DE3815029A1 - Gasstatisches lager mit geteilter lagerschale - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein gasstatisches Lager nach dem Oberbegriff des 1. Anspruchs. Gasstatische Lager, bei denen das die Trag- und Schmierfunktion übernehmende Gas (üblicherweise Luft) dem Lagerspalt über eine Lagerschale zugeführt wird, die aus einem porösen Material, z. B. aus Sintermetall hergestellt ist, sind bekannt. Wird eine solche Lagerschale nach dem von der Anmelderin in der DE-C-32 30 232 vorgeschlagenen Verfahren mit einer an seiner an den Lagerspalt angrenzenden Oberfläche verdichteten Struktur verwendet, so genügen die Eigenschaften des Lagers, insbesondere sein Schwingungsverhalten den Anforderungen für die meisten Verwendungszwecke.

Dies wird auch dadurch erreicht, daß der Lagerspalt so klein wie möglich gehalten wird. Die unter der Wirkung der radialen Belastung auf die Welle unvermeidlicherweise eintretende über den Umfang ungleichmäße Spalthöhe, die sonst zu einem ungleichmäßigen Reibmoment führt, das seinerseits zu einem ständig wiederholten Versetzen der Welle entgegen ihrer Drehrichtung und damit zur Schwingungsanregung führt, spielt dann keine so große Rolle mehr. Der Verringerung des Lagerspaltes sind jedoch Grenzen gesetzt, so durch die fertigungstechnisch kaum zu vermeidenden geringen Geometrieab­ weichungen in Lagerschale und Welle, als auch insbesondere wenn das Lager über einen großen Temperaturbereich hinweg betrieben werden soll; die wegen der Werkstoffunterschiede zwischen Welle und Lagerschale verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffi­ zienten beeinflussen dann zusätzlich die Breite des Lagerspaltes.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein gasstatisches Lager, bei dem der mit Rücksicht auf das Betriebs-, insbesondere das Schwingungsverhalten optimale Lagerspalt realisiert werden kann und das zugleich über einen weiten Temperaturbereich funktionsfähig bleibt. In besonderer Ausgestaltung sollte das Lager darüber hinaus auch eine gasdynamische Komponente aufweisen, um die Tragkraft zu erhöhen.

Der erste Teil der Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des 1. Anspruchs angeführten Merkmale gelöst. Durch die Teilung der Lagerschale in mehrere sowohl radial als auch in bezug auf ein etwaiges Verkanten unabhängige Segmente (zweckmäßigerweise wenigstens drei) wird die Möglichkeit geschaffen, daß sich die Lagerschale an kleine Geometrieänderungen der Welle ohne Veränderung der Lagerspaltbreite anpassen kann. Diese wird durch den Gasdruck vorgegeben, der selbstverständlich dazu ausreichen muß, die Kraft der die Segmente an die Welle pressenden Federelemente zu überwinden. Durch eine Änderung des Gasdrucks kann das Lager verschiedenen Belastungszuständen angepaßt werden.

Wird das Lager gemäß dem im 2. Anspruch gemachten Vorschlag ausgeführt, so kann auch der unterschiedlichen radialen Belastung der einzelnen Segmente (das unter der Welle liegende wird dabei durch die zusätzliche Wirkung der Schwerkraft am stärksten belastet) Rechnung getragen werden.

Die im 3. Anspruch geforderte Einstellbarkeit der Federelemente gewährleistet die oben angesprochene Möglichkeit, das Lager bei verschiedenen Gasdrücken und trotzdem gleichbleibendem Lagerspalt zu betreiben.

Der zweite Teil der Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der in die einzelnen Lagersegmente eingeleitete Gasdruck sich in Umfangsrichtung der Welle gesehen ändert, etwa ähnlich wie die Einleitung der Bremskraft in die geometrisch ähnlich gebildeten Bremsbacken einer Trommelbremse außermittig erfolgt, um einen Teil der abzubremsenden Kraft selbst zur Erhöhung des Anpreßdruckes der Backen auszunutzen. Hier jedoch führt diese ungleichmäßige Tragkraft dazu, daß sich das Lagersegment in bezug auf die Welle leicht schräg stellt. Das dann zwischen Welle und Lagersegment entstehende keilförmige Gaskissen trägt nicht unwesentlich zur Tragkraft des Lagers bei.

Eine bevorzugte Möglichkeit zur Herstellung eines über den Umfang ungleichmäßig verteilten Gasdruckes bietet die im 5. Anspruch vorgeschlagene Ausgestaltung der Lagerschalensegmente, wobei die geforderte unterschiedliche Porosität an deren Oberfläche (nur diese ist in dem hier angesprochenen Zusammenhang von Bedeutung) bei Anwendung des in der obengenannten Schrift beschriebenen Verfahrens unschwer dadurch herstellbar ist, daß der Grad der Aufätzung der Poren nach dem Verdichten der Oberflächenschicht variiert wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt, und zwar zeigt Fig. 1 einen Querschnitt entsprechend der Linie I-I der Fig. 2 und die Fig. 2 einen Längsaxialschnitt entsprechend der Linie II-II der Fig. 1.

In einem Gehäuse 1 sind mehrere, hier drei kreisringsegment­ förmige Teile 2 der Lagerschale aus einem porösen, an seiner Oberfläche durch Rollieren oder dergleichen verdichteten Sintermetall angeordnet, deren Oberflächenporen durch Elektrokorrosion oder dergleichen in kontrollierter Weise wieder geöffnet wurden. In den Lagerschalensegmenten 2 ruht eine Welle 3, die im Betrieb zum Beispiel den durch den Pfeil angedeuteten Drehsinn haben kann. Die Lagerschalensegmente sind dicht an Trägern 4 befestigt, die je eine Zuführung 5 für aus einer hier nicht dargestellten Quelle stammendes Druckgas aufweisen, das von einem zwischen Lagerschalensegment 2 und Träger 4 gebildeten Verteilerraum 6 (zunächst) gleichmäßig in das poröse Sintermetall eintritt. Bei Aufbringen eines Gasdruckes, der die Kraft von zwischen den Trägern 4 und dem Gehäuse 1 angeordneten Federn 7 übersteigt, heben die Lagerschalensegmente 2 von der Welle 3 ab und letztere wird von dem sich zwischen beiden bildenden Gaspolster getragen. Dabei kann der auf die einzelnen Lagerschalensegmente 2 aufgebrachte Druck durch Variieren der Gaszufuhr so gesteuert werden, daß ein Ausgleich für die zusätzliche Belastung der unteren Lagerschalensegmente 2 durch die Wirkung der Schwerkraft auf die Welle 3 geschaffen wird. Die Federn 7 können aus einem Elastomer hergestellt sein, aber auch wie hier dargestellt aus metallischen Federelementen bestehen, wenn das Lager bei höheren Temperaturen betrieben werden soll. Dabei sollten die Federn 7 gute Dämpfungseigenschaften aufweisen. Die erforderliche Vorspannung der Federn 7 sollte verändert werden können, z. B. durch Spannschrauben 8. Hierdurch kann eine Feinjustierung der Größe des Lagerspaltes zwischen der Welle 3 und den einzelnen Lagerschalensegmenten 2 geschehen, das gesamte Lager kann jedoch auch veränderten Betriebsbedingungen, z. B. einer veränderten radialen Belastung der Welle 3 angepaßt werden. Wird die Porosität der Lagerschalensegmente in Umfangsrichtung gesehen verändert, und zwar von einer hier mit V bezeichneten, dem Drehsinn der Welle 3 entgegengesetzten vorderen Kante abnehmend (durch die veränderte Dichte der Punktsignatur angedeutet; in der Wirklichkeit allerdings nur an deren Oberfläche vorgenommen) zu einer hinteren Kante H, so bildet sich bei sich drehender Welle 3 (am linken unteren Lagerschalensegment übertrieben groß dargestellt) ein keilförmiger Spalt 9. Die dadurch erzeugten dynamischen Auftriebskräfte erhöhen die Tragkraft des Lagers im Betrieb. Die Abfuhr des verbrauchten Lagergases erfolgt über hier nicht dargestellte Öffnungen im Gehäuse 1.

Claims (5)

1. Gasstatisches Lager mit einer Lagerschale aus einem porösen, an seiner Oberfläche verdichteten Werkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerschale in mehrere, unabhängig voneinander elastisch gelagerte und durch Federkraft (7) an die Welle (3) angepreßte Segmente (2) geteilt ist.

2. Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Lagerschalensegmente (2) mit einer eigenen Gaszufuhr (5, 6) versehen ist.

3. Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Federkraft (7) einstellbar (8) ist.

4. Lager nach Anspruch 1 mit gasdynamischer Komponente, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasdruck für jedes Lagerschalensegment (2) ungleichmäßig über seinen Umfangssektor verteilt ist in der Weise, daß er an der der Drehrichtung der Welle (3) entgegengesetzten Kante (V) sein Maximum erreicht.

5. Lager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Grad der Porosität über den Umfangssektor des jeweiligen Lagerschalensegments (2) gesehen abnehmend (V nach H) ist.