AEROSTATIC BEARING

Abstract: 1. Separately supplied gas bearing of essentially porous material with a plurality of throttle points at the bearing gap, characterised in that at least one more throttle point (D') is provided on the feed side.

Description: Aerostatisches Lager Die Erfindung bezieht sich auf ein fremdgespeistes Gaslager gemäss dem Oberbegriff des Anspruches 1. Es sind verschiedene Lösungen für den-Aufbau von derartigen Lagern - die auch als aerostatische Lager bezeichnet werden - bekannt. In der Druckschrift "Industrieanzeiger" 92. Jahrgang Nur, 80 vom 25.9.1970, Seiten 1892, 1893 ist unter dem Titel Druckluftgespeiste Radiallager aus porösem Werkstoff eine Übersicht über derartige Lager und deren Funktion angegeben. Auch die Nachteile die derartigen Lagern eigen sind, werden in dieser Druckschrift abgehandelt. Zur Vermeidung von selbsterregten Schwingungen bei aerostatischen Lagern werden dort Massnahmen wie Verkleinerung der Düsen (Beruhigungskammern) vorgeschlagen. Durch gänzliches Weglassen dieser Kammern vermindert sich jedoch die Tragfähigkeit der Lager. Dem kann mit einer Erhöhung.der#Düsen- anzahl begegnet werden, was wiederum eine aufwendigere und teurere Fertigung erfordert. Als Ersatz für ein Lager mit vielen Drosselstellen an der lagerspaltseitigen Oberfläche wird folgerichtig vorgeschlagen, das Lager aus einem geeigneten porösen und zugleich luftdurchlässigen Werkstoff (z. B. Sinterkohle, Sinterkeramik, Sinterbronze) herzustellen. Ein derartiges Lager bietet gegenüber dem herkömmlichen Lager mit vielen Drosselstellen einen erheblichen Zuwachs an Tragfähigkeit. Es werden in dieser Druckschrift aber auch die erheblichen Schwierigkeiten beim Einsatz derartiger poröser Werkstoffe als Lagerwerkstoffe geschildert. Die Permeabilität des porösen Lagerwerkstoffes beeinflusst entscheidend die Tragfähigkeit des Lagers. Aus einer weiteren Druckschrift desselben Autors sind die Kriterien für die Lagerauslegung bekannt (wt - Z. ind. Fertig. 61 (1971), S. 616 und insbesondere S. 617, linke Spalte). Danach ist man gewissermassen gezwungen, mit einer bestimmten Permeabilität der gefertigten Lagerschale auszukommen und die Lagergeometrie auf die Durchlässigkeit des Lagerwerkstoffes abzustimmen und nicht umgekehrt. Die vorgenannten Besonderheiten zeigen, dass Düsenlager und poröse Lager mit erheblichen Nachteilen behaftet sind, wenn durch äussere Umstände die Lagergeometrie weitgehend vorgegeben ist. Es ist die Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile weitestgehend zu vermeiden und ein aero statisches Lager zu schaffen, dessen Tragfähigkeit und Steifigkeit den herkömmlichen Lagern mindestens ebenbürtig ist, ohne dass bei der Auslegung des Lagers die Lagergeometrie im bisherigen Masse von der Auswahl des Lagerwerkstoffes abhängig ist. Der Fertigungsaufwand für das Lager soll dabei nicht höher werden, als bei den bekannten Lagern. Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst. Die Vorteile des er-findungsgemässen Lagers liegen in einer erheblichen Steigerung der Tragfähigkeit und der Steifigkeit gegenüber herkömmlichen Düsenlagern und einer erheblich erhöhten Steifigkeit und Sicherheit gegen selbsterregte Schwingungen gegenüber herkömmlichen Lagern aus porösen Werkstoffen. Weitere Vorteile, besonders hinsichtlich der Fertigung ergeben sich aus Unteransprüchen. Durch Ausführungsbeispiele wird anhand der Zeichnungen die Erfindung noch näher erläutert. Es zeigt Figur 1 die schematische Darstellung eines Planlagers mit hinterein andergeschalteten Drosselstellen, Figur 2 eine Variante eines Planlagers mit hintereinandergeschalteten Drosselstellen, Figur 2a ein elektrisches Ersatz schaltbild entsprechend dem Planlager gemäss Fig. 2, Figur 3 ein Planlager mit porösem Werkstoff zwischen den hinter einandergeschalteten Drossel stellen, Figur 4 ein Planlager aus porösem Werkstoff mit verdichteten Oberflächen, Figur 5 ein sphärisches Lager aus po rösem Werkstoff mit verdicht teten Oberflächen, Figur 6 ein Planlager aus porösem Werkstoff mit beschichteten Oberflächen und geätzten Drosselstellen. Das in Figur 1 gezeigte schematische Planlager weist am Lagerspalt S eine Vielzahl von Düsen auf, die jeweils gegen den Lagerspalt S hin zu einer Drossel stelle D1. . . D im Querschnitt verengt sind. Auf n der vom Lagerspalt S abgewandten Seite sind die Düsen durch einen Hohlraum H verbunden. Dieser Hohlraum H ist so dimensioniert, dass er zwar ein möglichst geringes Gasvolumen aufweist, andererseits jedoch eine laminare Luftströmung bei möglichst kleinem Strömungswiderstand erlaubt. Ersteres ist zur Vermeidung von selbsterzeugten Schwingungen und letzteres zur Vermeidung von Luftmangel an den Düsen in den Aussenbereichen des Lagers erforderlich. Der Hohlraum H wird auf der dem Lagerspalt S abgewandten Seite mit Druckluft P versorgt. Die Einlassöffnung ist ebenfalls als Drosselstelle D' ausgebildet. Die lagerspaltseitigen Drosselstellen D1.. Dn und die einspeisungsseitige Drosselstelle D' stellen eine Reihenschal tung von Drosselstellen D', D1. ..D dar. Mit die n ser Anordnung von Drosselstellen wird die Tragfähigkeit und die Steifigkeit des Lagers gegen über den herkömmlichen Diisenlagern erheblich gesteigert, da diese auf der Einspeisungsseite nicht über weitere Drosselstellen verfügen. Eine Variante dieses erfindungsgemässen Planlagers ist in der Figur 2 gezeigt. Hier ist der Einspeisungsöffnung für die Druckluft P eine Verteilkammer V nachgeschaltet. Diese Verteilkammer V ist über eine Vielzahl von Drosselstellen D'1...D' n mit einem Hohlraum H' verbunden. Der Hohlraum T#' weist ebenso wie der Hohlraum H gemäss Figur 1 ein möglichst geringes Gasvolumen bei möglichst geringem Strömungswiderstand auf. Vom Hohlraum H' aus führt eine nahezu gleiche Anzahl von Drossel stellen D1 . . .D zum Lagerspalt S, wie Drossel n stellen D' ...D' von der Verteilkammer V zum n Hohlraum H' führen. Ebenso wie im ersten Ausführungsbeispiel erhöhen sich durch eine derartige Anordnung von Drosselstellen Tragfähigkeit und Steifigkeit des Lagers. Zu dem Ausführungsbeispiel gemäss Figur 2 ist in Figur 2a ein elektrisches Ersatzschaltbild gezeigt, welches die Verhältnisse am Lager hinsichtlich der Drosselstellen (D'1...D' , D1...D ) anhand eines Widerstands-Netzwerkes zeigt. Dabei entsprechen die Widerstände R' 1...R' den Drosselstellen Dz1... n D'n an der Einspeisungsseite des Lagers, die Widerstände R1...Rn den Drosselstellen D1...Dn an der Lagerspaltseite, die Widerstände R51... Rsn den Strömungswiderständen im Lagerspalt S und die Widerstände RH'1...RH'n den Strömungswiderständen im Hohlraum H', wobei die Bedingung gilt, dass die Widerstände RH,1...RH,n gegenüber den Widerständen R'1¯¯¯R'n, und R1...Rn klein sein müssen. Die Widerstände Rs1...Rsn werden durch die Spalthöhe des sn Lagerspaltes S beeinflusst. In Figur 3 ist ein ähnliches Gaslager gezeigt wie in Figur 2, jedoch ist hier der Raum zwischen den einspeisungsseitigen und den lagerspaltseitigen Drosselstellen D'1...D'n, D1 ...D durch einen n Körper L' aus porösem Werkstoff ausgefüllt, was die Strömungsverhältnisse in diesem Raum stabilisiert. Figur 4 weist hingegen keine separat gefertigten Diisen-Drosselstellen auf. Dort ist ein Lager aus porösem Werkstoff L vorgesehen. Gegenüber dem Stand der Technik bestehen jedoch erhebliche Vorteile, da die einspeisungsseitige und die lagerspaltseitige Oberfläche LE und LS des Lagerkörpers L gezielt verdichtet sind. Durch spanende Verformung werden die Poren des porösen Lagerwerkstoffes gezielt verschmiert, so dass sich in den Oberflächenbereichen LE und LS die Luftdurchlässigkeit verändert. Auf diese Weise wird eine Anzahl von Drosselstellen D'1...D' D1.. #Dn er- zeugt, wobei die einspeisungsseitigen und die lagerspaltseitigen Drosselstellen hintereinander geschaltet sind. Ein elektrisches Ersatz schaltbild würde dem Netzwerk gemäss Figur 2a entsprechen. Die verdichteten Oberflächen LE, LS weisen einen höheren Strömungswiderstand auf, als der unverdichtete poröse Raum im Innern des Lagers L. Die Querströmung im Lager (parallel zum Lagerspalt S) wird durch die Permeabilität des porösen Werkstoffes bestimmt, und die Strömung senkrecht zum Lagerspalt S kann durch das gezielte Verdichten der einspeisungsseitigen und der Lagerspaltseitigen Oberflächenbereiche LE, LS eingestellt werden, so dass die Tragfähigkeit und die Steifigkeit des Gaslagers gezielt beeinflusst werden kann. Bei herkömmlichen Lagern mit porösen Werkstoffen konnte die Permeabilität nicht gezielt eingestellt werden. Die Verdichtung der Oberflächen LE, LS kann beispielsweise durch Verfahren vorgenommen werden, bei denen unter Druck geschliffen wird. Figur 5 stellt schematisch ein sphärisches Lager dar, bei dem eine poröse Lagerschale LS mit verdichteten Oberflächen die Verbindung zwischen der Verteilkammer V5 und dem Lagerspalt Ss darstellt. Selbstverständlich lassen sich auch andere Lagerformen mit einer derartigen Lagerschale bilden. Es seien hier nur zusätzlich Kegellager, zylindrische Lager und Kombinationen der verschiedenen Lager genannt. Ein weiteres Lager aus porösem Werkstoff ist in Figur 6 dargestellt. Bei diesem Lager ist der po röse Werkstoff L'' an der einspeisungsseitigen und an der lagerspaltseitigen Oberfläche luftundurchlässig beschichtet, und die Drosselstellen D'1...D' , D1...Dn sind eingeätzt. Ebenso liesse sich eine lichtempfindliche Schicht auf die Oberfläche auftragen. Eine Maske mit den erforderlichen Drosselstellen wird bei der Belichtung der Schichten aufgelegt, die belichtete Schicht entwickelt und anschliessend ausgewaschen, wobei die Drosselstellen bestehen bleiben. Anschliessend wird der Lagerkörper mit einer Schicht bedampft und danach die Drosselstellen ausgewaschen. Mit diesem an sich bekannten Verfahren liesse sich auf einfache Weise jede gewünschte Anzahl und Anordnung von Drosselstellen herstellen und so die Permeabilität des porösen Lagers beeinflussen.

Claims: Patentansprüche 1.) Fremdgespeistes Gaslager mit einer Vielzahl von Drosselstellen am Lagerspalt, dadurch ge kennzeichnet, dass einspeisungsseitig wenig stens eine weitere Drosselstelle (D') vorge sehen ist und dass zwischen den lagerspaltsei tigen Drosselstellen (D1...Dn) )und der zuge- hörigen einspeisungsseitigen Drosselstelle (D') ein Raum (H) mit kleinem Gasvolumen und kleinem Strömungswiderstand vorgesehen ist. 2.) Fremdgespeistes Gaslager nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, dass sowohl lagerspalt seitig als auch einspeisungsseitig annähernd die gleiche Anzahl von Drosselstellen (D'1.. e n und D1 . .. ) vorgesehen ist, die durch einen Raum (II') mit kleinem Gasvolumen und kleinem Strömungswiderstand miteinander in Verbindung stehen. 3.) Fremdgespeistes Gaslager nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, dass zwischen den ein speisungsseitigen und den lagerspaltseitigen Drosselstellen (D'1...D' n D1...Dn) ein Ele- ment (L') aus porösem Werkstoff wie Sinter metall, Kunstkohle oder dgl. angeordnet ist. 4.) Fremdgespeistes Gaslager nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die einspeisungsseitige als auch die lagerspalt seitige Oberfläche des aus porösem Werkstoff bestehenden Elements (L) gezielt verdichtet wird, und dass die gezielt verdichteten Schich ten (LE, Ls) die Drosselstellen (D'1...D'n, D1.. Dn) bilden. 5.) Fremdgespeistes Gaslager nach Anspruch 4, da durch gekennzeichnet, dass die Verdichtung der Oberflächen (LE, Ls) des porösen Werkstoffes durch Fräsen mittels Diamantwerkzeugen erzielt wird. 6.) Fremdgespeistes Gaslager nach Anspruch 4, da durch gekennzeichnet, dass die Verdichtung der Oberflächen (LE, Ls) durch Überschleifen des porösen Werkstoffes erzielt wird. 7.) Fremdgespeistes Gaslager nach Anspruch 6, da durch gekennzeichnet, dass der poröse Werk stoff ein Sintermetall ist, dessen Oberflächen (LE, L5) zur gezielten Verdichtung unter Druck überschliffen werden. 8.) Fremdgespeistes Gaslager nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die einspeisungsseitige als auch die lagerspalt seitige Oberfläche des aus porösem Werkstoff bestehenden Elements (L " ) beschichtet ist, und dass die Drosselstellen (D'1...D'n, D1...Dn) durch Ätzen der beschichteten Oberflächen (LE, L5) erzeugt werden.

Inventors: HEINZL, JOACHIM, PROF. DR.-ING., ZEHENTBAUER, HANS
Applicants: HEINZL, JOACHIM, PROF. DR.-ING., ZEHENTBAUER, HANS
Application year: 1982
Main classification: F16C32
IPC codes: F16C32