DE3001061A1

DE3001061A1 - Gaslager

Info

Publication number: DE3001061A1
Application number: DE19803001061
Authority: DE
Inventors: Koshi Murata; Kyosuke Ono
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1979-01-13
Filing date: 1980-01-12
Publication date: 1980-07-17
Also published as: DE3001061C2; GB2046370A; GB2046370B; NL8000171A

Description

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u.Z.: Pat 129/3-79M München, den 12.01.1980

Dr.G/2/he

NIPPON TELEGRAPH & TELEPHONE PUBLIC CORPORATION

Tokio / Japan

GASLAGER

Beanspruchte Prioritäten:

Land: Datum: Aktenzeichen:

Japan 13. Januar 1979 3202/1979 Japan 3. Juli 1979 91516/1979 (Gbm-Anmeldung)

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GEYER, HACEMANN & PARTNER

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Nippon Telegraph & Telephone München, den

Public Corporation .. - ^ -,^_0n

* 12. Januar 1980

Tokio/Japan

u.Z.: Pat 129/3-79M Dr.G/2/he

GASLAGEK

Die Erfindung bezieht sich auf Gaslager, insbesondere auf hydrostatische und sogenannte "Hybrid"-Gaslager, bei denen der hydrostatische und der hydrodynamische Effekt genutzt werden und bei denen zur Abstützung einer rotierbaren Welle (Radiallager) oder zur Abstützung eines Stützteiles (Axiallager) Gas unter Druck aus einer Druckgasquelle jeweils einem Lagerspalt zuführbar ist, der zwischen einer Lagerschale des Lagers und dem abzustützenden Teil (Welle, Stützteil) ausgebildet wird.

Solche Lager haben sich als unerläßlich erwiesen, wenn z.B. für Hochgeschwindigkeitsoperationen bei Großspeichern Drehkopf-AufZeichnungsgeräte eingesetzt werden. Der Einsatz dieser Drehkopf-Aufzeichner ist gegenüber dem von bekannten Festkopf-MagnetbandaufZeichnern vorteilhafter, weil ein Drehkopf-Aufzeichner mit viel höherer Aufzeichnungsdichte arbeiten kann und gleichzeitig auch die Abmessungen dieses Aufzeichnungsgerätes kleiner sind. Andererseits ist es bei Drehkopf-Aufzeichnern nachteilhaft, daß ihre Datenfluß-Rate gering und ihre sequentielle Zugriffszeit lang ist. Der Grund hierfür liegt darin, daß die Rotationsgeschwindigkeit derzeit verfüg-

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barer Drehköpfe bei 5600 Umdrehungen pro Minute (U/min) liegt und auch die Kopfabtastgeschwindigkeit gering ist, z.B. 25,4 m/s. Ein Anheben der Rotationsgeschwindigkeit auf etwa 15000 U/min und der Kopfabtastgeschwindigkeit
auf etwa 50 m/s könnte eine Lösung dieser Probleme
bringen. Andererseits hat sich gezeigt, daß ein Anheben der Geschwindigkeit über 10000 ü/min unter Einsatz herkömmlicher Kugellager wegen deren mangelnder Zuverlässigkeit bzw. Betriebssicherheit nicht möglich ist, weshalb es sich als grundsätzlich wichtig erwiesen hat, hierfür Luftlager einzusetzen.

Drehkopf-AufZeichnungsgeräte, die mit Druckluft als
hydrostatische und/oder hydrodynamische Lager arbeiten, werden jetzt für Video-Bandaufnahmegeräte im Rundfunk-

und Fernsehbereich eingesetzt. Allerdings erfordert der Einsatz eines hydrostatischen Druckgaslagers die Verwendung eines Kolbenkompressors, so daß es schwierig ist, ein solches Gerät zum Einsatz bei der Computerperipherie anzupassen. Bei hydrodynamischen Druckgaslagern ergeben sich Schwierigkeiten daraus, daß die rotierbare Welle

und die Lagerschale vor dem Anlauf des Lagers miteinander in Kontakt stehen: ein solches Lager weist dann nicht
die gewünschte Betriebssicherheit auf, wenn es in einem Drehkopf-Aufzeichner für elektronische Computer einge-

setzt wird, bei denen die Forderung besteht, daß sie
über viele Jahre hinweg ohne Wartung oder gar Rcpiraturen eins-i? zfahig sein müssen. Es hat sich daher als
wünschenswert erwiesen, sogenannte "Hybrid"-Gaslager
zu entwickeln, bei denen die abzustützende Welle durch

hydrostatischen Druck in der Start- und Auslaufphase
des Lagers abgestützt wird, während bei der Rotation
die Abstützung durch hydrodynamischen Druck erfolgt.
Solche Lager können mit hoher Wirksamkeit unter Benutzung von Druckgas eines Druckes von etwa 0,08 kg/cm² arbeiten, wobei das Druckgas von einem üblichen

Gebläse bereitgestellt werden kann. Auf diese Weise ist

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es möglich, ein Hochgeschwindigkeits-Drehkopfaufzeichnungsgerät großer Einsatzsicherheit und hoher Betriebszuverlässigkeit bereitzustellen, bei dem auch in der An- und Bremsphase ein unmittelbarer .Körperkontakt zwischen Lagerschale und abzustützendem Teil vermieden ist.

Bislang ist es für den Einsatz eines hydrostatischen Gaslagers des Typs mit Eigendrosseleffekt ("inhärente Drosselung") - wie bereits erwähnt - erforderlich, einen Kolbenkompressor einzusetzen, da die sogenannte "Lagerwirksamkeit¹¹ (d.h. das Verhältnis zwischen dem im Lager verfügbaren Stützdruck für die Welle und dem Druck des zugeführten Druckgases) nur gering ist, d.h. höchstens etwa 50 % beträgt. Da weiterhin der optimale Wert für den Lagerspalt bzw. das Lagerspiel relativ groß ist, ergibt sich insgesamt eine nur geringe Lagersteifigkeit (Lagerwirksamkeit/Lagerspiel). Bei üblichen Lagern hat es sich somit als unmöglich erwiesen, das optimale Lagerspiel unter 10 μπι abzusenken, ohne daß gleichzeitig eine merkliche Abnahme der Lagerwirksamkeit auftrat. Aus diesem Grund war bisher für Lager dieses Typs nicht nur das Erzielen einer ausreichend großen Lagersteifigkeit nicht möglich, sondern auch ein ausreichendes Ausnützen des hydrodynamischen Effektes, der sich bei schmalem Lagerspiel und hoher Drehgeschwindigkeit einstellt und dessen wirksame Ausnutzung zum Einsatz eines solchen Lagers als Hybrid-Gaslager erforderlich wäre.

Um hier zumindest eine gewisse Verbesserung gegenüber diesem Lagertyp zu schaffen, wurde als anderer Lagertyp ein Gaslager mit oberflächenbedingtem Drosseleffekt vorgeschlagen, bei dem das optimale Lagerspiel sich auf weniger als 10 μηι absenken läßt und bei dem ein Lagerdruck zum Abstützen der Lagerlast wirksam in einem Bereich vorhanden und verfügbar ist, der bis an die Lagerenden herangeht. Hierdurch ließ sich bei erhöhter Lager-

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steifigkeit eine Lagerwirksamkeit erreichen, die im wesentlichen gleich der des anderen Lagertyps war. Allerdings zeigte sich, daß diese Gaslager mit einer Vielzahl axialer Längsnuten versehen werden mußten, die schwierig zu erstellen sind, überdies bewirken solche axialen Längsnuten eine Ungleichförmigkeit der Lageroberfläche in Richtung der Relativbewegung, was eine wirksame Ausnutzung des hydrodynamischen Effektes, der durch die Rotation der Welle erzielbar ist, verhindert, so daß dieser Lagertyp ebenfalls nicht als Hybrid-Gaslager einsetzbar ist.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung im wesentlichen die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Gasdrucklager mit hoher Lagerwirksamkeit und hoher Lagersteifigkeit zu schaffen, das leicht herstellbar, als Hybrid-Gaslager hoher Wirksamkeit einsetzbar und mit Druckgas relativ geringen Druckes betreibbar ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Gaslager, bei dem zur Abstützung einer rotierbaren Welle Gasunterdruck aus einer Druckgasquelle einem Lagerspalt zwischen einer Lagerschale und der Welle zuführbar ist, dadurch gelöst, daß die Lagerschale mehrere in ihrer Umfangsrichtung verlaufende Ringnuten aufweist, die sich längs der gesamten inneren Lagerfläche erstrecken, axial zueinander versetzt und zum Lagerspalt hin offen sind, daß weiterhin eine Vielzahl von im Winkel zueinander versetzt angeordneten Luftzufuhrkanälen kleinen Durchmessers vorgesehen sind, die jeweils mit zugehörigen Ringnuten in Verbindung stehen, und daß ein Gasdurchlaß zur Verbindung der Gaszufuhrkanäle mit der Druckgasquelle vorgesehen ist.

Durch die Maßnahme nach der Erfindung wird ein Druckgaslager geschaffen, bei dem sowohl der hydrostatische, wie auch der hydrodynamische Effekt für die Abstützung des

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Lagers wirksam ausgenutzt werden und das eine hohe Lagerwirksamkeit, eine große Lagersteifigkeit sowie eine leichte Herstellbarkeit aufweist. Erfindungsgemäß wird somit ein sehr wirksames Hybrid-Gaslager geschaffen, bei dem sowohl während der Anlaufphase, wie auch während der Auslaufphase des Lagers die abzustützende drehende Welle kontaktfrei innerhalb der Lagerbüchse läuft. Beim erfindungsgemäßen Gaslager ist der Einsatz von Gas, vorzugsweise Luft, relativ geringen Druckes möglich, die unschwer durch einen kleinen Rotationsverdichter bereitgestellt werden kann, der seinerseits über eine lange Einsatzzeit hinweg ohne Wartung, Nachschmierung o.a. auskommt, wodurch sich eine entsprechend lange wartungsfreie Einsatzzeit für das Lager ergibt. Die Abstützung der Welle bzw. des im Lagergehäuse laufenden Wellenbundes kann, wenn die Anlaufphase beendet ist, unter voller Ausnutzung des hydrodynamischen Effektes erfolgen, der durch die Hochgeschwindigkeitsrotation der Welle erzielbar ist. Das Lager nach der Erfindung weist einen einfachen Aufbau auf und kann mit einem besonders kleinen Lagerspiel von nur wenigen μΐη eingesetzt werden, was sich als ganz besonders großer Vorteil ergibt. Aufgrund dessen kann man das erfindungsgemäße Lager als ein besonders wenig aufwendiges hydrostatisches Gaslager mit großer Tragfähigkeit und hoher Steifigkeit ansehen. Überdies ist bei dem erfindungsgemäßen Lager die Lagerfläche so glatt, daß sich in wirksamer Weise ein hydrodynamischer Druck aufbauen kann, sobald die Welle rotiert. Durch die Erfindung wird somit ein kompakt aufgebautes und betriebssicheres Hybrid-Gaslager erreicht, bei dem in der Anlauf- und Auslaufphase ein Kontakt zwischen den relativ zueinander sich bewegenden Lagerteilen vollständig vermieden ist und das bei hohen Drehzahlen, z.B. in einem Bereich von 10000 bis 30000 U/min, als hydrodynamisches Lager wirksam ist, wobei Druckgas nur geringen Druckes von einem Rotationsverdichter ohne Notwendigkeit einer Nachschmierung während einer langen Zeitspanne eingesetzt

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werden kann. Im Vergleich zu den vorbekannten hydrostatischen Gaslagern mit Eigendrosseleffekt (inhärente Drosselung) ist bei Einsatz des erfindungsgemäßen Lagers eine Verbesserung der Tragfähigkeit des Lagers von 30 bis 40 % und der Lagersteifigkeit auf das mehr als 5-fache möglich. Wählt man überdies die Anzahl der Luftzufuhrkanäle gering und setzt man ein kleines Lagerspiel ein, dann ist es möglich, die erforderliche Menge an Druckgas auf unter 1/10 der Menge, die bei vorbekannten Lagern erforderlich war, zu reduzieren. Die Erfindung ermöglicht die Schaffung eines Hybrid-Gaslagers hoher Wirksamkeit, wie dies bislang bei Verwendung üblicher hydrostatischer Gaslager nicht möglich war. Da sich die Ringnuten, die beim erfindungsgemäßen Lager eingesetzt werden, leicht herstellen und bearbeiten lassen, sind die Herstellungskosten des erfindungsgemäßen Lagers nur in einer Größenordnung, die der einfachster üblicher hydrostatischer Gaslager entspricht. Während beim erfindungsgemäßen Lager die erforderliche Menge an Druckgas im wesentlichen gleich der ist, wie sie bei einem hydrostatischen Gas lager mit oberflächenbedingtem Drosseleffekt benötigt wird, ist bei dem erfindungsgemäßen Lager demgegenüber die Lastaufnahmefähigkeit und die Lagersteif igkeit aber um mehr als 1,5-fach besser und die Bearbeitungs- bzw. Herstellungskosten sinken auf einen Bruchteil der Kosten dieser vorbekannten Lager ab.

In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gaslagers ist jede Ringnut von einem Ende des Lagers um einen Abstand entfernt angeordnet, der etwa 5 bis 15 % der gesamten Lagerlänge entspricht. Die Tiefe der Ringnuten beträgt vorzugsweise das 1,5- bis 6-fache des Lagerspieles. Es ist weiterhin von Vorteil, wenn die Gaszufuhrkanäle in Umfangsrichtung mit im wesentlichen gleichem Abstand voneinander versetzt angebracht sind. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gaslagers besteht auch-darin, daß eine Vielzahl von schräg zur Wellen-

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achse verlaufende Nuten in Fischgrätmuster auf der Oberfläche des Wellenbundes angebracht sind, wodurch sich beim schnellen Drehen der Welle zusätzlich Gas (Luft) von außerhalb des Lagers in das Lager zur Unterstützung des hydrodynamischen Druckaufbaus dort einziehen läßt.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gaslagers besteht auch darin, daß wenigstens eine die innere Lagerfläche in der Lagerschale in getrennte Einzelflächen aufteilende Ringnut vorgesehen ist, die mit einem radialen Auslaß in Verbindung steht, und daß weitere Ringnuten nahe der ersterwähnten, die Lagerfläche aufteilenden Ringnut mit einer Vielzahl von Gaszufuhrkanälen vorgesehen sind, wobei diese Gaszufuhrkanäle vom Inneren der Lagerschale heraus in die jeweils zugeordnete Ringnut hin einmünden. Diese Ausbildung ist dann von Vorteil, wenn die Länge der Lagerschale größer als die des Lagerdurchmessers ist oder wenn die Anzahl der DruckgasZuführungen groß ist, weil dann der Strömungswiderstand in axialer Richtung des Lagers auf einen Wert ansteigt, der im Vergleich zu dem Strömungswiderstand in Umfangsrichtung des Lagers nicht mehr vernachlässigt werden kann, wodurch dann der Gasdruck im Hochdruckbereich des Lagers ab- und im Niederdruckbereich des Lagers zunimmt (vgl. Darstellungen nach Fig. 11 der Zeichnung). Infolge dessen wird das Druckfluid bei solchen Verhältnissen im Hochdruckbereich des Lagers etwas in Umfangsrichtung umgelenkt und gelangt so in den Niederdruckbereich des Lagers, wodurch sich eine Druckverteilung ergibt, die für die Funktion des Lagers nicht vorteilhaft ist. Diese Probleme werden bei der vorstehend beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lagers verhindert, indem man durch die Aufteilung der Lager fläche in Einzel-Lagerflächen die jeweils wirksame Lagerlänge verkleinert, wodurch dann wieder besser die gewünschte Druckverteilung im Lager und dadurch eine Verbesserung der Lagerwirksamkeit eintritt. Dabei empfiehlt es sich,

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den axialen Abstand zwischen den Luftzufuhrkanälen innerhalb der einzelnen Flächen so auszuwählen, daß er einerLänge von 2/3 bis 1/2 der jeweiligen Lagerlänge entspricht. Wird er kleiner als die halbe wirksame Lagerlänge gewählt, dann kann hierdurch eine Verbesserung der Lagerwirksamkeit nicht mehr erreicht werden. Falls es gewünscht wird, die radiale Tragfähigkeit des Lagers durch eine Vergrößerung der Länge des Radiallagers anzuheben/ dann empfiehlt es sich/ die Oberfläche der Lagerschale in drei oder vier Einzelabschnitte durch Anordnung von zwei oder drei Teilungsnuten aufzuteilen. In diesem Fall würden dann vorteilhafterweise je Lagerabschnitt zwei Ringnuten mit zugeordneten Gaszufuhrkanälen zum Einblasen der Druckluft vorgesehen werden.

Vorteilhafterweise werden bei einem erfindungsgemäßen Gaslager auch eine Vielzahl von Axialnuten vorgesehen, welche die Ringnuten miteinander verbinden und deren Tiefe kleiner als die der Ringnuten ausgeführt ist.

Ein anderes erfindungsgemäßes Gaslager geht aus von einem Gaslager, bei dem zur abstützenden Lagerung eines Stützteiles Gas unter Druck aus einer Druckgasquelle einem Lagerspalt zwischen einer in Form einer runden Platte ausgebildeten Lagerscheibe eines Axialdrucklagers und dem zu lagernden Stützteil zuführbar ist. Erfindungsgemäß wird hierbei die Lagerscheibe mit einer zentralen Öffnung und eine der beiden Lagerflächen (an der Lagerscheibe oder an dem Stützteil) mit mehreren konzentrisch angeordneten, zum Lagerspalt hin offenen Kreisnuten versehen, deren innerste in der Nähe der zentralen Öffnung und deren äußerste in der Nähe der äußeren Abgrenzung der Lagerscheibe angebracht ist. Weiterhin ist eine Vielzahl von in ümfangsrichtung der Kreisnut zueinander versetzt angeordneten Gaszufuhrkanälen kleinen Durchmessers

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vorgesehen/ die jeweils mit einer zugeordneten Kreisnut in Verbindung stehen und über geeignete Gasleitungen (Gasdurchgänge in der Lagerschale) mit der Druckluftquelle verbunden sind. Es ist von Vorteil, wenn die innerste Kreisnut von der zentralen Öffnung und die äußerste Kreisnut vom Außenumfang der Lagerscheibe jeweils einen Abstand aufweisen, der etwa 5 bis 15 % der Größe des Lagerdurchmessers entspricht. Vorzugsweise beträgt die Tiefe der Kreisnuten etwa das 1,5- bis 6-fache des Wertes des Lagerspaltes. Besonders ausgeglichene Druckverhältnisse lassen sich in dem zur Lagerung herangezogenen Gasdruckpolster dadurch erzielen, daß die Gaszufuhrkanäle in Umfangsrichtung der Lagerscheibe mit im wesentlichen gleichem Abstand zueinander versetzt angebracht sind.

Diese Art des erfindungsgemäßen Lagers verwirklicht das Prinzip der Erfindung an einem Axialdrucklager.

Ein weiteres erfindungsgemäßes Gaslager geht aus von einem Gaslager, bei dem eine drehbare Welle zur Ausbildung axialer und radialer Lagerabstützflächen mit einem im Durchmesser verengten Abschnitt versehen ist, der zur Aufnahme einer von außen eingreifenden Lagerschale dient, wobei Gas unter Druck aus einer Druckgasquelle radial und axial verlaufenden Lagerspalten zugeführt wird, die jeweils zwischen den Lagerflächen der Lagerschale und den einzelnen Abstützflächen des im Durchmesser verengten Wellenbundes ausgebildet werden: dieses Gaslager ist ein gleichzeitig als Radial- und als Axial-Lager wirksames Gaslager. Erfindungsgemäß weist hierbei der als Radiallager ausgebildete Lagerteil zur radial wirksamen Lagerung eine radiale Lagerfläche auf sowie mehrere in Umfangsrichtung verlaufende Ringnuten, die längs der ganzen inneren Umfangsflache der radialen Lagerfläche nahe den Lagerenden verlaufen und axial zueinander versetzt sowie zum radialen Lagerspalt hin offen sind, und

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auch eine Vielzahl von im Winkel zueinander versetzt angeordneten Gaszufuhrkanälen kleinen Durchmessers für jede Ringnut, wobei die Gaszufuhrkanäle jeweils mit ihren zugehörigen Ringnuten in Verbindung stehen, und ferner auch noch einen Gasdurchlaß zur Verbindung der Gaszufuhrkanäle mit der Druckgasquelle. Erfindungsgemäß weist weiterhin bei diesem Lager der Lagerteil, der als Axiallager dient, axiale Lagerflächen mit jeweils mehreren, zum jeweiligen Axiallagerspalt hin offenen Kreisnuten, deren innerste nahe der radialen Lagerfläche und deren äußerste nahe dem nicht verengten radialen Außenumfang der rotierbaren Welle liegt, sowie eine Vielzahl von Gaszufuhrkanälen kleinen Durchmessers für die Kreisringnuten auf, wobei die Gaszufuhrkanäle jeweils mit der zugehörigen Kreisnut in Verbindung stehen, um diese mit dem Gasdurchlaß zu verbinden. Erfindungsgemäß sind gleichzeitig auch noch Verbindungsleitungen zwischen der radialen Lagerfläche und den axialen Lagerflächen vorgesehen, die über durch die Welle verlaufende Auslässe mit der Umgebung in Verbindung stehen. Die Erfindung wird bei diesem Lager in Form eines gleichzeitigen Axial- und Radiallagers verwirklicht.

Vorteilhafterwexse werden bei einem solchen Gaslager aus den weiter vorne an anderer Stelle bereits genannten Gründen für den Fall, daß die Lagerlänge größer als der Lagerdurchmesser und/oder die Anzahl der Luftzufuhrkanäle sehr groß ist, wenigstens eine Ringnut vorgesehen, welche die innere Lagerfläche des Radiallagers in getrennte Lagerflachen aufteilt und mit einem radialen Auslaß verbunden ist; weiterhin sind zusätzliche umlaufende Ringnuten nahe dieser teilenden Nut angeordnet und noch eine Vielzahl von diesen weiteren umlaufenden Ringnuten zugeordneten und in die jeweils zugeordnete Ringnut mündenden Gaszufuhrkanälen vorgesehen.

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Ein weiteres Gaslager, das ebenso wie die anderen weiter oben beschriebenen Gaslager die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe löst, besteht in einem Gaslager, das als Radiallager ausgebildet ist und bei dem Gas unter Druck von einer Druckgasquelle aus in. einen Lagerspalt zwischen einer Lagerschale und einer rotierbaren Welle zu deren Abstützung bei Drehung einleitbar ist. Erfindungsgemäß wird hierbei die Lagerschale mit einer Vielzahl von, im Winkel zueinander versetzt angeordneten Gaszufuhrkanälen kleinen Durchmessers versehen, die zum Lagerspalt hin offen sind,(d.h. in den Lagerspalt münden) und sich nahe den beiden Enden des Lagers befinden; weiterhin ist eine Verbindung zur Zuleitung von Druckgas aus der Druckgasquelle an diese Gaszufuhrkanäle vorgesehen,und an der drehbaren Welle sind mehrere ringsumlaufende Ringnuten angebracht, die jeweils an Stellen, die den Mündungen der Gaszufuhrkanäle gegenüberliegen, auf der Welle vorgesehen und zum Lagerspalt hin offen sind.

Ein weiteres, die Erfindung verwirklichendes Gaslager geht aus von einem Gaslager, das als Axiallager ausgebildet ist und bei dem aus einer Druckgasquelle Gas unter Druck in den Lagerspalt zwischen einer Lagerfläche und einem drehbaren Wellenbund zu dessen Lagerung einleitbar ist. Erfindungsgemäß weist dabei die drehbare Welle (vorzugsweise mit ihr einstückig ausgebildete) axiale Lagerplatten auf, die den beiden einander gegenüberliegenden axialen Abschlußflächen der Lagerschale gegenüberliegen, wobei jede der Lagerplatten mit mehreren konzentrisch angeordneten, zum Lagerspalt hin offenen Kreisnuten versehen ist, deren innerste nahe der inneren ümfangsflache des Lagers und deren äußere nahe dem Außenumfang der axialen Lagerplatte angebracht ist; fernerhin ist die Lagerschale mit mehreren konzentrisch angeordneten, axial jedoch nur kurz ausgebildeten Gaszufuhrkanälen versehen, die zum jeweiligen Lagerspalt hin

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offen sind, den konzentrischen Kreisnuten der Welle gegenüberliegen, im Winkel zueinander versetzt angeordnet und über eine Gasleitung mit der Druckgasquelle verbunden sind. Im Gegensatz zu den weiter oben beschriebenen erfindungsgemäßen Lagerformen, bei denen die Ringnuten stets auf der Lagerschale angebracht waren, wird bei diesem erfindungsgemäßen Gaslager die Anordnung der Ringnuten auf der in der Lagerschale zu lagernden Welle bzw. dem dort rotierenden Wellenbund vorgenommen.

Alle vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Lager lösen die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, wobei jeweils einfach aufgebaute, leicht und damit kostengünstig herstellbare, voll wirksame Hybrid-Gaslager geschaffen werden, die auch über lange Zeit hin betriebssicher eingesetzt werden können und bei denen Druckluft nur relativ geringen Druckes aus einem herkömmlichen Rotationsverdichter eingesetzt werden kann.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung im Prinzip beispielshalber noch näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht eines Beispiels für ein hydrostatisches Gaslager mit Eigendrosseleffekt aus dem Stand der Technik;
Fig. 2 eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht eines Beispiels für ein hydrostatisches Gaslager mit oberflächenbedingtem Drosseleffekt aus dem Stand der Technik;

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der Lagerwirksamkeit vom Lagerspiel bei einem hydrostatischen Gaslager mit Eigendrosseleffekt aus dem Stand der Technik entsprechend Fig. 1;

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Fig. 4 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lagers;

Fig. 5 einen Querschnitt durch das Lager gemäß Fig. 4;

Fig. 6 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der Lagerwirksamkeit vom Lagerspiel bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4, wobei die Tiefe der Ringnuten als Parameter für die verschiedenen Kurvenverläufe gewählt ist;

Fig. 7 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der Lagerwirksamkeit vom Lagerspiel bei dem Beispiel nach Fig. 4, wobei für die verschiedenen Kurvenzüge das Verhältnis von Abstand der im Lagergehäuse vorgesehenen Speise-Endringnuten vom Ende der Lagerfläche zur gesamten Lagerlänge als Parameter gewählt ist;

Fig. 8 eine graphische Darstellung der radialen Druckverteilung auf der Lageroberfläche, wobei für die verschiedenen Kurvenzüge die Tiefe der Ringnuten als Parameter herangezogen ist; Fig. 9 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lagers;

Fig.10a eine Schnittdarstellung durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lagers;

Fig.10b eine Draufsicht auf die untere Lagerplatte der Anordnung aus Fig. 10a;

Fig.11 eine Darstellung der Druckverteilungscharakteristik in axialer Richtung auf der Lagerinnenseite;

Fig. 12 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lagers; Fig.13 eine Querschnittsdarstellung (Teilschnitt) durch in einer Radialebene liegende Luftzufuhrkanäle des Radiallagers nach Fig. 12;

Fig.14 eine Querschnittsdarstellung aus Fig. 12 mit einer Ansicht der Führungsfläche des Lagers; Fig.15 einen Längsschnitt durch einen Abschnitt einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lagers, und

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Fig. 16 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform für ein erfindungsgemäßes Lager.

Im Interesse eines leichteren Verständnisses der Erfindung soll zunächst in den Fig. 1 und 2 jeweils ein Beispiel für ein Lager aus dem Stand der Technik gezeigt werden, wobei ein Beispiel für ein bekanntes Lager mit Eigendrosseleffekt (Fig. 1) und ein Beispiel für ein vorbekanntes Lager mit einem durch die Gestaltung der Lageroberfläche bedingten Drosseleffekt gezeigt werden.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten hydrostatischen Gaslager 2 mit Eigendrosseleffekt ist eine Vielzahl von Luftzufuhrbohrungen 3 vorgesehen/ die zur Lagerfläche hin münden und in Umfangsrichtung sowie in axialer Richtung zueinander versetzt sind. Weiterhin ist ein gemeinsamer Luftzufuhrkanal 5 in Verbindung mit den Luftzufuhrbohrungen 3 vorgesehen, der mit Druckluft aus einem (in den Fig. nicht dargestellten) Kompressor beaufschlagt wird. Das Lager ist dafür bestimmt, eine Welle lagernd abzustützen. Die Öffnungen der Luftzufuhrbohrungen 3 können jeweils an der Stelle, wo sie der Welle 1 zugewendet sind, zur Ausbildung flacher Taschen etwas, vorzugsweise konisch, erweitert sein, wodurch ein Lager des Typs mit Mündungsdrosselung ausgebildet wird.

Obgleich Gaslager mit Eigendrosseleffekt bzw. mit Mündungsdrosselung ^einfach hergestellt und bearbeitet werden können, liegt der Wert für die "Lagerwirksamkeit" (Verhältnis des zur Abstützung des Lagers verfügbaren Druckes zu dem der zugeführten Druckluft) höchstens bei 50 %. Und überdies ist die "Lagersteifigkeit" gering, da das optimale Lagerspiel eines solchen Lagers relativ groß ist.

Fig. 3 stellt den Verlauf der Lagerwirksamkeit über dem Lagerspiel der oben beschriebenen Lager dar. Ganz generell ist dabei erkennbar, daß das optimale Lagerspiel, bei dem

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die Lagerwirksamkeit ihr Maximum erreicht, relativ groß ist, z.B. 20 bis 30 μπι oder darüber, und daß bei einem kleinen Lagerspiel von weniger als 10 μΐη die Tragfähigkeit des Lagers in starkem Maße abfällt. Der Wert für das optimale Lagerspiel kann erniedrigt werden, indem man den Durchmesser der Luftzufuhrbohrungen und deren Anzahl verkleinert, wodurch der Drosseleffekt (nämlich der Strömungswiderstand für das Gas) der Luftzufuhrbohrungen ansteigt. Mit bekannten Bearbeitungstechniken läßt sich allerdings nur ein minimaler Durchmesser der Luftzufuhrbohrungen von 0,08 bis 0,1 mm erzielen, so daß es sich als unmöglich erweist, das optimale Lagerspiel unter 10 um abzusenken, ohne an Lagerwirksamkeit zu verlieren, da die • Lagerwirksamkeit abfällt, wenn die Zahl der Luftzufuhrbohrungen unter 6 liegt. Aus diesem Grund hat es sich bei Lagern dieses Typs als unmöglich erwiesen, nicht nur in ausreichendem Maße die Lagersteifigkeit anzuheben, sondern auch zur Stützung des Wellenschaftes in vollem Maße den hydrodynamischen Effekt ausnützen zu können, der in einem schmalen Lagerspiel bei einer Hochgeschwindigkeitsrotation erzeugt wird.

Um zumindest teilweise die Nachteile der Lagertypen mit Eigendrosseleffekt und der mit Mündungsdrosselung eliminieren zu können, wurde die in Fig. 2 gezeigte Lagerart mit oberflächenbedingtem Drosseletfekt entwickelt, bei der das optimale Lagerspiel auf unter 10 um reduziert werden konnte und bei der der wirksame Lagerdruck zur Aufnahme der Lagerlast bis zu den Enden des Lagers verfügbar ist. Hierdurch konnte im wesentlichen dieselbe Lagerwirksamkeit wie bei den Lagern der vorher genannten Arten, gleichzeitig aber eine höhere Lagersteifigkeit erreicht werden. Bei der Darstellung gemäß Fig. 2 wird bei einem Lager mit einem durch die Oberflächengestaltung bedingten Drosseleffekt eine Vielzahl von sich in Längsrichtung der Welle erstreckender und rings um den Wellenumfang verteilt angeordneter Nuten 4 auf der

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Welle bzw. dem Wellenbund 1¹ angebracht, ausgenommen an den Stellen des Wellenbundes, die den beiden einander entgegengesetzt angeordneten Enden der Lagerfläche eines Lagers 2' gegenüberliegen. Da dieser Lagertyp mit einer Vielzahl von Längsnuten versehen werden muß, ist er schwierig herzustellen und zu bearbeiten. Zusätzlich wird der hydrodynamische Effekt, der durch die Rotation des Wellenbundes I¹ erzeugt wird, nicht wirksam ausgenutzt. Insbesondere liegt kein kontinuierliches Lagerspiel in ümfangsrichtung vor, sondern es ist durch die Vielzahl der Längsnuten 4 aufgespalten und außerdem hat die Druckluft in dem Lager die Tendenz, durch diese Nuten nach außen zu entweichen, so daß der hydrodynamische Effekt wesentlich geringer ist als bei einem Lager, das nicht mit solchen Längsnuten versehen ist.

Diesen bekannten Lagern soll die Erfindung nun anhand der weiteren Figuren gegenübergestellt werden.

In den Fig. 4 und 5 sind eine Welle 11, ein Lager 12 sowie schmale Rundnuten 13 gezeigt, die sich kreisförmig erstrecken und jeweils eine geschlossene Rundnut in der Lagerfläche ausbilden. Die Ringnuten 13 sind jeweils an Stellen angeordnet, die von den entsprechenden, einander gegenüberliegenden Lagerenden in einem Abstand L. entfernt sind, der seinerseits etwa 5 bis 15 % der Gesamtlänge L des Lagers ausmacht. Jede Nut weist eine Tiefe g einer Größe von etwa dem 1,5- bis 6-fachen des Lagerspieles auf. Weiterhin sind Luftzufuhrbohrungen 14 kleinen Durchmessers vorgesehen, die zu den Radialnuten hin offen und über eine Luftkammer 15 mit einer Preßluftquelle 16 verbunden sind. Die Anzahl der Luftzufuhrkanäle bzw. -öffnungen wird so ausgewählt, daß sie kleiner ist als die der bekannten Gaslager. Die Druckluft die von der Druckluftquelle 16 angeliefert wird, fließt in die engen Ringnuten 13 unter Zwischenschaltung der Luftkammer 15 und

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der Luftzufuhrkanäle 14. Die auf diese Weise zugeführte Druckluft fließt durch die Nuten 13 in die Umfangsrichtung des Lagers und dann durch das Lagerspiel nach außen. Vorteilhafterweise wird der Durchmesser der Luftzufuhrkanäle so klein wie möglich ausgeführt, z.B. kleiner als 0,1 mm, und ihre Anzahl zu drei oder vier gewählt. Bei der in Fig. 5 gezeigten Form werden drei Luftzufuhrkanäle 14 eingesetzt, die im Winkel zueinander mit im wesentlichen gleichen Winkelabständen angeordnet sind.
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Der optimale Betriebspunkt des hydrostatischen Lagers wird dann erreicht, wenn der Strömungswiderstand R. eines Durchgangs von der Luftkammer 15 zu der Lageroberfläche über die Luftzufuhrkanäle 14 und die engen Speisenuten gleich dem Strömungswiderstand R eines Durchgangs im Lagerspiel zwischen den seitlichen Kanten der Nuten und den Lagerenden wird. Der Strömungswiderstand R- ist umgekehrt proportional dem Quadrat des Durchmessers d der öffnungen der Luftzufuhrkanäle 14 und deren Anzahl, wogegen der Strömungswiderstand R„ umgekehrt proportional der dreifachen Potenz des Lagerspieles Cr (das in Fig. 5 zur Darstellung einer exzentrischen Lage des Wellenbundes 11 übertrieben stark gezeigt ist) und proportional der Ausströmlänge L. ist. Die Ausströmlänge L₁, der Durchmesser d der Luftzufuhrkanäle 14 und deren Anzahl werden so klein wie möglich gewählt, um eine Bedingung R₁ ^ R„ für ein kleineres Lagerspiel Cr zu erfüllen. Wie vorstehend beschrieben, wird erfindungsgemäß die Ausströmlänge L₁ klein gewählt, um den Ausströmwiderstand zu begrenzen, und die Anzahl der Luftzufuhrkanäle 14 wird verkleinert, um den Widerstand gegen die Luftströmung zu erhöhen, wodurch der Einströmwiderstand (R.) und der Ausströmwiderstand (R„) zur Erzielung der optimalen Betriebsbedingung gleich groß werden.

In den Fig. 6 und 7 ist der Verlauf der Lagerwirksamkeit und des Lagerspieles Cr für einen Durchmesser der Luft-

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zufuhrkanäle von 0,1 mm für eine Anzahl von drei Luftzufuhrkanälen sowie für ein Verhältnis der Lagerlänge zum Lagerdurchmesser (L/D: vgl. Darstellungen aus Fig. 4) = 1 dargestellt. Im speziellen zeigt Fig. 6 den Verlauf der Lagerwirksamkeit über dem Lagerspiel für die Werte L₁ZL = 0,05 und für einen Druck der zugeführten Druckluft von 1 kg/cm², wobei die Nuttiefe g der Ringnuten 13 als Parameter für die verschiedenen Kurvenverläufe gewählt ist. Die optimale Tiefe für die Ringnuten 13 liegt bei etwa dem 4-fachen des Wertes für das Lagerspiel Cr, während das optimale Lagerspiel etwa 7 [im beträgt, bei welchem Wert eine Lagerwirksamkeit von etwa 0,7 erzielt werden kann. Selbst wenn die Tiefe der Ringnut 13 und das Lagefspiel leicht von ihren optimalen Werten unterschiedlich sind, nimmt die Lagerwirksamkeit noch immer nicht in einem merklichen Maße ab. Wenn das Verhältnis L/D auf Werte von 2/3 und 1/2 abgesenkt wird, dann steigt die maximale Lagerwirksamkeit auf 0,8 bzw. 0,85 an. In Abhängigkeit von dem Druck der zugeführten Druckluft schwankt das optimale Lagerspiel etwas, z.B. für Werte des Luftdrucks der zugeführten Druckluft von 5 kg/cm²und von 0,1 kg/cm², liegt das optimale Lagerspiel bei ca;. 5 bzw. 9 μπι.

In Fig. 7 ist der Kurvenverlauf der Abhängigkeit der Lagerwirksamkeit vom Lagerspiel Cr für den Fall eines Ausgangsdruckes von 0,1 kg/cm² für die zugeführte Druckluft, für einen Durchmesser von 0,1 mm für die Luftzüfuhrkanäle und für das Verhältnis L,/L als Parameter wiedergegeben. Es kann festgehalten werden, daß eine Veränderung des Wertes des Verhältnisses L../L auch eine Veränderung der optimalen Tiefe für die Ringnuten bewirkt, um jeweils eine Maximierung des Wertes für die Lagerwirksamkeit zu erhalten. Aus Fig. 7 ist ersichtlieh, daß L₁ZL kleiner als 0,1 gewählt werden sollte, um das Lagerspiel unter 10 Mikron abzusenken. Allerdings ist dabei zu beachten, daß der Wert von L^L, der diese

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Bedingung erfüllt, ansteigt, wenn der Ausgangsdruck der zugeführten Druckluft vergrößert und der Durchmesser der Luftzufuhrkanäle verkleinert wird.

Zum besseren Verständnis des Vorhandenseins einer optimalen Ringnuttiefe, bei der die Lagerwirksamkeit maximal ist, soll die Abhängigkeit der Umfangsdruckverteilung des Lagers von der Nutentiefe untersucht werden: in Fig. 8 ist zu diesem Zweck die Abhängigkeit des Druckes über dem Lagerschalenumfang (der als abgewickelter ümfangswinkelψ dargestellt ist), die durch die Exzentrizität des Wellenbundes 11 erzeugt wird, von der Tiefe g der ringsumlaufenden Ringnut 13 gezeigt, wobei die Breite der Ringnut zu 1 mm und die Anzahl der Luftzufuhrkanäle zu drei gewählt ist. In der Darstellung von Fig. 8 wird mit P der Ausgangsdruck des zugeführten Druckgases, mit MAXiCr die maximal auftretende Lagerspaltbreite (Lagerspiel bei Kp =0°) und mit MINiCr die minimal auftretende Lagerspaltbreite (min. Lagerspiel bei u> =180°) bezeichnet. Wie der Darstellung von Fig. 8 entnehmbar ist, nimmt für den Fall sehr großer Nutentiefen g der Kurzschlußeffekt (Aus-0 gleichseffekt) zwischen den Drücken im Bereich des Lagers, wo infolge der Exzentrizität ein großes Lagerspiel herrscht, und dem Lagerbereich, wo wegen der Exzentrizität ein engeres Lagerspiel auftritt, stark zu, d. h. die Druckdifferenz zwischen dem Winkelbereich -90°<^<90° und dem Bereich 90°< y? < 270° nimmt so stark ab, daß die Tragfähigkeit des Lagers absinkt. Aus diesem Grund gibt es einen optimalen Wert für die Nutentiefe g der Ringnuten, bei dem die Lagerwirksamkeit maximal ist.
Bezeichnet man das Lagerspiel (Lagerspaltbreite) mit Cr, den Lagerdurchmesser mit D, die Anzahl der Luftzufuhrkanäle mit n, die Weite der Ringnut mit b und den Abstand zwischen der dem zugehörigen Lagerende am nächsten liegenden Außenseite der Ringnut und diesem Lagerende mit L., dann läßt sich die optimale Nutentiefe g ungefähr durch folgende Gleichung ermitteln:

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a er [{(^-y²/ b^J - I].

Hieraus läßt sich z.B. ein Verhältnis g/Cr SS 3 berechnen, wenn D = 28 mm, η = 3, b = 1 mm und L₁ = 3 mm. Ganz allgemein bewegt sich der Wert für das Verhältnis g/Cr in einem Bereich von etwa 1,5 bis 6. Verlagert man die Luftzufuhrbohrungen und die Ringnuten noch weiter an die Lagerenden hin, dann nimmt die Lagerwirksamkeit zu und das optimale Lagerspiel noch ab. Wenn allerdings die Längen L. der Abströmung zu gering werden, dann würden Ungenauigkeiten bzw. Fehler in der Anordnung bzw. im Zusammenbau so starke Schwankungen in den Lagercharakteristiken ergeben, daß die Länge L₁ wenigstens 1 mm betragen sollte. Daher sollten die Luftzufuhrkanäle 14 an solchen Stellen angebracht werden, die von den entsprechenden Lagerenden etwa 5 - 15 % der gesamten Lagerlänge entfernt sind.

Wählt man z.B. einen Durchmesser von 30 mm für den Wellenbund, eine effektive Lagerlänge von 5 0 mm und einen Druck für die zugeführte Luft von etwa 0,07 kg/cm², dann ist es mit einem erfindungsgemäßen Lager möglich, bei einer rotierenden Welle eine Belastung von 700 g bereits durch optimale Gestaltung des Lagers aufzunehmen bzw. abzustützen. Setzt man ein Lager dieser Ausgestaltung für eine rotierende Drehkopf-Aufzeichnungsvorrichtung ein, dann läßt sich diese mit einem Gewicht von weniger als 500 g ausführen: hierdurch ergibt sich ein sehr kompaktes, trotzdem aber funktionstüchtiges und über lange Zeit einsetzbares Gaslager, bei dem sowohl in der Anlauf-, wie auch in der Auslauf-Phase eine kontaktfreie Lagerung der zueinander bewegten Lagerteile vermieden wird und das bei hoher Betriebsdrehzahl (etwa 10000 bis 30000 U/min.) als hydrodynamisches Lager wirkt, wobei man nur Druckgas relativ geringen Druckes benötigt, so daß ein herkömm-

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licher Rotationskompressor ohne Notwendigkeit einer Nachschmierung über lange Zeit eingesetzt werden kann.

Fig. 9 zeigt einen Lageraufbau, der sich von dem aus den Fig. 4 und 5 dadurch unterscheidet, daß ein Wellenbund 11' mit einer Vielzahl von bekannten, in Fischgrätmuster angebrachten Nuten 17 geringer Tiefe eingesetzt ist. Druckluftlager mit solchen geneigten Nuten sind bekannt und werden für den Zweck eingesetzt, um zur Erzeugung eines hydrodynamischen Druckes für die Lagerung des Wellenbundes Außenluft in das Lager bei der Drehung mit hineinzuziehen. Bei herkömmlichen Lagern machte allerdings diese Ausbildung wegen der Berührung von Wellenbund und Lagerschale während der Anlauf- und Auslauf-Phase des Lagers eine Härtung der Lagerschalenoberfläche nötig, wofür z.B. keramische Stoffe eingesetzt werden. Hierdurch erhöhen sich jedoch nicht nur die Herstellungskosten für das Lager, sondern es sinkt auch dessen Einsetzbarkeit bzw. Einsatzdauer. Die in Fig. 9 allerdings dargestellte Ausgestaltung eines Druckgaslagers nach der Erfindung macht es möglich, eine Lagerung während der An- und Auslauf-Phase der Bewegung ohne Kontakt der zueinander bewegten Teile sicherzustellen, was durch intermittierenden Einsatz von Druckluft aus einer so kleinen und funktionssicheren Druckluftquelle wie z.B. einem Turbokompressor möglich ist.

In den Fig. 10a und 10b ist ein Axialdrucklager mit einer Lagerscheibe 22 dargestellt, die zur lagernden Aufnahme eines Stützteiles (d.h. eines abzustützenden Elementes) 21 vorgesehen und entsprechend angepaßt ist. Die Lagerscheibe 22 ist als eine kreisrunde Scheibe ausgeführt und mit einer zentralen öffnung 29 sowie mit zwei konzentrisch angeordneten Kreisnuten 23 und 24 versehen, deren eine (23) nahe der zentralen Öffnung 29 angebracht ist, während die andere (24) nahe der äußeren Peripherie der Lagerscheibe verläuft. Jede Nut ist mit

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- si - ο π π 1π

%Za *5 U U I U

einer Vielzahl von (in der dargestellten Ausführungsform: drei) in Umfangsrichtung der Nut voneinander versetzt angeordneten Gaszufuhrkanälen 25 versehen, die jeweils mit einer gemeinsamen, als Gasdurchgang ausgebildeten Gas-Rundkammer 26 in Verbindung stehen, die ihrerseits mit einer Druckgasquelle 27 verbunden ist. Das Druckgas wird aus dem Lager nach außen durch den Lagerspalt bzw. das Lagerspiel 28 und durch die zentrale öffnung 29 wieder abgegeben. Die Kreisnuten 23 und 2 4 können in derselben Weise wie in den vorstehend bereits beschriebenen Lagerbeispielen ausgeführt werden, mit der Einschränkung, daß die Werte für die Durchmesser der inneren und äußeren Ringnuten 23 und 24 in der weiter oben genannten Formel anstelle des Wertes D eingesetzt werden müssen.

Bei dem in den Fig. 4 und 5 gezeigten Lager ist die Lagerlänge L relativ klein und der Abstand zwischen den Ringnuten 13 an den beiden Lagerenden kleiner als der ümfangsabstand der Luftzufuhirkanäle 14 (d.h. eine entsprechende Kreisbogenlänge für einen Zentralwinkel von 120°). Bei dieser Anordnung ist die Variation des Druckverlaufes über die Lagerlänge gering, so daß die axiale Druckverteilung mit einem Ansteigen oder mit einer Abnähme des Lagerspieles sich so ändert, wie dies aus den trapezartigen Kurven A und A' in Fig. 11 ersichtlich ist. Dabei stellt A den axialen Druckverlauf im Hochdruckbereich des Lagers,' und A¹ den Druckverlauf im Niederdruckbereich des Lagers dar. Die ebenfalls in Fig. 11 dargestellten, gestrichelt eingezeichneten Druckverläufe B und B¹ ergeben sich für den Fall, der weiter oben bereits näher beschrieben ist und bei dem entweder die Lagerlänge größer als der Lagerdurchmesser oder eine relativ große Anzahl von Luftzufuhrkanälen vorhanden ist (Absenkung des Druckes im Hochdruckbereich des Lagers, Anstieg des Druckes im Niederdruckbereich des Lagers, wegen erhöhtem Strömungswiderstand in

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axialer Richtung und dadurch erfolgender teilweiser radialer Umlenkung des Druckfluids aus dem Hochdruckbereich in den Niederdruckbereich).

Bei dem in Fig. 12 dargestellten, als Axial- und Radiallager ausgeführten Gaslager ist dieses Problem gelöst. Bei dem gezeigten Lager ist ein Radiallager relativ großer Lagerlänge mit einem Axialdrucklager, wie dies etwa im Prinzip aus den Fig. 10a und 10b entnehmbar ist, kombiniert. Bei den Darstellungen nach Fig. 12, 13 und 14 ist ein Lagerhauptkörper 32 des Lagers in einer Ringnut aufgenommen/ die von einem im Durchmesser verengten Abschnitt 31a einer Welle 31 und dessen vertikalen Seitenwänden 31b ausgebildet wird. Die Verbindungsstellen zwischen der radialen Lagerfläche 32a des Lagerhauptkörpers 32, die eine Erstreckung in Axialrichtung aufweist, und den beiden axialen Druckflächen 32b, deren jede sich in radialer Richtung erstreckt, sind schräg abgewinkelt und die abgewinkelten Abschnitte begrenzen an dieser Stelle im Kreis umlaufende Ringkanäle 34, die durch Gasauslaßkanäle 33, die für die rotierende Welle 31 vorgesehen sind, mit der das Lager umgebenden Atmosphäre verbunden sind. Die Ausbildung der beiden Ringkanäle 34 und des Gasauslaßkanales 33 verhindert, daß es zu Interferenzen zwischen dem Radiallager und dem Axiallager kommt.

In der Mitte der radialen Lagerfläche 32a ist eine Gasauslaß-Ringnut 35 vorgesehen, welche die radiale Lagerfläche 32a in zwei Einzelflächen aufteilt. Die Ringnut 35 steht in Verbindung mit der Außenseite des Lagers über einen radialen Auslaß 36 in der drehbaren Welle 31.. Nahe den Ringkanälen 34 und der teilenden Ringnut 35 sind weitere Ringnuten 37 vorgesehen, deren jede drei Gaszufuhrkanäle 39 kleinen Durchmessers aufweist, die in Umfangsrichtung der Ringnut voneinander gleichmäßig versetzt angeordnet sind und mit einem Gasdurchlaß 38 Nippon Telegraph & Telephone Public Corp.

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im Lagerhauptkörper 32 in Verbindung stehen. Jede axiale Lagerfläche 32b ist mit Kreisnuten 310 in der Nähe ihrer inneren und äußeren Begrenzungskanten versehen und jede Kreisnut 310 steht in Verbindung mit dem Gasdurchlaß 38 über drei Gaszufuhrkanäle 311, die in gleichmäßigem Abstand zueinander versetzt sind. Ein als Nippel ausgebildeter Gasdurchlaß 312 ist weiterhin dafür vorgesehen, um den Gasdurchlaß 38 mit der Druckluftquelle zu verbinden= Für eine Lagerkonstruktion, bei der der Gasauslaßkanal 33 geschlossen sein soll, kann auch eine Auslaßöffnung 313 in radialer Richtung (wie in Fig. 14 eingezeichnet) vorgesehen werden.

Das Druckgas, das dem Nippel 312 zugeführt wird, wird von dort aus zu den Spalten zwischen der radialen Lagerfläche 32a und dem im Durchmesser verengten Abschnitt der Welle 31 sowie zwischen die axialen Lagerflächen 32b und die vertikalen Seitenwände 31b am verengten Abschnitt an der rotierenden Welle 31 über den Luftdurchlaß 38 und die Gaszufuhrkanäle 39 und 311 weitergeleitet, um den Lagerdruck zur Abstützung der Welle 31 aufzubauen.

Bei der in Fig. 12 dargestellten Ausführungsform ist die radiale Oberfläche 32a durch die mit dem Auslaß 36 verbundene Ringnut 35 in zwei Einzelabschnitte aufgeteilt, wobei das Verhältnis des Lagerdurchmessers zur Lagerlänge im wesentlichen kleiner als 1, z.B. ca. 0,5 gewählt ist. Entsprechend der Ausgestaltung dieses Ausführungsbeispiels wird dabei die wirksame Lagerlänge durch die mittlere Ringnut verringert, wodurch sich eine Druckverteilung erzielen läßt, wie diese in den Kurven A und A¹ in Fig. 11 dargestellt ist, um hierdurch die Lagerwirksamkeit zu verbessern. Im allgemeinen ist es dabei von Vorteil, den axialen Abstand der Gaszufuhrkanäle so zu wählen, daß er ungefähr 2/3 bis 1/2 der Lagerlänge ausmacht. Ein Abstand von weniger als 1/2 der Lagerlänge kann die Lagerwirksamkeit nicht ver-

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bessern. Will man die Tragfähigkeit des Lagers durch Vergrößerung der Lagerlänge des Radiallagers anheben, dann kann man die radiale Lagerfläche auch in drei oder vier Einzelabschnitte durch Anordnung von zwei oder drei jeweils mit einem Auslaßkanal verbundenen Ringnuten aufteilen. In diesem Fall lassen sich z.B. für jeden Einzelabschnitt der Lagerfläche dann zwei Ringnuten mit verbundenen Luftzufuhrkanälen für die Zuleitung der Druckluft dorthin vorsehen.

Während bei dem in Fig. 12 gezeigten Radiallager die radiale Lagerfläche durch die Ringnut 35 so aufgeteilt wurde, daß sich über einen relativ langen Bereich der Lagerlänge eine im wesentlichen gleichmäßige Druckverteilung erzielen läßt, ist bei einer anderen, in Fig.1 5 gezeigten Ausführungsform derselbe Zweck dadurch erreicht, daß die Ringnuten 37 über eine Vielzahl axialer Nuten 314 miteinander verbunden sind, wobei jede dieser axialen Nuten 314weniger tief als die Ringnuten 37 ausgeführt ist. In Fig. 15 wird mit 31' die rotierende Lawelle bezeichnet.

Obwohl in den bislang dargestellten Ausführungsbeispielen die Ringnuten in der Lagerschale vorgesehen wurden, ist die Erfindung auf diese Anordnung der Ringnuten durchaus nicht beschränkt. Vielmehr lassen sich die erfindungsgemäßen Vorteile auch durch eine Anordnung der Ringnuten in der Welle erzielen, wie dies in Fig. 16 dargestellt ist: im einzelnen wird dort ein drehbarer Wellenbund 41 eingesetzt, der mit rings um seinen Außenumfang verlaufenden Ringnuten 42a versehen ist, während die Lagerfläche der Lagerschale mit Luftzufuhrkanälen 44a versehen ist, die den Ringnuten 43a gegenüberliegen. Eine Axiallager-Druckplatte 48, die an der Welle befestigt ist (vorzugsweise einstückig mit dieser ausgebildet ist), ist mit konzentrischen Ringnuten 43b wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 10b versehen, und weiterhin sind Luftzufuhrkanäle 44b in den axialen Lagerflächen

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der Lagerschale 42 so vorgesehen, daß sie den Ringnuten 43b gegenüberliegen. Die Luftzufuhrkanäle 44a und 44b stehen ihererseits mit einer Luftkammer 45 in Verbindung. Auf dem Wellenbund 41 sind weiterhin Ringnuten 46 angeordnet, die - wie weiter oben beschrieben wiederum als Teilnuten für die radiale Lagerfläche dienen. Ihnen zugeordnet sind Auslaßkanäle 47a im feststehenden Lagerkörper vorgesehen, die in die radiale Lagerfläche einmünden. Weiterhin sind in der Axiallager- ^O Druckplatte Auslaßkanäle 47b zum Verhindern einer unerwünschten Interferenz zwischen den Radial- und Axiallagern vorgesehen.

Beim Einsatz solcher Teilungsnuten, wie sie z.B. bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 12 und Fig. 16 vorgesehen sind, wird über die Teilungsnuten 37 (Fig. 12) bzw. 43a (Fig. 16) Druckluft in den Lagerspalt eingelassen, die über den Lagerspalt hinweg mit der aus der jeweils anderen, am anderen Ende desselben Lagerab-Schnitts vorhandenen Ringnut austretenden Druckluft das Druckkissen innerhalb des Lagerspaltes für die betreffende Lager-Teilfläche ausbildet. Der durch.das Lagerspiel zwischen den Teilungsnuten 35 bzw. 46 und den ihnen benachbarten Luftzufuhr-Ringnuten 37 bzw. 4 3a ausgebildete Zwischenkanal stellt dabei eine Verbindung für aus dem Luftkissen austretende Luft zu den Auslässen 36 bzw. 47a und damit zur Außenseite des Lagers her, so daß auf diesem Weg wieder Luft aus dem Lager austreten kann.

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Claims

GEYER, HAGEMANN & PARTNER

Drstouchesstraße 60 · Postfach 400745 · 8000 München 40-Telefon 089/3040 7T Telex 5-2161)6 hagre! · Telegramm haf-eypalrnt Telekopierer 089/304071

-S-

Nippon Telegraph & Telephone München, den

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Tokio / Japan 12- Januar 1980

u.Z.: Pat 129/3-79M Dr.G/2/he

PATENTANSPRÜCHE

( 1·ι Gaslager, bei dem zur Abstützung einer rotieroaren Welle Gas unter Druck aus einer Druckgasquelle einem Lagerspalt zwischen einer Lagerschale und der Welle zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerschale (12) mehrere in ihrer ümfangsrichtung verlaufende Ringnuten (13) aufweist, die sich längs der gesamten inneren Lagerfläche erstrecken, ■ axial zueinander versetzt und zum Lagerspalt (Cr) hin offen sind,
daß eine Vielzahl von im Winkel zueinander versetzt angeordneten Gaszufuhrkanälen (14) kleinen Durchmessers vorgesehen sind, die jeweils mit zugehörigen Ringnuten (13) in Verbindung stehen,

und daß ein Gasdurchgang (15) zur Verbindung der Gaszufuhrkanäle (14) mit der Druckgasquelle (16) vorgesehen ist.
2. Gaslager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Ringnut von einem Ende des Lagers um einen Abstand (L₁) von etwa 5 bis 15 % der gesamten Lagerlänge (L) entfernt angeordnet ist.

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3. Gaslager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe (g) der Ringnuten (13) etwa das 1,5- bis 6-fache des Lagerspieles (Cr) beträgt.
4. Gaslager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszufuhrkanäle (14) in Umfangsrichtung mit im wesentlichen gleichem Abstand voneinander versetzt angebracht sind.
5. Gaslager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von schräg zur Wellenachse verlaufenden Nuten (17) in Fischgrätmuster auf der Oberfläche der Welle (11') angebracht sind.
6. Gaslager, bei dem zur Abstützung eines Stützteiles Gas unter Druck aus einer Druckgasquelle einem Lagerspalt zwischen einer in Form einer kreisförmigen Platte ausgebildeten Lagerscheibe eines Axialdrucklagers und dem Stützteil zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerscheibe (22) mit einer zentralen Öffnung

(29) und eine Lagerfläche mit mehreren konzentrisch angeordneten, zum Lagerspalt (28) hin offenen Kreisnuten (23, 24) versehen ist, deren innerste (23) in der Nähe der zentralen Öffnung (29) und deren äußerste (24) in der Nähe des Außenumfanges der Lagerscheibe (22) angebracht ist, und daß eine Vielzahl von in Umfangsrichtung der Kreisnut (24) zueinander versetzt angeordneten Gaszufuhrkanälen (25) kleinen Durchmessers vorgesehen sind, die jeweils mit zugehörigen Kreisnuten (24) in Verbindung stehen und über Gasdurchgänge (26) mit der Druckluftquelle (27) verbunden sind.
7. Gaslager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die innerste Kreisnut (24) von der zentralen Öffnung

(29) und die äußerste Kreisnut (24) vom Außenumfang der Lagerscheibe (22) jeweils einen Abstand von etwa 5 bis 15 % der Größe des Lagerdurchmessers aufweisen.

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8. Gaslager nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Kreisnuten (24) etwa das 1,5- bis 6-fache des Wertes des Lagerspaltes (28) beträgt .
9. Gaslager nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszufuhrkanäle (25) in Umfangsrichtung der Lagerscheibe (22) mit im wesentlichen gleichem Abstand zueinander versetzt angebracht sind.
10
10. Gaslager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Teilen der inneren Lagerfläche (32a) wenigstens eine Ringnut (35) vorgesehen ist, die mit einem radialen Auslaß (36) in Verbindung steht,

und daß nahe dieser Teilungsnut (35) weitere Ringnuten (37) mit einer Vielzahl von in die jeweilige weitere Ringnut (37) mündenden Gaszufuhrkanälen (39) vorgesehen sind.
11. Gaslager nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder

10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von axialen Nuten (314) vorgesehen sind, welche die Ringnuten (13; 13'; 37) miteinander verbinden und deren Tiefe kleiner als die Tiefe der Ringnuten (13; 13'; 37) ausgeführt ist.
12. Gaslager, bei dem eine rotierbare Welle zur Ausbildung axialer und radialer Lagerabstützflächen mit einem im Durchmesser verengten Abschnitt versehen ist, in den eine Lagerschale eingreift, wobei Gas unter Druck aus einer Druckgasquelle Lagerspalten zugeführt wird, die jeweils zwischen den Lagerflächen der Lagerschale und den einzelnen Abstütζflächen des im Durchmesser verengten Wellenbundes ausgebildet werden, dadurch gekennzeichnet,

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daß das Radiallager

eine radiale Lagerfläche (32a), mehrere in Umfangsrichtung verlaufende Ringnuten (37), die längs der ganzen inneren Umfangsfläche der radialen Lagerfläche (32a) nahe den Lagerenden verlaufen und axial zueinander versetzt sowie zum Radiallagerspalt hin offen sind, eine Vielzahl von im Winkel zueinander versetzt angeordneten Gaszufuhrkanälen (39) kleinen Durchmessers für jede Ringnut (37), wobei die Gaszufuhrkanäle (39) jeweils mit ihren zugehörigen Ringnuten (37) in Verbindung stehen, und

einen Gasdurchlaß (312, 38) zur Verbindung der Gaszufuhrkanäle (39) mit der Druckgasquelle aufweist,

daß das Axiallager

axiale Lagerflächen (32b) mit jeweils mehreren, zum jeweiligen Axiallagerspalt hin offenen Kreisnuten (310), deren innerste nahe der radialen Lagerfläche (32a) und deren äußerste nahe dem nicht verengten radialen Außenumfang der rotierbaren Welle (31) liegt, sowie

eine Vielzahl von Gaszufuhrkanälen (311) kleinen Durchmessers für die Kreisnuten (310), die jeweils mit der zugehörigen Kreisnut (310) in Verbindung stehen, um diese mit dem Gasdurchlaß (312, 38) zu verbinden,
aufweist,

und daß Verbindungsleitungen zwischen der radialen Lagerfläche (32a) und den axialen Lagerflächen (326) über Auslässe (33; 312), die durch die Welle (31) verlaufen, mit der Umgebung in Verbindung stehen.
13. Gaslager nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Ringnut (35) vorgesehen ist, welche die innere Lagerfläche (32a) des Radiallagers teilt und die mit einem radialen Auslaß (36) verbunden ist,

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D —

daß auch noch weitere umlaufende Ringnuten (37) nahe der teilenden Ringnut (35) angeordnet sind, und daß eine Vielzahl von diesen weiteren umlaufenden Ringnuten (37) zugeordneten, jeweils in die zugeordnete Ringnut (37) mündende Gaszufuhrkanälen (39) vorgesehen sind.
14. Gaslager, das als Radiallager ausgebildet ist und bei dem Gas unter Druck von einer Druckgasquelle aus in einen radialen Lagerspalt zwischen einer Lagerschale und einer rotierbaren Welle zu deren Abstützung bei Drehung einleitbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerschale mit einer Vielzahl von im Winkel zueinander versetzt angeordneten Gaszufuhrkanälen (44a) kleinen Durchmessers versehen ist, die zum Lagerspalt hin offen und nahe den beiden Enden des Lagers (42) angebracht sind,

daß ein Gasdurchlaß (45) zum Anschluß der Gaszufuhrkanäle (44a) an der Druckluftquelle vorgesehen ist, und daß an der rotierbaren Welle (41) mehrere rings umlaufende Ringnuten (43a) angebracht sind, die jeweils an den Mündungen der Gaszufuhrkanäle (44a) gegenüberliegenden Stellen auf der Welle (41) vorgesehen und zum Lagerspalt hin offen sind.
15. Gaslager, das als Axiallager ausgebildet ist und bei dem aus einer Druckgasquelle Gas unter Druck in den Lagerspalt zwischen einer Lagerfläche und einem rotierbaren Wellenbund zur Dreh-Abstützung einleitbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der rotierbare Wellenbund (41) mit ihm einstückig ausgebildete axiale Lagerplatten (48) aufweist, die den beiden axialen Abschlußflächen der Lagerschale (42) gegenüberliegen, wobei jede der Lagerplatten (48) mit mehreren konzentrisch angeordneten, zum Lagerspalt hin offenen Kreisnuten (43b) versehen ist, deren innerste nahe der inneren Umfangsflache des Lagers (42) und deren äußere nahe dem Außen-

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umfang der axialen Lagerplatte (48) angebracht ist, und daß die Lagerschale (42) mit mehreren konzentrisch angeordneten, axial nur kurzen Gaszufuhrkanälen (44b) versehen ist, die zum jeweiligen Lagerspalt hin offen sind, den konzentrischen Kreisnuten (43b) des Wellenbundes (41) gegenüberliegen, im Winkel zueinander versetzt angeordnet und über einen Gasdurchlaß (45) mit der Druckgasquelle verbunden sind.

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