-
Die Erfindung betrifft ein aerostatisches Lagerteil gemäß dem Anspruch 1, welches sich insbesondere durch eine einfache Bauweise auszeichnet.
-
Aerostatische Lager sind hochpräzise Gleitlager mit Luft oder einem anderen geeigneten Gas als Schmiermittel. Diese Lager zeichnen sich demzufolge im Unterschied zu Wälzlagern und ölgeschmierten Gleitlagern durch eine minimale Reibung zwischen den bewegten Lagerteilen aus. Die Luft wird bei aerostatischen Lagern oder Luftlagern mit einem Überdruck von üblicherweise zwei bis sechs Bar von einer externen Druckluftquelle über Einlassdrosseln zwischen die Gleitflächen des aerostatischen Lagers gepresst, wobei das Luftpolster im Lagerspalt die erforderliche Führungsqualität bei kleinen Reibkräften ermöglicht. Somit treten bei aerostatischen Lagern keine Slip-Stick-Effekte auf, so dass diese praktisch verschleißfrei betrieben werden können.
-
Aerostatische Lager können als ebene Plattenlager, zylindrische Lager, kegelige Lager oder sphärische Lager ausgebildet sein. Üblicherweise bestehen die aerostatischen Lager aus einem bewegbaren Lagerteil und einem ortsfesten unbeweglichen Lagerteil. Die beiden Lagerteile können ihre Lage relativ zueinander verändern. Diese Lageveränderungen sind beispielsweise Verschiebe-, Verdreh- oder Rotationsbewegungen.
-
Die für die Leitung der Druckluft notwendigen Strömungskanäle sind meistens entweder im ortsfesten Lagerteil oder im bewegten Lagerteil vorgesehen. Die Druckluft wird durch Strömungskanäle zum Lagerspalt geleitet, der sich zwischen den beiden relativ zueinander bewegbaren Lagerteilen befindet. Auf diese Weise wird im Lagerspalt ein Luftkissen gebildet, auf dem die Lagerkräfte von einem Lagerteil auf das andere berührungsfrei übertragen werden. An den Randbereichen des Lagerspaltes entweicht die Luft in die Umgebung. Aus wirtschaftlichen Gründen aber auch zur Senkung der Schwingungsanfälligkeit solcher aerostatischen Lager werden in den Strömungskanälen häufig Drosselstellen mit hohem Strömungswiderstand eingesetzt. Beispielsweise werden zu diesem Zweck Drosselbohrungen mit extrem kleinem Durchmesser oder enge Schlitze, aber auch poröse Lagereinsätze verwendet.
-
Die Eigenschaften von aerostatischen Lagern, insbesondere die Tragkraft, die Größe des Lagerspaltes und die Schwingungsfestigkeit, werden unter anderem durch den Durchmesser der Strömungskanäle, dem Abstand der Luftaustrittsöffnungen zum Rand des aerostatischen Lagerteiles und den Abständen zwischen den einzelnen Luftaustrittsöffnungen und deren relative Anordnung zueinander bestimmt.
-
Aus den Patentschriften
US 37 44 858 A und
US 34 75 065 A sind aerostatische Lagerteile als ebene Plattenlagerteile bekannt geworden, bei denen die Druckluft im Lagerkörper auf mehrere Strömungskanäle verteilt wird. Aus diesen Kanälen strömt die Druckluft in poröse Lagereinsätze, die als Drossel bzw. Strömungswiderstände dienen.
-
In der
GB 10 13 299 A ,
2 wird ein Ausführungsbeispiel für ein hydraulisches, ölgeschmiertes Lager gezeigt. Dabei wird das Schmieröl durch Löcher einer schwimmenden Platte geleitet. Zur Verteilung der Ölmenge auf die einzelnen Löcher ist ein Freiraum bzw. Abstand zwischen der perforierten Platte und dem Lagerkörper vorgesehen. Dieser Abstand muss zwangsläufig relativ groß sein, damit das vergleichsweise zähe Öl zur eigentlichen Lagerstelle in ausreichender Menge vordringen kann.
-
Aus der
DD 1 08 577 A1 ist ebenfalls ein hydrostatisches ölgeschmiertes Lager bekannt, bei welchem als Drosselelement eine Gewindeverbindung verwendet wird. Zu diesem Zweck wird das Außengewinde einer Schraube abgeschliffen, so dass das Öl durch einen wendelförmigen Hohlraum, begrenzt durch die Gewindebohrung und den abgeschliffenen Außenumfang der Schraube, gedrückt wird.
-
Aus der Offenlegungsschrift
DE 15 75 465 A ist ein statisches Gleitlager mit einer Welle und einer Lagerschale bekannt. Zwischen der Lagerschale und der Welle ist ein Lagerspalt ausgebildet und zwischen der Lagerschale und einer Hülse befindet sich ein vergleichsweise aufwändig herzustellender Drosselspalt, welcher sich vorzugsweise stufenförmig oder stetig verengt.
-
In der
DE 3627771 A1 wird ein aerostatisches Führungselement beschrieben, welches einen fertigungstechnisch relativ aufwändig zu realiserenden Mikroverteilerkanal aufweist, insbesondere eine gewindeähnliche, schraubenförmige Mikrorille.
-
Schließlich kann aus dem Gebrauchsmuster
DE 91 05 070 U1 eine Luftlageranordnung entnommen werden, welche eine Fläche mit Mikrovertiefungen am Lagerspalt aufweist. Dadurch soll die Druckverteilung im Lagerspalt optimiert werden. Auf die Ausführung der eigentlichen Einlassdrosselung der Druckluft vor dem Eintritt in den Lagerspalt wird in dieser Schrift nicht eingegangen.
-
Die bekannten Vorrichtungen weisen den Nachteil auf, dass die Einlassdrosselelemente stromaufwärts des Lagerspaltes (bezogen auf die Richtung der Lagerluftströmung) für die aerostatischen Lagerteil vergleichsweise aufwendig herzustellen sind. So ist es neben der Verwendung von porösen Lagereinsätzen auch üblich feinste Drosselbohrungen, z. B. mittels Lasertechnologie herzustellen. Im Gegensatz dazu kann bei hydrostatischen Lagern eine entsprechende Drosselung bereits mit größeren Drosselquerschnitten erreicht werden, weil flüssige Schmiermittel eine erheblich höhere Viskosität aufweisen als gasförmige.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein aerostatisches Lagerteil zu schaffen, das sich insbesondere durch eine einfache Bauweise, verbunden mit einer kostengünstigen Herstellung auszeichnet, ohne dass dadurch technische Nachteile, wie z. B. Schwingungsanfälligkeit oder Tragkrafteinbußen entstehen.
-
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
-
Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den Maßnahmen in den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen.
-
Demnach spielt die Oberflächenbeschaffenheit der entsprechenden Lagerelemente eine wichtige Rolle für die Funktion des erfindungsgemäßen aerostatischen Lagerteiles. Grundsätzlich werden feste Körper gegenüber dem umgebenden Raum von ihrer wirklichen Oberfläche begrenzt. Geometrisch vollkommene gedachte Körper haben eine ideale geometrische Oberfläche, die durch die geometrische Beschreibung, beispielsweise eine Zeichnung, definiert ist. Die geometrische Oberfläche ist aber praktisch nicht zu erreichen. Bei der Fertigung entsteht eine davon abweichende wirkliche Oberfläche mit Gestaltabweichungen, wie z. B. Rauheiten. Diese Rauheiten hängen im Wesentlichen von der Art der Bearbeitung ab. Diese Schrift basiert auf den Beschreibungen, Definitionen und Kenngrößen bezüglich der Oberflächenbeschaffenheit von Werkstücken, wie sie in der Europäischen Norm EN ISO 4287 vom Oktober 1998 dargestellt sind.
-
Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht darin, dass durch gängige und kostengünstige Fertigungsverfahren Oberflächen hergestellt werden können, deren Fügespalten nach erfolgtem Zusammenbau, letztlich feinste Überströmspalte für aerostatische Lager bilden. Die Lagerluft bzw. das Druckgas strömt dabei durch das Volumen, das durch die Überströmspaltgrundfläche und durch die statistisch verteilten Oberflächenstrukturen, wie etwa Riefen oder Wellen begrenzt wird. Die Überströmspaltgrundfläche ergibt sich beispielsweise bei einem ringförmigen Überströmspalt aus der Formel zur Berechnung einer Ringfläche ([d2 2 – d1 2] – π/4), also aus der Flächenbestimmung der idealen geometrischen Form und nicht der tatsächlichen Oberfläche mit ihren Rauhigkeiten. Auf diese Weise wird also ein Überströmspalt erreicht, dessen Weite zumindest stellenweise durch fertigungsbedingte, statistisch verteilte Strukturen der Oberflächen der beiden Lagerelemente bestimmt wird. Mit Vorteil, im Hinblick auf eine einfache Bauweise, sind die idealen geometrischen Oberflächen der beiden Lagerelemente im gesamten Bereich des Überströmspaltes in Kontakt. Die Überströmspalte dienen also als Eingangsdrosselorgane für die Lagerluft, deren Strömungswiderstand mit Vorteil alle anderen Strömungsbereiche des aerostatischen Lagerteiles weit übersteigt. Aus diesem Grund können die übrigen Strömungskanäle, insbesondere die Zuströmkammern und die Abströmkanäle, mit vergleichsweise geringen Toleranzmaßen gefertigt werden.
-
Überraschenderweise zeigen die erfindungsgemäßen aerostatischen Lagerteile zudem auch sehr gute Funktionseigenschaften. Auf die Herstellung von Löchern und Schlitzen und auf die Verwendung von porösen Lagereinsätzen, wie es bisher für hochwertige aerostatische Lager notwendig war, kann somit verzichtet werden. Dadurch ergeben sich enorme Kosteneinsparungsmöglichkeiten bei der Herstellung solcher aerostatischen Lagerteile.
-
Die Eigenschaften dieser aerostatischen Lager können durch die Variation der Oberflächengüte und/oder durch die Dimensionierung der Überströmspaltgrundfläche, insbesondere der Überströmspaltlänge (entsprechend dem Abstand zwischen Zuströmkammer und Abströmkanal) nach den gegebenen Erfordernissen eingestellt werden.
-
Weitere Vorteile, sowie Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines möglichen Ausführungsbeispieles anhand der beiliegenden Figuren.
-
Es zeigen
-
1 Dreidimensionale Explosionszeichnung eines aerostatischen Lagerteiles, ausgestaltet als ebenes Plattenlager;
-
2 Einen Querschnitt durch ein aerostatisches Lagerteil, ausgestaltet als ebenes Plattenlager;
-
3 Ausschnitt aus einem aerostatischen Lagerteil, bei dem jeweils eine Befestigungsschraube in einem Abströmkanal vorgesehen ist;
-
In dem vorgestellten Beispiel wird der Aufbau eines erfindungsgemäßen ebenen aerostatischen Lagerteiles gezeigt, welches in diesem Fall als bewegbares Lagerteil ausgeführt ist.
-
Gemäß der 2 besteht das aerostatische Lager aus einer Abströmplatte 1 mit einer Abdeckplatte 2 und einer glatten und ebenen Gegenfläche, in diesem Beispiel einem entsprechendem Granitblock 3. Zwischen dem Granitblock 3 und der Abströmplatte 1 befindet sich der Lagerspalt 4, in dem während des Betriebes des aerostatischen Lagers ein Luftpolster aufgebaut wird, welches die Lagerkräfte überträgt. In diesem Beispiel wird ein Granitblock 3 als ortsfestes unbewegbares Lagerteil verwendet, es jedoch selbstverständlich, dass stattdessen auch ein ebener Körper aus einem anderen Material zum Einsatz kommen kann, etwa eine Stahlplatte oder dergleichen, sofern dieser geeignete Form- und Oberflächeneigenschaften hat.
-
Der Aufbau des Lagerteiles wird anhand der 1 näher dargestellt. Die Abströmplatte 1 weist eine Speisebohrung 1.1 auf, die auf der einen Seite mit einer in den Figuren nicht weiter dargestelltem Druckluftquelle verbunden ist. Die gefilterte und ölfreie Druckluft strömt von der Druckluftquelle her durch die Speisebohrung 1.1, welche am Eintritt einen waagrechten Richtungsverlauf aufweist und dann senkrecht zur Innenseite des Lagerteiles hin verläuft. Sodann gelangt die Druckluft in die sogenannten Zuströmkammer 1.2. Die Zuströmkammer 1.2 besteht aus zwei rechteckigen Taschen mit abgerundeten Ecken und aus einer Verbindungsnut, in die auch der senkrechte Abschnitt der Speisebohrung 1.1 mündet. Die beiden rechteckigen Taschen mit den abgerundeten Ecken werden nicht über die volle Rechteckfläche aus der Abströmplatte 1 herausgefräst. Vielmehr werden beim Fräsvorgang zylindrische Erhebungen stehen gelassen, deren Stirnflächen bündig mit der entsprechenden Oberfläche der Abströmplatte 1 bleiben. In die Erhebungen werden konzentrisch Abströmbohrungen 1.3 mit einem Durchmesser von 3 mm eingebracht. In etwa parallel zur Außenkontur der Abströmplatte 1 wird eine Dichtungsnut 1.4 eingefräst, in die danach ein O-Ring 6 eingelegt wird. Außer den oben genannten Ausnehmungen 1.2 bis 1.5 ist die Oberseite der Abströmplatte 1 plan und eben. Die Oberfläche wurde nach dem Fräsprozess zur Reduzierung der Rauheit überschliffen, so dass sie danach eine Rauheit von Ra = 0,8 μm nach DIN 4288 bzw. DIN EN 4287 aufweist.
-
Die Abdeckplatte 2 ist quaderförmig und weist vier Befestigungsbohrungen 2.1 für die Befestigungsschrauben 5 auf. Die Unterseite, also die Seite, die der Abströmplatte 1 zugewandt ist, ist plan und wurde desgleichen auf eine Rauheit Ra = 0,8 μm nach DIN 4288 bzw. DIN EN 4287 geschliffen. In der Abströmplatte 1 befinden sich ebenfalls vier Gewindebohrungen 1.5, in welche die durch die Befestigungsbohrungen 2.1 gesteckten Befestigungsschrauben 5 gedreht werden können. Zwischen den Köpfen der Befestigungsschrauben 5 und der Abdeckplatte 2 werden Dichtungsringe 5.1 vorgesehen. Durch das Anziehen der Befestigungsschrauben 5 werden die Kontaktflächen der Abdeckplatte 2 und der Abströmplatte 1 gegeneinander gedrückt und der O-Ring 6 entsprechend den Dichtigkeitsanforderungen verformt. Infolge der Dichtungsringe 5.1 zwischen den Köpfen der Befestigungsschrauben 5 und der Abdeckplatte 2 sind auch die Befestigungsbohrungen 2.1 weitgehend abgedichtet. Alternativ zu den Dichtungsringen 5.1 kann auf die entsprechenden Kontaktflächen auch eine Dichtungsmasse aufgetragen werden, die dann die Dichtigkeit der Durchführungen der Befestigungsschrauben 5 durch die Abdeckplatte 2 gewährleistet. Die Oberflächen der Abdeckplatte 2 und der Abströmplatte 1 berühren sich also im zusammengebauten Zustand des Lagerteiles, so dass beispielsweise mit einer Fühlerlehehre kein makroskopischer Spalt messbar ist.
-
Anhand der 2 wird die Funktionsweise des aerostatischen Lagerteiles erläutert. Die Zuströmkammer 1.2 wird im Betrieb des aerostatischen Lagerteiles mit gefilterter Druckluft beaufschlagt. Infolge des aus dem Schleifvorgang herrührenden fertigungsbedingten Oberflächenprofils, insbesondere der Rauheit, berühren sich die realen Körper, in diesem Beispiel die Abströmplatte 1 und die Abdeckplatte 2 nicht auf der gesamten Fläche. Tatsächlich bleiben nach der Montage mikroskopische Hohlräume zwischen den Kontaktflächen erhalten. Im Bereich zwischen der Zuströmkammer 1.2 und der Abströmbohrung 1.3 bildet dieses Volumen einen ringförmigen Überströmspalt 7, der gleichzeitig als Einlassdrossel für den Lagerluftstrom dient. Die Lagerluft strömt folglich von der Zuströmkammer 1.2 aus durch den ringförmigen Überströmspalt 7 in die Abströmbohrung 1.3 und von da ungehindert in den eigentlichen Lagerspalt 4. Danach entweicht die Lagerluft an den Rändern der Abströmplatte 1 in die Umgebung. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Weite des Überstromspaltes 7 praktisch über die gesamte ringförmige Überströmspaltgrundfläche durch fertigungsbedingte statistisch verteilte Strukturen der Oberfläche bestimmt.
-
Damit keine oder vergleichsweise wenig Druckluft entlang des Spaltes zwischen der Abströmplatte 1 und der Abdeckplatte 2 nach außen hin, also nicht durch die Abströmbohrungen 1.3 entweicht, wurde ein O-Ring 6 als umlaufende Dichtung vorgesehen. Ebenso wird durch die Dichtungsringe 5.1 zwischen den Köpfen der Befestigungsschrauben 5 und der Abdeckplatte 2 ein nennenswerter Verlust an Druckluft durch die Befestigungsbohrungen 2.1 verhindert.
-
Im Unterschied zu dem gezeigten Beispiel kann auch eine entsprechende vorspringende Kante an der Unterseite der Abströmplatte 1, entlang deren Kontur, zusätzlich als Abströmdrossel dienen.
-
Sofern es beispielsweise die Platzverhältnisse zulassen, können die Befestigungsschrauben 5, die Befestigungsbohrungen 2.1, sowie die Gewindebohrungen 1.5 außerhalb der vom O-Ring 6 umschlossenen Fläche angebracht werden. Auf diese Weise wird alleine mit dem O-Ring 6 auch das Entweichen der Druckluft durch die Befestigungsbohrungen 2.1 unterbunden, so dass auf die Dichtungsringe 5.1 an den Befestigungsschrauben 5 verzichtet werden kann. Andererseits kann natürlich auch der O-Ring 6 weggelassen werden, wenn stattdessen eine Dichtmasse entlang der Außenkontur des aerostatischen Lagerteiles im Spalt zwischen der Abströmplatte 1 und der Abdeckplatte 2 aufgetragen wird.
-
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich gemäß der 3 dann, wenn die Abströmbohrungen 1.3 gleichzeitig zur Aufnahme der Befestigungsschrauben 5 herangezogen werden. Die entsprechenden Gewindebohrungen befinden sich dann in der Abdeckplatte 2. Die Lagerluft strömt auch in diesem Fall von der Zuströmkammer 1.2 durch den Überströmspalt 7 in die Abströmbohrung 1.3. Die Lagerluft hat bei dieser Ausführungsvariante allerdings nicht den gesamten Querschnitt der Abströmbohrung 1.3 zur Verfügung, sondern kann nur in dem Spalt zwischen der Wand der Abströmbohrung 1.3 und dem Gewinde der Befestigungsschraube 5 strömen. Dadurch kann der Durchmesser für die Abströmbohrung 1.3 in dieser Ausführungsvariante mit 5,5 mm größer bemessen werden, als bei derjenigen ohne Befestigungsschraube 5 in der Abströmbohrung 1.3, was Vorteile in Bezug auf die Fertigung der Abströmbohrung 1.3 bringt. Die Befestigungsschraube 5 wird ohne die Verwendung eines Dichtungsringes 5.1 oder Dichtungsmasse eingeschraubt. Die Lagerluft strömt im Bereich des Kopfes der Befestigungsschraube 5 durch eine für diesen Zweck vorgesehene Ausnehmung. Alternativ dazu kann auch als Strömungsweg für die Lagerluft lediglich die Spaltöffnungen zwischen dem Kopf der Befestigungsschrauben 5 und der Abströmplatte 1 herangezogen werden, also ohne dass eine gesonderte Ausnehmung 1.6 vorgesehen ist. In diesem Fall dient also der nicht abgedichtete Ringspalt zwischen dem Kopf der Befestigungsschraube 5 und der Abdeckplatte 2 als Strömungskanal, der durch fertigungsbedingte Unebenheiten der Kontaktflächen entsteheht.
-
Die Erfindung ist nicht auf das oben beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Ebenso kann das erfindungsgemäße aerostatische Lagerteil auch derart aufgebaut sein, dass die Speisebohrung 1.1, die Zuströmkammer 1.2, die Dichtungsnut 1.4 sowie die Gewindebohrungen 1.5 jeweils einzeln oder in beliebiger Kombination nicht in der Abströmplatte 1, sondern in der Abdeckplatte 2 vorgesehen sind. Darüber hinaus können einzelne oder mehrere dieser Ausnehmungen 1.1, 1.2, 1.4 und 1.5 gleichzeitig sowohl in der Abdeckplatte 2 als auch in der Abströmplatte 1 vorgesehen sein.
-
Das erfindungsgemäße Lagerteil kann auch mit Vorteil in den Fuß eines zu verschiebenden Transportschlittens oder dergleichen integriert werden. in diesem Fall kann dann eine geeignet bearbeitete Oberfläche (etwa eine geschliffene Stahlwand) des Transportschlittens als Abdeckplatte 2 verwendet werden. Bei dieser Bauweise wird dann lediglich die Abströmplatte 1 zusammen mit dem O-Ring 6 bzw. mit der Dichtmasse an den Transportschlitten geschraubt.
-
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein zylindrisches aerostatisches Lagerteil. Dabei kann das zylindrische aerostatische Lagerteil, radial nach innen gerichtete Abströmbohrungen in einem Abströmrohr aufweisen, welches von einem weiteren Mantelrohr umgeben ist. Der Überströmspalt ergibt sich demnach zwischen den beiden Rohrelementen, wobei diese beispielsweise als Schrumpfverband zusammengefügt sind. Der Eintritt der Speisebohrung kann bei dieser Bauweise entweder axial oder radial ausgerichtet sein.