DE2041430A1

DE2041430A1 - Aerostatisches oder hydrostatisches Lager

Info

Publication number: DE2041430A1
Application number: DE19702041430
Authority: DE
Inventors: Hirs Gilles Gerardus
Original assignee: Nederlandse Organisatie voor Toegepast Natuurwetenschappelijk Onderzoek TNO
Current assignee: Nederlandse Organisatie voor Toegepast Natuurwetenschappelijk Onderzoek TNO
Priority date: 1969-08-29
Filing date: 1970-08-20
Publication date: 1971-03-04
Also published as: NL160638B; SE362478B; FR2059419A5; GB1327776A; NL160638C; JPS4833299B1; NL6913284A; DE2041430C3; DE2041430B2; US3656819A

Description

PATBNTANWÄLTB O Π A 1 A 3 O

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DiPi..-mG.

B-β FHANKFUHT A. M., Ι7.8.7Ο

nun» (0611) 6ί 03 08 Wa/Ti μιττχιλ»»ο 1» wmtwhi.im.fach 180 144

F, O. BOX

11 034

Nederlandse Organisatie voor Toegepast-Natuurwetenschappelijk Onderzoek ten behoeve van Nijverheid, Handel en Verkeer, Juliana van Stolberglaan,

Den Haag, Niederlande

Aerostatisches oder hydrostatisches Lager

Die Erfindung betrifft ein aerostatisches oder hydrostatisches Lager mit zwei im wesentlichen gleichförmigen Flächen, die durch einen Spalt voneinander getrennt sind, und mit einer Anordnung zur Durchleitung eines Schmiermittelflusses durch diesen Lagerspalt, wobei der FIuQ über die Breite des Spaltes verteilt ist.

Bei bekannten Lagern dieser Art trifft der SchmiermittelfIuB im ersten, direkt mit der Schmiermittelzuleitung verbundenen Abschnitt des Lagerspalts auf einen geringeren Widerstand als im verbleibenden Teil des Spalts als Folge einer größeren Spaltbreite oder als Folge des Vorhandenseins von Nuten in einer der Lagerflächen» Die Folge davon ist, daß mit der Verkleinerung der Spalfrbrei te unter dem Einfluß der Lagerlbelastung der Strömungswiderstand des ersten Spaltalbschnitts weniger als der des zweiten Spaltabschnitts zunimmt und daß bei gleichem Zuleitungsdruok und Abflußdruok des Schmiermittels der Durohschnittsdriick im Spalt zunimmt. Analog nimmt der durchschnittliche Schmiermitteldruck'ab,

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wenn die Spaltbreite größer wird. Sie aerostat!sehen und hydrostatischen Lager leiten ihre Tragfähigkeit und Starrheit von dieser Erscheinung ab.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein aerostatisches oder hydrostatisches Lager zu schaffen, bei dem bei gleichem Zuleitungsdruck des Schmiermittels die Tragfähigkeit und die Starrheit größer ale bei bekannten Lagern sind.

Zu diesem Zweck ist das erfindungsgemäße Lager dadurch gekennzeichnet, daß ein spaltförmiger Baum in die Schmiermittelzuleitung eingeschaltet ist und daß die Schmiermittelzuleitung über die Breite des Lagerspalts verteilt wird, wobei eine Wand des Baums einen Teil eines Elements bildet, das in Abhängigkeit vom Schmiermittelfluß der anderen Wand gegenüber bewegbar ist und als Folge seiner Stellung die Verteilung des Schmiermittelflusses über die Breite des Lagerspalte hinweg regelt.

Wenn bei diesem Lager die Breite des Lagerspalte beispielsweise an einer bestimmten Stelle unter dem Einfluß einer Änderung in der Lagerbelastung größer wird, ändert sich das Verhältnis dort zwischen dem Strömungswiderstand des spaltförmigen Verteilungsraums und dem des Lager spalte derart, daß an dieser Stelle das bewegliche Element mit geringerem Schmiermitteldruck beaufschlagt wird und sich in Sichtung der gegenüberliegenden Wand bewegt. Der erhöhte Strömungswiderstand dort führt zu einem örtlich niedrigeren Schmiermitteldruck am Zugang zum Lagerspalt. Entsprechend steigt der Schmiermitteldruck am Zugang zum Lagerspalt proportional zur Verengung des Lagerspalte.

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Die Tragfähigkeit und die Starrheit des Lagere, die man auf diese Weise erhält, sind erheblich größer als die bekannter Lager, wobei der Zuleitungsdruck und der Abflußdruck konstant sind und die Änderungen im durchschnittlichen Schmiermitteldruck ausschließlich das Ergebnis von änderungen im Druckabfall zwischen dem Zugang und dem Ausgang des Lagerspalts sind.

Bei dem erfindungsgem&Ben Lager aknn der Lagerspalt wie bei den bekannten Lagern aus zwei Abschnitten mit unterschiedlichen Strömungewiderständen bestehest} diese Maßnahme unterstützt die Funktion des beweg« liehen Elements, ist aber dafür nicht entscheidend*

für eine adäquate Punktion de« erfindungsgemäßen Lagers ist es wichtig, daß die Stellung, die das bewegliche Element nach einer Inderung der Lagerbelastung einnimmt, eine stabile krlfteausgleiohende ist. Obgleich da· durch Anbringen de· beweglichen lleaents beispielsweise alt Hilf« Ton federn erreioht werten kann, ist da· erfindungsgem&ße Lager ferner vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, daß sich der spaltfo'rmige lau« in Strömungsriohtung verengt «ad daß das Element, da· sich an diesen Baum anschließt, frei im Schmiermittelfluß quer zur Strömungsrichtung bewegen kann. Dann bildet da· bewegliche Element selbst ein aerostat!sches oder hydrostatisches Lager bekannter Form, und es nimmt ständig eine Stellung ein, die von der Breite des Lagerspaltβ abhängt, ansonsten aber stabil ist.

Der spaltförmige Baum mit dem beweglichen Element kann, je nach den Um-

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ständen, ale eine Einheit konstruiert sein, die in sich selbständig ist, oder er kann als ein integrierter Teil des Lagere ausgebildet sin. Im zweiten Fall erhält man eine wirkungsvolle Konstruktion, wenn der spaltförmige Verteilungsraum und der Lagerspalt unmittelbar ineinander übergehen und ein Teil einer der Lagerflächen auch als die festliegende Wand des Verteilungeraums fungiert.

Die Erfindung ist im nachfolgenden an Hand von Aueführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung sindt

Fig. 1 eine echematische Darstellung eines Radiallagere, Fig. 2 ein Druckdiagramm des in Fig. 1 gezeigten Lagers, Fig. 5 und 4 Alternativausführungen des in Fig. 1 gezeigten Hinge und Fig. 5 ein weiteres Ausführungebeispiel eines Radiallagere.

Das in Fig. 1 gezeigte Lager besteht aus einer zylindrischen Bohrung und einem Wellenteil 2, der mit gewissem Spiel in die Bohrung 1 paßt. Dieses Spiel, das in der Zeichnung stark Übertrieben dargestellt ist, ist in Wirklichkeit ebenso groß wie bei vergleichbaren bekannten Lagern. Der Wellenteil 2 ist mit axial gerichteten Nuten versehen, die gleichmäßig über den Umfang verteilt sind und sich von der Stirnebene 4 des Lagerteils 2 erstreckenj die Tiefe dieser Nuten ist nicht größer als ein kleines Mehrfaches des Spiels, mit dem der Wellenteil 2 in die Bohrung 1 paßt.

Ein Ring 5 liegt mit seiner Flachseite 6 an der Stimfl&ohe 4 des VeI-

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lenteils 2 an und paßt mit etwa dem gleichen Spiel wie der Wellenteil 2 in die Bohrung 1. Dabei ist das Spiel des Hingabschnitts 7 jedoch etwas größer als das des Ringabschnitts 8.

Ein unter Druck stehendes Schmiermittel, bei dem es sich in Abhängigkeit von vielen Faktoren entweder um eine Flüssigkeit oder um ein Gas handeln kann, wird dem Lager über den Baum zur linken Seite des Rings 5 zugeleitet. Dieser Baum ist zu diesem Zwecke mit einer geeigneten Dichtung versehen oder befindet sich zwischen zwei Lagern, die zueinander spiegelbildlich ausgebildet sind.

Als Folge des Zuleitungsdrucks fließt das Schmiermittel durch den Spalt, der sich zwischen der Bohrung 1 auf der einen Seite und dem Hing 5 und dem Wellenteil 2 auf der anderen Seite befindet, zum Baum an der rechten Seite des Wellenteils 2, und es entsteht dabei eine Druckverteilung, die von links nach rechts abnimmt.

Wenn die Welle 2 und der Hing 5 koaxial zur Bohrung 1 liegen, ist die Druckverteilung auf allen Seiten der Welle 2 und des Bings 5 gleich, und auf die Welle 2 wird keine resultierende Kraft ausgeübt.

Unter dem Einfluß beispielsweise einer Außenbelastung, die nach unten gerichtet ist, wandert die Welle 2 in eine exzentrische Lage, die gegenüber der Bohrung 1 tiefer liegt, wie das in Fig. 1 gezeigt ist.

Wtgen der größeren Spaltbreito an der Oberseite der Welle 2 entsbent

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dort ein geringerer Strömungswiderstand, so daß in dem Spalt über dem Ring 5 das Druckgefälle größer wird und der durchschnittliche Druck abnimmt. Entsprechend ist der durchschnittliche Druck im Spalt unter dem Ring 5 höher. Die daraus resultierende Kraft bewegt den Ring 5 in eine höher liegende exzentrische Lage gegenüber der Bohrung 1.

Das Druckgefälle im Spalt nimmt über dem Ringabschnitt 8 stark zu, und es nimmt über dem Ringabschnitt 7 und der Welle 2 ab, während das umgekehrte im Spalt am unteren Teil des Rings 5 und der Welle 2 vonstattengeht, bis der Ring 5 eine Lage erreicht hat, an der der durchschnittliche Druck an der Oberseite und der an der Unterseite gleich sind und der Ring 5 sich wieder im Kräftegleichgewicht befindet.

In dieser exzentrischen Lage hat der Ring 5 am oberen Ende einen größeren Widerstand gegen das strömende Schmiermittel als an seiner unteren Seite, so daß das Schmiermittel an der oberen Seite unter einem niedrigeren Druck in den Lagerspalt einströmt als an der unteren Seite.

Ferner sind an der Stelle des nicht genuteten Teils der Welle 2 die Abnahme im Widerstand an der oberen Seite und die Zunahme an der unteren Seite, beides die Folge der exzentrischen Lage der Welle 2, größer als an der Stelle des betreffenden Teils der Welle, über den sich die Nuten 5 erstrecken.

Das Endergebnis ist ein Druckverlauf, von dem in Fig. 2 ein Diagramm »gezeigt 1st. Die I,InLo 9 cjtollt den Drunk im Spalt über dem Ring 3 und

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der Welle 2 dar, die Line 10 den Druck im Spalt unter dem Hing 5 und der Welle 2.

Der Druck unter der Welle 2 ist größer als der Druck darüber, so daß auf die Welle 2 eine nach oben gerichtete Kraft einwirkt, die der Außenbelastung und der Exzentrizität der Welle 2 entgegengerichtet ist. Unter dem Einfluß dieser Kraft nimmt die Welle 2 eine solche Lage in der Bohrung 1 ein, daß der Schmiermitteldruck und die Außenbelastung sich ausgleichen.

Im dem in Fig. 2 gezeigten Druckschema stellen die Linien 9* und 10' den Druckverlauf dar, der entstehen würde, wenn der Ring 5 nicht vorhanden wäre und die gleiche Exzentrizität der Welle 2 vorlage. In diesem Falle ist die Differenz zwischen dem durchschnittlichen Druck unter der Weil· und dem über der Welle wesentlich kleiner, und das bedeutet, daß das Lager ohne den Ring 5 ein· geringere Tragfähigkeit und ein· geringere Starrheit hat.

In Fig. 3 ist eine Variante des Hinge 5 in dem in Fig. 1 gezeigten Lager dargestellt. Anstatt zwei Abschnitte 7 und θ aufzuweisen, die mit unterschiedlichen Spielen in die Bohrung 1 passen, ist dieser Hing 11 an seinem Umfang 12 leioht konisch ausgebildet. Die Wirkungsweise ist im Prinzip jedoch die gleich· wie die des Rings 5 aus Fig. 1.

Der in Fig. 4 gezeigte Ring 1? ist ebenfalls eine Variante des in Fig. gezeigten Rings 5. In diesen Fall ist das größere Spiel, mit dem der Ab-

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schnitt 7 des Rings 5 in die Bohrung 1 paßt, durch Nuten 14 ersetzt, die sich über einen Teil des Umfangs erstrecken.

Wenn der Ring 5 mit seiner Flachseite 6 an der Stirnfläche 4 der Welle anliegt, darf kein umlaufender Kanal vorhanden sein, beispielsweise als Folge gerundeter oder angefaßter Ecken, weil ein solcher Kanal die Druckdifferenzen am Zugang zum Lagerspalt ausgleichen würde, so daß der Effekt des Rings 5 verlorenginge.

Sei dem in Fig. 5 gezeigten Lager paßt die Welle 15 mit gewissem Spiel in die Hülse 16, die in einem Gehäuse oder einem anderen Maeohienteil

17 sitzt. An der Außenseite der Hülse 16 ist ein Raum 18 vorgesehen, in dem ein Ring 19 sitzt, der mit Spiel um die Hülse 16 herum angeordnet ist; dieses Spiel ist dabei in der Mitte etwas kleiner als an den Seiten. In der Hülse 16 sind auf dem Umfang verteilt eine Anzahl von Löchern 20 vorgesehen, die den Raum 1Θ über den Spalt zwischen dem Ring 19 und der Hülse 16 mit dem Lagerspalt zwischen der Welle 15 und der

£k Hülse 16 verbinden. Durch einen oder mehrere Kanäle 21 steht der Raum

18 mit einem System zur Zuleitung von unter Druck stehendem Schmiermittel in Verbindung.

Die Funktion dieses Lagers ist im wesentlichen die gleiche wie die des Lagers gemäß Fig. 1. Bei einer exzentrischen Lage der Welle 15 in der Hülse 16 wird der Ring 19 in eine exzentrische Lage gedrückt, und zwar durch die Ungleichförmigkeit in der Strömung des Schmiermittels an der Stelle des verengten Lagerspalts und an der Stelle des vergrößerten La-

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gerspalts, wobei der Spalt zwischen dem Hing 19 und der Hülse 16 am engsten dort ist, wo der Lagerspalt am breitesten ist und umgekehrt. Das Ergebnis ist eine solche Differenzierung im Druck, mit dem das Schmiermittel in den Lagerspalt fließt, daß eine Kraft entsteht, die der Exzentrizität der Welle 15 entgegengerichtet ist.

Die Welle 15 hat keine teilweise genutete Fläche wie die Welle 2 gemäß Fig. 1 j solche Nuten sind für die Funktion dieser Lager nicht entscheidend. Sie erhöhen allerdings die Tragfähigkeit und die Starrheit, und wenn dieser Vorteil die Kosten Übertrifft, kann die Welle 15 in d©m Lager gemäß Fig. 5 entsprechend auch mit Nuten versehen sein.

Neben den beschriebenen Radiallagern können Elemente wie die Ringe 5» Ii, 13 ¹IUId 15, die den Zuleitungsdruck des Schmiermittels regeln und differenzieren, auch für Axiallager und Führungen für LinearTbewegungeE eingesetzt werden, beispielsweise Kolben und Stößel in Pumpen und Führungen in Werkzeugmaschinen, um die Tragfähigkeit und die Starrkeit zn erhöhen und um gegebenenfalls genutete Flächen zu vermeiden,,

Patantanaprttohe

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Claims

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1. Aerostatisches oder hydrostatisches Lager mit zwei la wesentlichen gleichförmigen Flächen, die durch einen Spalt voneinander getrennt sind, und mit einer Anordnung zur Durchleitung eines Schaleraittelflusses durch diesen Lagerspalt, wobei der FIuB über die Breite des Spalts verteilt ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein spaltföraiger Raum in die Sohmiermittelzuleitung eingeschaltet ist und daß die Schmiermittelzuleitung über die Breite des Lagerspalts verteilt wird, wobei eine Wand des Raums einen Teil eines Elements (5,11,15,19) bildet, das in Abhängigkeit vom Schmiermitteldurchfluß der anderen Uand gegenüber bewegbar ist und ale Folge seiner Stellung die Verteilung des Schmiermittelflusses über die Breite des Lagerspalts hinweg regelt.

2. Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der spaltförmige Raum in Strömungsrichtung verengt und daß das Element (5t11»15t 19)» das sich an diesen Raum anschließt, frei im Schmieraittelfluß quer zur Strömungsrichtung bewegbar ist.

5· Lager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von Kanälen (5) eine Austrittestelle des spaltförmigen Verteilungeraum β mit einer Eintrittsstelle des Lagerspalts verbinden.

4. Lager nach Anspruch 5 mit einer Hülse und einer Welle, die mit Spiel in der Hülse sitzt, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Element ein Ring (19) 1st, der mit Spiel um die Hülee (16) herum angeordnet ist, und daß an der Stelle, an der der Ring (19) sitzt,

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die Hülse (16) mit einer Anzahl von auf des Walfang verteilten Löchern (20) versehen ist.

5. Lager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der spaltförmige Yerteilungeraum und der Lagerspalt direkt ineinander übergehen.

6. Lager, nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß eine der Lager« flächen gleichzeitig die unbewegliche Wand des spaltförmigen Vertei- M lungsraoms bildet.

7. Lager nach Anspruch 6, bestehend aus einer Bohrung und einer Welle„ die mit Spiel in der Bohrung sitzt, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Element ein Hing (5»11»13) ist, der ebenfalls mit Spiel in der Bohrung (1) sitzt nmd mit einer Flaeheeite (6) an einer Eadialebene (4) der Welle (2) entlang bewegbar ist.

8. Lager nach Anspruch 6, bestehend aus einer Bohrung und einer Welle, die mit Spiel in der Bohrung sitzt, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Element ein Ring (19) ist, der mit Spiel um die Welle (15,16) herum angeordnet ist und mit einer Flachseite an einer Eadialebene entlang bewegbar ist, die sich an die Bohruug anschließt.

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