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Aerodynamisches Gleitlager für hohe Umdrehungszahlen Die Erfindung
bezieht sich auf ein aerodynamisches Gleitlager für hohe Umdrehungszahlen, bei denen
die Schmierung durch einen Gas-, insbesondere Luftfilm erfolgt, der sich bei hoher
Umlaufgeschwindigkeit im Spalt zwischen Zapfen und Schale von selbst ausbildet und
auf dem der Zapfen dann schwimmt.
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Es ist schon lange erkannt worden, daß derartige aerodynamische Lager
mit außerordentlich geringen Reibungsverlusten arbeiten können, sobald die hohe
Drehzahl erreicht ist, bei welcher der Zapfen im Luftspalt zu schwimmen beginnt.
Trotz dieses zu erwartenden Fortschrittes gelang es bisher nicht, derartige Lager
in der Praxis anzuwenden. Dies ist wohl hauptsächlich darauf zurückzuführen, daß
es bisher an einem Vorschlag für eine einfache und zuverlässige Bauart eines derartigen
luftgeschmierten Lagers fehlte, das sowohl im Dauerbetrieb als auch besonders beim
Anlauf und Auslauf den jeweils vorkommenden Belastungen gewachsen ist. Um diesen
Schwierigkeiten abzuhelfen., wurde schon vorgeschlagen, dem Lagerspalt Preßluft
oder ein anderes geeignetes vorgespanntes Gas während der ganzen Betriebsdauer des
Lagers, also auch über die Anlauf- und Auslaufzeiten, über eine Ringnut zuzuführen,
so daß der Wellenzapfen auch im Ruhezustand gewissermaßen auf dem Druckluftpolster
schwimmen soll. Bei diesem bekannten Vorschlag ist entweder ein Preßlufterzeuger
oder ein Behälter erforderlich, in dem Druckgas aufgespeichert ist. Außerdem müssen
Leitungen verlegt und Kanäle im Lager selbst vorgesehen werden. Dadurch wird die
Lagerausbildung verteuert und vergrößert. Außerdem läßt sich dieser Vorschlag auch
deshalb nicht allgemein anwenden, weil nicht in allen Fällen gespanntes Gas oder
Druckluft zur Verfügung steht.
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Eine einfachere, aber trotzdem sicher wirkende Lagerausbildung ergibt
sich demgegenüber gemäß der Erfindung dadurch, daß entweder der Zapfen oder die
Schale
oder beide Teile aus nichtmetallischem Werkstoff, wie Graphitkohle oder keramischem
Stoff, insbesondere Sinterkorund, hergestellt sind.
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Die Zeichnung zeigt fünf Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes.
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Das aerodynamische Gleitlager, veranschaulicht in Abb. I, besteht
genau wie das hydrodynamische Gleitlager aus Lagerkörper a mit Lagerschale b und
Welle c, welche in der Lagerschale rotiert. Der Luft-oder Gasfilm ist mit d bezeichnet.
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Die in Abb. I dargestellte Lagerkonstruktion überträgt nur Radialkräfte
(Traglager). Da die Tragfähigkeit infolge der sehr geringen Luftreibung erst bei
höheren Touren einsetzt, ist es erforderlich, den unteren Tourenbereich durch Trockengleitlager-Werkstoffe
(z. B. Graphitkohle, Steine od. ä.) zu überbrücken. Bei dem in Abb. I dargestellten
Lager besteht die Welle c aus gehärtetem Stahl, geschliffen, geläppt und poliert.
Die Lagerschale b besteht aus Graphitkohle, geschliffen und poliert, einem bekannten
Trockenlagerwerkstoff.
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Aerodynamische Gleitlager verlangen erheblich höhere Gleitgeschwindigkeit
als hydrodynamische Gleitlager.
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Aus diesem Grund kann der Lagerdurchmesser trotz größerer Umdrehungszahl
größer ausgeführt werden als der Wellendurchmesser, während bei hydrodynamischen
Gleitlagern die Lagerzapfen dünner gehalten werden als die Welle, um die Reibungsverluste
und Umfangsgeschwindigkeit klein zu halten.
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Aerodynamische Gleitlager gestatten wesentlich höhere Umläufe pro
Minute als Wälzlager und hydrodynamische Gleitlager, arbeiten ruhiger, haben geringere
Reibung und ergeben damit auch wesentlich geringere Übertemperaturen.
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Zur Erhöhung der Tragfähigkeit können dieselben Maßnahmen angewandt
werden wie bei hydrodynamischen Gleitlagern, z. B. Fördernuten und Preßluft. Abb.
2 zeigt ein Traglager mit Fördernuten e.
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Die Fordernuten wirken wie ein Fördergewinde und versorgen den Luft-
bzw. Gasfilm in erhöhtem Maße mit Frischluft bzw. Frischgas, sie fördern Staub aus
dem Lager heraus.
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Aerodynamische Gleitlager bedürfen keiner besonderen Wartung, da diese
durch die umgebende Luft (das umgebende Gas) oder Preßluft (Preßgas) erfolgt. Sie
sind speziell geeignet für rotierende Maschinen, welche auf Grund von Tangentialkräften
außer dem Läufergewicht, das radiale Kräfte ausübt, nur Drehmomente ergeben. Für
Kolbenmaschinen, die wegen der Kolben und Pleuel nicht hochtourig ausgeführt werden
können, sind sie ungeeignet wegen der großen, radial wirkenden Kolbenkräfte und
wegen zu geringer Umfangsgeschwindigkeit.
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In Abb. 3 ist ein Traglager dargestellt, das auch axial in Pfeilrichtung
x belastbar ist. Das Lager besteht aus dem Lagerkörper a mit Lagerschale b aus Sinterkorund
(Stein).
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Die Stahlwelle c ist mit aufgepreßtem Sinterkorundring c' versehen.
Der Luft- oder Gasfilm ist mit d bezeichnet.
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Zur Aufnahme der Axialkraft x ist eine Spurplatte i vorgesehen, ebenfalls
aus Sinterkorund. Da Sinterkorund ein Nichtleiter ist, bildet sich Reibungselektrizität,
welche je nach Tourenzahl Funkenüberschläge von der Welle c zum Lagerkörper a mit
ziemlich regelmäßigem Zeitintervall zur Folge hat. Dies führt zu unerwünschter Korrosion.
Zur Vermeidung dieser Erscheinung ist eine Massekohle g vorgesehen. Dieselbe befindet
sich axial beweglich in dem Massebügel e, der durch Schrauben f mit dem Lagerkörper
a leitend verbunden ist. Die Feder h sorgt dafür, daß Kohle g und
Achse c stets kraftschlüssig in Berührung bleiben. Die Kohle kann auch, wenn konstruktiv
erforderlich, radial angebracht werden.
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Infolge geringerer Luft- oder Gasreibung als Ölreibung beim hydrodynamischen
Gleitlager muß der Luft- oder Gasfilm schwächer ausgeführt werden als der Ölfilm
beim hydrodynamischen Gleitlager. Damit der Luftfilm trotz seiner geringeren Stärke
nicht durchgedrückt wird, ist bei der Konstruktion auf größte Starrheit sowohl der
Welle als auch des Gehäuses zu achten.
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Auch darf die Wärmeausdehnung der Welle nicht größer sein als die
der Lagerschale.
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Bei Elektromotoren oder bei Maschinen, welche infolge Eigenerwärmung
größere Übertemperaturen annehmen, ist deshalb dieselbe Konstruktion zu wählen wie
bei der in Abb. 4 dargestellten Schleifspindel. Das heißt, die Achse und die Lagerschalen
sind beide aus Sinterkorund zu machen, und die Lagerschalen sind in schwachwandige
Lagerkörper einzupressen. Die Lagerkörper sind ohne radiale Rippen mit gleicher
Wandstärke auszuführen, weil sonst die Lagerschalenbohrungen urirund werden (bei
Erwärmung), was das Ausschalten des Lagerspaltes d zur Folge hätte. Bei einer Lagerkonstruktion
nach Abb. 3 für vorerwähnte Maschinen sind auch wegen Wärmeausdehnung die Abmessungen
der Stahlwelle, Wandstärke der auf dieser aufgepreßten Buchse, Wandstärke der Lagerschale
und Wandstärke des Lagerkörpers so abzustimmen, daß der Lagerspalt bei wechselnder
Temperatur konstant bleibt. Desgleichen ist der Lagerkörper, wie vorerwähnt, ohne
Rippen auszuführen.
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Bei der Fabrikation ist darauf zu achten, daß die Lagerflächen mit
einer Oberflächengüte hergestellt werden, wie sie bei Meßzapfen angewandt wird.
Des weiteren muß die Formgenauigkeit ebenfalls derjenigen eines Meßzapfens oder
Meßringes entsprechen. Schließlich müssen die Lagerstellen genauestens fluchten.
Auch sind Vorkehrungen zu treffen, daß das genaue Fluchten im Betrieb nicht durch
Resonanzschwingungen beseitigt wird bzw. daß die an sich schon kleine Lagerluft
durch elastische Verformungen beseitigt wird.
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Zwei Beispiele sollen wegen der gewerblichen Anwendungsmöglichkeit
angeführt werden, was jedoch nicht heißen soll, da,ß mit diesen beiden Beispielen
die gewerbliche Anwendungsmöglichkeit erschöpft ist.
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In Abb. q. ist eine- Schleifspindel für xoo ooo U/min dargestellt.
Das Gehäuse aus Stahl ist mit a bezeichnet. In dem Gehäuse befinden sich zwei Sinterkorund-Lagerschalen
b fest eingepreßt. In diesen Lagerschalen läuft die Welle c, dieselbe ist vollständig
aus Sinterkorund. Der Lagerspalt ist mit d bezeichnet. Auf dem einen Zapfen dieser
.Welle c ist das Futter e aus
gehärtetem Stahl warm aufgeschrumpft.
Mit Gewinde auswechselbar ist, wie üblich, der Schleifsteinhalter g befestigt. Am
Außenumfang des Futters e befinden sich vier Flügel f, welche zum Antrieb der Spindel
mit Preßluft dienen. An dem anderen Zapfen der Welle c befindet sich eine Rille
h, in welcher ein oszillierender Hebel mit einer U-förmigen Graphitkohle eingreift,
so daß die Welle c beim Lauf eine oszillierende Bewegung macht. Konstruktiv sei
erwähnt, daß das Gehäuse a an den Sitzen der Lagerschalen b so dünnwandig gehalten
ist, daß der Luftfilm d in seiner Größe mit schwankender Temperatur nicht beeinflußt
wird. Auch sind im Gehäuse a zwei Eindrehungen i angebracht, welche
beim Einspannen der Spindel ein mechanisches Verquetschen der Lagerluft verhindern.
Da die Welle c ebenfalls wie die Lagerschale b aus Sinterkorund angefertigt ist,
bleibt die Lagerluft selbst bei wechselnder Temperatur erhalten. Die Ausführung
der Welle aus Sinterkorund hat gegenüber Stahl außer den schon geschilderten lagertechnischen
Vorteilen noch folgende Vorteile: Erstens ist der Elastizitätsmodul 2 Ioo ooo etwas
höher als bei Stahl, dann beträgt das spezifische Gewicht 3,45 g/cm3 im Vergleich
zu 7,8 g/cm3 bei Stahl. Der höhere E-Modul und das geringere spezifische Gewicht
ergeben eine höhere Eigenschwingungszahl, das heißt, die Resonanzdrehzahl liegt
höher als bei einer Stahlwelle gleicher Abmessungen. Infolge des bei aerodynamischen
Gleitlagern erwünschten großen Lagerdurchmessers steigt die Resonanzlage normal,
was für den ruhigen Lauf der Welle von großer Wichtigkeit ist.
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Da der Preßluftstrom zum Antrieb in einem spiralförmigen Gehäuse zugeführt
wird, ergeben sich nur tangentiale Antriebskräfte. Fabrikatorisch sei erwähnt, daß
sowohl die beiden Lagerschalen b, eingepreßt im Gehäuse a, durch Schleifen, Läppen
und Polieren absolut fluchtend bearbeitet werden können, was in der gleichen Art
für die Welle zutrifft. Der Vorteil gegenüber den heutigen Spindeln mit Kugellagern
besteht darin, daß die umgebende Luft mit 1 atü zur Schmierung genügt, während bei
Kugellagerspindeln, welche Ioo ooo U/min nicht erreichen, mit Ölnebel geschmiert
werden muß. Auch dürfte der ruhigere Lauf sich günstig auf die Schleifgenauigkeit
auswirken. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, daß jedes Kugellager infolge Überwalzung
der einzelnen Kugeln wie ein Schwingungserzeuger wirkt.
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Als zweites Beispiel sei ein Kreiselkompaß für Flugzeuge erwähnt.
Derselbe ist in Abb. 5 dargestellt. In einem Gehäuse a, das mit einem Deckel
b und Schrauben c luftdicht verschraubt ist, befindet sich ein Hochfrequenzmotor
e, dessen Läufer z. B. 5o oooU/min macht. Der Kurzschlußläufer dieses Motors sei
in aerodynamischen Gleitlagern gelagert.
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Der Gasdruck p in dem Gehäuse a bleibt unabhängig von der Steighöhe
des Flugzeuges in der Größe erhalten, wie er beim Schließen des Deckels vermittels
Einfüllrohr f eingestellt würde, so daß die Tragfähigkeit der aerodynamischen Lager
nicht beeinträchtigt wird. Es besteht auch die Möglichkeit, das Gehäuse a mit Preßluft
(Preßgas) zu füllen, z. B. Wasserstoff von mehreren atü.