entlade-
Herstelltechniken, numerisch gesteuerte Laser-Schneidtechniken oder numerisch
gesteuerte Wasserstrahl-Schneidtechniken gebildet werden. Bei mittleren Volumen
werden die Lager der vorliegenden Erfindung vorzugsweise hergestellt unter
Verwendung eines Präzisions-Formgußvertahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung. In Anwendungsfällen mit großem Volumen können die Lager der
vorliegenden Erfindung unter Verwendung einer großen Vielzal von Materialien,
wie beispielsweise Plastik, Keramik, Pulvermetallen und Nicht-Pulvermetallen
und Verbundmaterialien hergestellt werden. In Anwendungsfällen mit großem
Volumen kann eine Anzahl von Hersteilverfahren einschließlich des
Spritzgießens, des Formgießens, des Sinterns und der Extrusion ökonomisch
verwendet werden. Die Lager der vorliegenden Erfindung können in einer Form
gebildet werden, die leicht gießbar ist.
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Kurz gesagt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Radiallager, Drucklager
und kombinierte hydrodynamische Padial- und Drucklager, welche beträchtlich
besser als bekannte Lager arbeiten und mit einem Bruchteil der Kosten
vergleichbarer Lager hergestellt werden können.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Einzelheiten der Erfindung seien im Zusammenhang mit den beiliegenden
Zeichnungen beschrieben, in denen:
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Figur 1A eine Ansicht eines Drucklagers gemäß der vorliegenden Erfindung von
unten ist.
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Figur 1B eine teilweise geschnittene Ansicht des Drucklagers von Figur 1A
entlang der Linien ist, die in Figur 1A angegeben sind.
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Figur 1C eine Draufsicht auf das Drucklager von Figur 1A ist.
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Figur 2A eine Draufsicht auf ein Drucklager bzw. ein kombiniertes
Radial/Drucklager ist.
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Figur 2B eine Ansicht von unten auf das Drucklager bzw. das kombinierte
Radial/Drucklager von Figur 2A ist.
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Figur 2C ein Querschnitt entlang der in Figur 2A angegebenen Linien ist.
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Figur 3A eine Draufsicht auf ein Drucklagerkissen ist, das mit einer gestrichelt
angegebenen Bodenausnehmung versehen ist.
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Figur 3B eine Seitenansicht des Drucklagerkissens von Figur 3A zeigt.
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Figur 3C eine Seitenansicht eines Radiallagerkissens zeigt, das mit einer
gestrichelt eingezeichn&n Bodenausnehmung versehen ist.
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Figur 4A eine Draufsicht auf ein Drucklagerkissen ist, das mit einer
Bodenausnehmung an jeder Kante versehen ist, die gestrichelt eingezeichnet ist.
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Figur 4B eine Seitenansicht des Drucklagerkissens von Figur 4A ist, wobei die
Bodenausnehmungen gestrichelt angezeigt sind.
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Figur 4C eine Seitenansicht eines Radial- oder Gleitlagerkissens ist mit
Bodenausnehmungen, die in Kantennähe gebildet sind, wie dies gestrichelt
eingezeichnet ist.
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Figur 5A eine Draufsicht auf ein Lagerkissen für ein Radiallager ist.
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Figur 5B eine Seitenansicht des Lagerkissens von Figur 5A ist.
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Figur 5C eine Bodenansicht des Lagerkissens von Figur SA ist.
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Detaillierte Beschreibung der illustrativen Ausführungsbeispiele
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Bei einer Beschreibung der Lager der vorliegenden Erfindung in einer
verständlichen Weise ist es hilfreich, einige gemeinsame Einzelheiten zu
beschreiben.
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Jedes Lagerkissen eines Lagers, das eine Welle abstützt, umläßt eine Vorderkante
und eine Hinterkante. Die Vorderkante ist definiert als die Kante, die zuerst durch
einen Punkt auf dem Kreisumfang der Welle erreicht wird, wenn sie mit der
Rotation fortfährt. In gleicher Weise ist die Hinterkante definiert als die Kante,
die auf dem Kreisumfang später durch den gleichen Punkt auf der Welle erreicht
wird, wenn sie mit der Rotation fortfährt. Wenn die Welle in der geeigneten
Richtung gedreht wird, so bewegt sie sich auf einem Fluidfilm von der
Vorderkante über das Lagerkissen und von der Hinterkante hinweg.
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Obgleich eine spezifische Bezugnahme entweder auf Gleitlager oder Drucklager
erfolgt, um das Verständnis dieser Erfindung zu erleichtern, gelten einige der
gleichen Prinzipien des Lagerentwurfs unabhängig von der spezifischen Form des
entworfenen Lagers. Beispielsweise arbeiten beide Arten von Lagern auf dem
Prinzip der Bildung eines hydrodynamischen Keils. Ferner ist die Hauptachse
sowohl von Gleitlagern als auch von Drucklagern die zentrale Achse des
zylindrischen Rohlings, aus dem das Lager gebildet wird. Die Mittellinie des auf
einem Kreisumfang liegenden Kissens ist die sich radial erstreckende Linie, die
durch das geometrische Zentrum des Kissens und die Hauptachse des Lagers
verläuft. Wenn dementsprechend entweder ein Drucklager oder ein Gleitlager
symmetrisch um diese Mittelachse, d.h. die Hauptachse ist, so ist das Lager
bidirektional
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Es gibt bedeutende Unterschiede zwischen Drucklagern und Gleit- oder
Radiallagern. Der bedeutendste Unterschied ist natürlich der Teil der abgestützten
Welle und demzufolge die Ausrichtung und/oder Lage der
Lagerkissenabstützungen. Während Gleidager beispielsweise Kreisumfangsteile
von Wellen abstützen, stützen Drucklager Schultern oder axiale Endteile von
Wellen ab. Andere Unterschiede ergeben sich aus diesem fündamentalen
Unterschied. Beispielsweise stützen in einem Radial- oder Gleitlager die Kissen
die Last in Richtung der Last ab; während bei einem Drucklager normalerweise
alle Kissen gemeinsam die Last abstützen. Darüber hinaus besitzt ein Gleitlager
allgemein einen eingebauten Keil aufgrund von Differenzen in dem Wellen- und
Lagerdurchmesser: umgekehrt gibt es keinen solchen eingebauten Keil in
Drucklagern. Während ein Gleit- oder Radiallager die Rotationsstabilität ebenso
wie die Last kontrolliert, trägt ein Drucklager typischerweise nur die Last. Es
versteht sich ebenfalls, daß der Entwurf von Gleitlagern und insbesondere von
hydrodynamischen Gleitlagern beträchtlich komplizierter als der Entwurf von
Drucklagern ist. Teilweise ist dies auf die Zwänge zurückzuführen, die durch das
Erfordernis auferlegt werden, die radiale Umhüllung der Gleitlager zu begrenzen.
Für eine Anpassung an diese Unterschiede ist die Konfiguration von Drucklagern
natürlich etwas unterschiedlich gegenüber jener von Gleitlagern. Wie aus dieser
Offenbarung hervorgeht, sind nicht destoweniger viele hier erläuterten Prinzipien
sowohl auf Druck- als auch auf Gleitlager anwendbar.
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Der wichtigste Gesichtspunkt bei der Ausführung eines hydrodynamischen Lagers
ist die Form des Raumes, typischerweise eines konvergierenden Teiles, zwischen
der abzustützenden rotierenden Welle und der Lagerkissenoberfläche. Da die
Form der Wellenobertläche, die abzustutzen ist, grundsätzlich unveränderlich ist,
folgt daraus, daß der wichtigste Gesichtspunkt beim Entwurf von
hydrodynamischen Lagern die Form der Kissenoberfläche unter der Last ist. Die
Form der Kissenobertläche unter der Last hängt prinzipiell von zwei Faktoren ab:
der Form des Kissens selbst und dem Aufbau und dem Ort der Kissen-
Stützstruktur. Für die Zwecke dieser Beschreibung folgt eine Erläuterung
verschiedener Kissenentwürfe. Es muß betont werden, daß Kissenformen, wie sie
hier verwendet werden, mit verschiedenen Stützstrukturen, wie sie z.B. aus der
EP-A-0 343 620 bekannt sind, verwendet werden können. Ein Lager gemäß der
vorliegenden Erfindung kann so aufgebaut werden, daß das Lager bidirektional
verwendet werden kann, d.h., daß das Lager in der Lage ist, eine Welle entweder
bei einer Drehung im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn abzustützen
Das Lager ist bidirektional aufgrund dessen, daß die Kissen symmetrisch um ihre
Mittellinie sind, welche definiert ist als die sich radial erstreckende Linie, die
durch die Lager-Hauptachse und das geometrische Zentrum des Kissens verläuft.
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Ein besonders wichtiger Gesichtspunkt beim Entwurf von Drucklagern der
vorliegenden Erfindung ist die Verhinderung einer Fluidleckage. In einem großen
Ausmaß kann dieses Ziel erreicht werden durch Entwurf der Stützstrukturen in
solcher Weise, daß unter Last die innere Kante der Lagerkissen nach unten
ausgelenkt wird. Im Betrieb entspricht die Auslehkung nach unten der inneren
Kante des Lagerkissens einer Auslehkung hinweg von der abgestützten Welle. Die
abgelenkte Ausrichtung des Lagerkissens verhindert im wesentlichen den Verlust
von Fluid, der anderenfalls auftritt infolge der Zentrifugal-Kraftwirkung auf das
Fluid.
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Der Verlust von hydrodynamischem Fluid kann weiter vermindert werden durch
Abstützung des Lagerkissens dergestalt, daß unter Last sich das Lagerkissen
deformiert, um eine Schmiermittel-Rückhaltetasche zu bilden. Eine solche
Abstützung kann erzielt werden, wenn das Lagerkissen durch mehrere radiale
oder auf einem Kreisumfang beabstandete Träger abgestützt wird und der Bereich
zwischen den Trägern nicht direkt abgestützt wird, so daß der ungestützte zentrale
Bereich des Kissens das Bestreben hat sich nach außen von der Welle hinweg zu
deformieren, um eine Fluid-Rückhaltetasche zu bilden. Eine größere Tasche wird
erhalten, wenn die Träger weiter voneinander beabstandet sind.
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Bezüglich der Verhinderung der Fluidleckage und der Bildung eines
hydrodynamischen Keiles und gemäß der Erfindung ist ein wichtiger
Gesichtspunkt beim Entwurf von spezifischen Kissenformen das Vorsehen von
Bodenausnehmungen auf den Kissen.
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Ein Lagerentwurf gemäß der Erfindung ist in den Figuren 1A-1C dargestellt.
Diese Zeichnungen stellen ein scheibenartiges Drucklager dar, in welchem die
beschriebene Kissenform in einem extrem dünnen scheibenähnlichen zylindrischen
Element erhalten wird. Figur 1A ist eine Bodenansicht des scheibenartigen Lagers
und zeigt auf einem Kreis beabstandete Bodenausnehmungen 132b und Nuten
132p (gestrichelt), welche mehrere auf einem Kreisumfang beabstandete
Druckkissen 132 definieren. Der Querschnitt der Nuten 132p und der
Bodenausnehmungen 132b ist am besten in der Querschnittsansicht von Figur 1B
veranschaulicht. Wie in dieser Figur gezeigt, sind die Nuten 132p und 132b sehr
flach. Schließlich zeigt Figur 1C eine Draufsicht auf das scheibenartige
Drucklager, in welcher die auf einem Kreis beabstandeten, das Kissen
definierenden Nuten 132p dargestellt sind und die Bodenausnehmungen 132b
gestrichelt gezeigt sind.
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Wie zuvor erläutert, definieren die das Kissen bildenden Nuten 132p eine auf
einem Kreis beabstandete Reihe von Lagerkissen 132. Die Bodenausnehmungen
132b hinterschneiden die Kissenoberfläche in einem hinreichenden Ausmaß, so
daß der Teil der Druck-Kissenoberfläche, der hinterschnitten ist, sich leicht nach
unten auslenken kann, um einen konvergierenden Keil und eine Schmiermittel-
Rückhaltetasche zu bilden. Zusammen führen diese Auslehkungen zu der Bildung
einer Reihe von konvergierenden Keilen, so daß der Wellenlauf auf einer Schicht
eines unter Druck stehenden Fluidfilmes abgestützt ist. Ferner wird aufgrund der
Natur der Bodenausnehmungen 132b das Schmiermittel auf der Kissenoberfläche
zurückgehalten und entweicht nicht an den radialen inneren und äußeren Kanten
des Kissens. Eine finite Elementanalyse hat gezeigt, daß bei einer ausreichenden
Last diese einfache Scheibe ausgelenkt wird, um als ein hydrodynamisches
Mehrkissen-Lager auch ohne eine Auslenkung der Stützstruktur zu arbeiten.
Somit kann eine einfache scheibenähnliche Lagerkissenkonfiguration der in den
Figuren 1A-1C gezeigten Art auf einer starren Stützstruktur angeordnet werden
und immer noch befriedigende Ergebnisse erzielen. Natürlich kann eine sich
auslenkende Stützstruktur gewünschtenfalls verwendet werden.
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Wie zuvor erwähnt, hängt der Entwurf einer Kissenform für irgendeine spezielle
Anwendung von den Anforderungen dieser Anwendung ab. Die vorstehende und
die folgenden strukturellen Modifikationen und Betrachtungen können alleine oder
in Kombination verwendet werden. Die Figuren 2A-2C und 5A-5C zeigen, wie
alle diese Merkmale in einem einzigen Lager kombiniert werden können. Dies
bedeutet keinen Vorschlag, alle diese Merkmale notwendigerweise in jedem
Entwurf einzuschließen. Tatsächlich ist dies selten erforderlich. Es ist jedoch
möglich, alle diese Merkmale in einem einzigen Lager zu kombinieren, falls dies
erwünscht ist.
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Figur 2A zeigt eine Draufsicht auf ein Drucklager oder ein kombiniertes
Radial/Drucklager, in welchem die Lagerkissen 132 mit Radiusausschnitten 132C
versehen sind, um die Länge der Vorderkante zu erhöhen. Die Radiusausschnitte
132C sind an jeder Kante vorgesehen, um natürlich einen bidirektionalen Betrieb
zu ermöglichen, wobei erwünschtenfalls die Radiusausschnitte 132C nur an einer
Kante vorgesehen sein können, um optimale Ergebnisse bei einem Betrieb in einer
Richtung vorzugeben. In Figur 2A werden die individuellen Kissen 132 durch
Kissen definierende Nuten 132p vorgegeben.
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Figur 2B zeigt eine Bodenansicht des Drucklagers von Figur 2A. In dieser
Ansicht ist erkennbar, daß das Lager umfäßt Bodenschienen 132r, Nuten 1329,
um die Einlaß-Aufbiegung zu erhöhen, eine Abschrägung 132T, um die Einlaß-
Aufbiegung weiter zu erhöhen und eine Bodenausnehmung 132b, um die
Flüssigkeit weiter zu kanalisieren und die Einlaß-Aufbiegung zu erhöhen. In
diesem Fall geben die Nuten, die Abschrägung und die Ausnehmungen
gemeinsam die gewünschte Auslehkung vor.
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Figur 2C ist ein Querschnitt des Lagers von Figur 2A entlang der in Figur 2A
eingezeichneten Linien. Figur 2C zeigt ebenfalls das auf einer Stützstruktur 137
angeordnete Lager. Die Stützstruktur ist schematisch als ein Kasten gezeigt, um
anzuzeigen, daß gemäß der vorliegenden Erfindung verschiedene Stützstrukturen
verwendet werden können. Wie zuvor vermerkt, ist es durch einen geeigneten
Kissenentwurf möglich, das Erfordernis für eine Auslenkung der Stützstruktur zu
vermeiden. In einem solchen Fall kann die Stützstruktur starr sein, z.B. das
Gehäuse. Alternativ kann jedoch die Stützstruktur eine auslenkbare Stützstruktur
irgendeiner Art sein, wie sie hier offenbart wird und primäre, sekundäre und
tertiäre Stützteile für die Abstützung der Lagerkissen für eine Bewegung in sechs
Freiheitsgraden aufweisen. In gleicher Weise sind die Kissenmodifikationen, die
hier erläutert werden, allgemein individuell oder in Kombination auf Lagerkissen
für irgendeines der hier offenbarten Lager anwendbar.
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Weitere Beispiele von Bodenausnehmungen, die in Kissen gebildet werden,
welche für den Betrieb in einer Richtung entworfen sind, sind in den Figuren
3A-3C gezeigt. Die Figuren 3A-3C zeigen Draußichten und Seitenansichten eines
Druck-Lagerkissens 132, das mit einer Bodenausnehmung 132 gebildet ist, um
eine Kanalbildung hervorzurufen. Die verminderte Kissenfiäche gestattet ebentalis
Auslenkungen unter Druck auf die Bodenoberfläche, wodurch ein konvergierender
Keil gebildet wird. Daßiese Modifikation nur an einer Kante des Kissens 132
vorgesehen ist, ist das Kissen zur Verwendung in einem Lager mit einer
Drehrichtung beabsichtigt. Die in den Figuren 3A und 3B gezeigte
Kissenkonstruktion ist im wesentlichen die gleiche, wie sie bei einem
kombinierten Radial/Drucklager verwendet wird. Der einzige Unterschied ist der,
daß das Kissen mit einem konischen Abschnitt gebildet wird.
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Figur 3C zeigt ein Radial-Lagerkissen 32, das mit einer Bodenausnehmung 32b
an einer Kante desselben versehen ist. Erneut ist dies ein Lager für eine Drehung
in einer Richtung.
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Die Figuren 4A-4C veranschaulichen Lagerkissen-Konfigurationen ähnlich jenen
in den Figuren 3A-3C mit der Ausnahme, daß die Bodenausnehmungen 132b an
beiden Kanten des Lagerkissens vorgesehen sind, um einen bidirektionalen
Betrieb zu gestatten. Speziell umfäßt das Druck- oder kombinierte Radial- und
Drucklagerkissen 132 in den Figuren 3A und 4B Bodenausnehmungen 132b an
jeder Kante desselben. Wie durch einen Vergleich der Figuren 4A-4B mit den
Figuren 3A-3B hervorgeht, sind die Bodenausnehmungen etwas kleiner, um
solche Ausnehmungen an jeder Kante vorsehen zu können.
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In gleicher Weise umfäßt in Figur 4C das Radiallagerkissen 32
Bodenausnehmungen 32b an jeder Kante desselben. Erneut sind die
Ausnehmungen etwas kürzer als die Ausnehmungen, die in dem unidirektionalen
Lager gemäß Figur 3C vorgesehen sind.
Figur 5A zeigt eine Draufsicht auf ein Gleit- oder Radiallagerkissen 32 mit einem
Radiusausschnitt 32C, der in jeder Kante desselben gebildet wird, um die Länge
der Vorderkanten zu erhöhen. Dies erhöht den Betrag an Schmiermittel, das auf
die Lagerkissenoberfläche gebracht wird.
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Figur 5B zeigt eine Seitenansicht des Lagerkissens 32 von Figur 5A. Aus dieser
Ansicht ist es möglich, den Radiusausschnitt 32C zu erkennen, der in der
Oberfläche des Kissens gebildet ist, die Abschrägung 32t, die an den Bodenkanten
des Kissens gebildet ist, die Bodenausnehmung 32b, die auf der Unterseite des
Kissens gebildet ist, die Nuten 32g, die auf der Bodenseite des Kissens gebildet
sind und die Schienen 32r, die sich radial nach außen von der Bodenoberfläche
des Kissens erstrecken.
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Figur 5C zeigt die Bodenansicht des Lagerkissens von Figur 5C und Figur 5B,
aus denen die Bodenschienen 32r, die Nuten 329 und die Bodenausnehmungen
32p erkennbar sind.
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Wie zuvor erläutert, definieren die Kissen bildenden Nuten 132p eine auf einem
Kreis beabstandete Reihe von Lagerkissen von 132. Die Bodenausnehmungen
132b hinterschneiden die Kissenoberfläche in einem hinreichenden Ausmaß, so
daß der Teil der Lagerkissenoberfläche, die hinterschnitten ist, sich leicht nach
unten auslenken kann, um einen konvergierenden Teil und eine Schmiermittel-
Rückhaltetasche zu bilden. Gemeinsam führen diese Auslenkungen zu der Bildung
einer Reihe von konvergierenden Keilen, so daß der Wellenlauf auf einer Schicht
eines unter Druck stehenden Fluidfilmes abgestützt ist. Ferner wird aufgrund der
Natur der Bodenausnehmungen 132b das Schmiermittel auf der Kissenoberfläche
zurückgehalten und entweicht nicht von den radialen inneren und äußeren Kanten
des Kissens. Eine finite Elementanalyse hat gezeigt, daß bei einer hinreichenden
Last sich diese einfache Scheibe auslenkt, so daß sie als ein hydrodynamisches
Mehrfachkissen-Lager auch ohne eine Auslenkung der Stützstruktur arbeitet. Eine
einfache scheibenartige Lagerkissen-Konfiguration der in den Figuren 1A-1C
gezeigten Art kann daher aus einer starren Stützstruktur angeordnet werden und
immer noch befriedigende Ergebnisse erzielen. Natürlich kann eine sich
auslenkende Stützstruktur verwendet werden, falls dies gewünscht ist.
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Ein wichtiger Gesichtspunkt im Hinblick auf die Herstellung der
hydrodynamischen Lager der vorliegenden Erfindung ist die Vorgabe von
bearbeitbaren Lagerformen, d.h. Lagerformen, die hergestellt werden können
durch Bearbeitung eines Stückes von dickwandigem Rohr oder eines ähnlichen
zylindrischen Zapfens unter Verwendung von standardmäßig verfügbaren
Bearbeitungstechniken. Derartige Lager sind charakterisiert durch die Tatsache,
daß sie aus einem Stück eines dickwandigen Rohres oder eines ähnlichen
zylindrischen Zapfens durch das Vorsehen von Bohrungen, Schlitzen und Nuten
gebildet werden können. Der Vorteil solcher Lager liegt darin, daß es leicht ist,
Prototypen herzustellen und diese Prototypen nach dem Test zu modifizieren.
Wenn natürlich die Lager in einer Massenproduktion hergestellt werden sollen
unter Verwendung von beispielsweise Form- und Gießtechniken, so können
unterschiedliche Herstelungsverfahren unterschiedliche Formen bedingen. Es ist
wichtig zu erkennen, daß Änderungen in der Form die Lagerleistung beeinflussen.
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Eine weitere Betrachtung bei der Herstellung ist das einfache Gießen. Natürlich
können die meisten Lagerkonstruktionen der vorliegenden Erfindung durch
irgendwelche Gießtechniken gegossen werden. Jedoch können nur bestimmte
Formen in einer einfachen zweiteiligen Form, d.h. in einer Form, die keine
Nocken umtäßt, durch Spritzguß hergestellt werden. Ein weiterer Vorteil der
Lager der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß die Lager mit leicht formbaren
Formen aufgebaut werden können, welche als Formen definiert sind, die unter
Verwendung einer einfachen zweiteiligen Form durch Spritzguß hergestellt
werden können. Eine leicht gießbare Form ist allgemein gekennzeichnet durch die
Abwesenheit von "verborgenen" Ausnehmungen, welche Kerne für das Gießen
erfordern.