DE4016141A1 - Hydrostatisches lager fuer hohe fluessigkeitsdruecke - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein hydrostatisches Lager nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Bei derartigen Lagern dient als Druckflüssigkeit in der Regel ein geeignetes natürliches oder synthetisches Öl. Dies wird bei der Erfindung auch bevorzugt. Das Lager kann aber auch mit einer anderen Flüssigkeit, wie z. B. Luft, Gas oder Wasser gespeist sein.

Bei derartigen hydrostatischen Lagern läuft das bewegliche Lagerteil - meist eine Welle, eine Spindel, eine Schubstange oder ein Schlitten - ohne Berührung mit der tragenden Lagerfläche des umgreifenden Lagers. Das bewegliche Teil wird vielmehr ausschließlich von der Lagerflüssigkeit ge­ tragen, die unter relativ hohem Druck fortlaufend in die Lagertaschen eingespeist wird und unter Abfall auf den Umgebungsdruck durch den ver­ bleibenden Lagerspalt zwischen der Tasche und dem Rand des Lagers ab­ strömt. Wird durch eine äußere Kraft das bewegliche Lagerteil in einer bestimmten Richtung aus der Sollage abgelenkt, so steigt der Druck in der Lagertasche, auf welche das bewegliche Teil zubewegt wurde, aufgrund der Verengung des Spaltes zwischen Lageroberfläche und Welle an, während der Druck an der gegenüberliegenden Seite aufgrund der Vergrößerung des Lagerspaltes absinkt. Auf diese Weise entsteht eine Kraft, die schon bei einer sehr geringen Auslenkung die Welle wieder in die gewünschte Normal­ lage zurückführt. Die durch die Erfindung verbesserten Lager sind nicht nur als Drehlager, wie z. B. als Radiallager und Axiallager, für Wellen und andere rotierende Körper geeignet; sie eignen sich auch für Lager von in einer Richtung ohne Drehung - gegebenenfalls auch mit Drehung - hin- und herbewegten Teilen, wie z. B. von Werkzeugmaschinenschlitten oder Hub­ zylindern. Das Arbeitsprinzip derartiger hydrostatischer Lager ist bei­ spielsweise in der europäischen Patentanmeldung 8 21 09 060.2 der Anmelde­ rin ausführlich beschrieben. Die dort beschriebene Anordnung und Ausbil­ dung der Lagertaschen als geschlossene, also in sich zurücklaufende flache Nuten und Anordnung der Vordrosseln innerhalb der Lagertasche, welche der durch die Vordrossel gespeisten Lagertasche gegenüberliegt, wird auch bei der vorliegenden Erfindung bevorzugt.

Lager mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, bei welchen sich die Lagertaschen und die Vordrosseln verbindende Kanäle sowie die die Vordrosseln speisenden Kanäle zwischen der Lagerbüchse und der Man­ telbüchse erstrecken, zeichnen sich durch große Einfachheit im Aufbau aus, da diese Kanäle sich leicht in eine der Begrenzungsoberflächen der -3-Fuge zwischen Lagerbüchse und Mantelbüchse NC-gesteuert einfräsen lassen. Es genügt dann vielfach eine einzige Radialbohrung, welche durch die Mantelbüchse hindurchführt, um die Zuführleitungen mit der Druckflüs­ sigkeitsquelle zu verbinden. Bei geringen Flüssigkeitsdrücken hat sich eine solche Ausbildung sehr bewährt. Für hohe Flüssigkeitsdrücke, also beispielsweise für Drücke von 100 bis 400 bar, ist eine solche Ausführung jedoch nicht geeignet. Auch bei sorgfältigster Bearbeitung der Außen­ oberfläche der Lagerbüchse und der Innenoberfläche der Mantelbüchse läßt sich selbst bei in die Mantelbüchse eingeschrumpfter Lagerbüchse nicht vermeiden, daß der Druck zumindest aus den Zuführleitungen in die Fuge zwischen den beiden Büchsen eindringt. Zwischen diesen baut sich dann der volle Flüssigkeitsdruck auf. Dieser führt wegen der großen Fläche, auf die er dort wirken kann, zu so erheblichen Verformungen der Lagerbüchse, daß es zum Loslösen des Preßsitzes und somit zu Verschiebungen, zu Leck­ strömen oder sogar zu einer Festkörperberührung zwischen Lagerbüchse und beweglichem Teil kommt, was zu einer raschen Zerstörung führt. Im Prinzip kann man zwar die Lagerbüchse so dickwandig ausbilden, daß sie die ent­ sprechenden Kräfte aufnehmen kann. Das verbietet sich jedoch in der Praxis wegen der dann notwendig werdenden allzu großen Abmessungen der Lagerbüchse, die in der Regel aus relativ weichem Material wie einer Ver­ bundgußbüchse besteht, welche laufflächenseitig mit einer dünnen Gleit­ schicht beschichtet ist.

Die Erfindung will diese Problematik vermeiden und es ermöglichen, daß man ohne übermäßige Verdickung der Lagerbüchse die Vordrosseln mit sehr hohem Druck, beispielsweise von 200 bar und mehr beaufschlagen kann, ohne diese Störungen im Lager befürchten zu müssen.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß zu beiden Seiten der Druckleitungen - gegebenenfalls auch der in der Fuge sich erstreckenden Teile der Überleitungen - nahe denselben Entlastungskanäle mit drucklosem Auslaß verlaufen. Diese Entlastungskanäle kommen mit sehr geringem Querschnitt aus, da in ihnen praktisch keine Strömung statt­ findet. Flüssigkeit kann durch die Fuge zwischen den beiden Büchsen ja nur hindurchsickern. Dadurch daß die Entlastungskanäle nahe den zu ent­ lastenden Leitungen verlaufen, fällt der von den unter Druck stehenden Leitungen sich in die Fuge hinein aufbauende Druck vom Beginn der Strecke von der unter Druck stehenden Leitung zum Entlastungskanal etwa linear auf den in letzterem herrschenden Druck ab. Eine gravierende Verformung der Lagerbüchse und ein großflächiges Hineinwirken des hohen Druckes in den Fügungsspalt des Preßsitzes wird dadurch vermieden.

Wenn es hier heißt, daß die Entlastungskanäle mit drucklosem Auslaß ver­ laufen sollen, so bedeutet dies nicht, daß der Auslaß der Entlastungs­ kanäle genau auf Umgebungsdruck sein muß. Der Druck soll jedoch so gering sein, daß er gegenüber dem Druck in den Druckleitungen vernachlässigbar ist. Am einfachsten ist der Auslaß natürlich auf Umgebungsdruck.

In vielen Fällen genügt es, wenn lediglich die Druckleitungen durch Ent­ lastungskanäle entlastet werden. Bei hohem Druck auch in den Überleitun­ gen, empfiehlt es sich jedoch, auch diesen entsprechende Entlastungskanäle zuzuordnen.

Bevorzugt sind die Entlastungskanäle ebenfalls gemäß dem Merkmal e des Anspruchs 1 ausgebildet. Das erleichtert die Fertigung.

Die Druckleitungen werden vorteilhaft mit der Druckflüssigkeitsquelle durch eine die Mantelbüchse durchsetzende Leitung verbunden.

Nachfolgend ist anhand der beigefügten schematischen Zeichnung ein vor­ teilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben, aus welchem weitere wesentliche und vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung hervor­ gehen.

Fig. 1 zeigt in perspektiver Darstellung ein gemäß der Erfindung ausge­ bildetes Lager für eine umlaufende Welle, wobei die in der Zeichnung rechte Hälfte durch einen vertikalen Axialschnitt weggeschnitten ist.

Fig. 2 zeigt die Ansicht auf die abgewickelte äußere Umfangsfläche der Lagerbüchse des Lagers gemäß Fig. 1.

Das in der Zeichnung gezeigte Lager sei beispielsweise ein solches für eine zylindrische Werkzeugmaschinenspindel. Das Lager kann sinngemäß aber auch beispielsweise für eine konische Spindel ausgebildet sein. Ebenso kann es mit geringen Abänderungen eine hin- und herbewegte, nicht rotie­ rende Schubstange aufnehmen.

Das Lager besitzt eine innere Lagerbüchse 1, die in eine äußere Mantel­ büchse 2 eingeschrumpft ist. Das heißt, die äußere Mantelbüchse 2 sitzt mit erheblicher Vorspannung auf der Lagerbüchse 1. Die einander berühren­ den Flächen der beiden Büchsen sind sehr fein bearbeitet, beispielsweise gehont oder geläppt, so daß sie mit hoher Dichtigkeit aneinander anlie­ gen. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, ist die Mantelbüchse 2 erheblich dickwandiger als die Lagerbüchse 1. Sie ist aus Stahl und kann daher erhebliche radiale Drücke ohne wesentliche Verformungen aufnehmen.

Die Lagerbüchse 1 besteht beispielsweise aus einem weichen Stahl, wie er für Lager üblich ist und ist innen beispielsweise mit einer 0,5 bis 3 mm starken gegossenen Auflage aus einem Lagermetall versehen.

In ausreichendem Abstand von den beiden Stirnwänden des Lagers, von denen eine in Fig. 1 dem Beschauer zugekehrt ist, sind in der Lagerinnenfläche vier gleichmäßig über den Umfang verteilte rechteckige Lagertaschen 3 ausgespart, welche eine Tiefe von beispielsweise 1,5 mm besitzen. Jede Lagertasche 3 ist in Form einer rechteckig verlaufenden Ring-Nut ausge­ bildet, welche ein Feld 4 umschließt. In jedem Feld 4 sind, wie in Fig. 1 voll und in Fig. 2 gestrichelt eingezeichnet, drei in Umfangsrichtung verlaufende Nuten angeordnet. Die jeweils mittlere Nut 5 dient der Zufuhr von von einer Ölpumpe über einen Akkumulator geliefertem Drucköl, dessen Druck beispielsweise 140 bar beträgt. In Axialrichtung zu beiden Seiten der mittleren Nut 5 befinden sich symmetrisch in Bezug auf die Nut 5 angeordnet, zwei Nuten 6, zu welchen das Drucköl im Laufspalt zwischen der Welle und der Lagerbohrungsoberfläche aus der Nut 5 strömen kann. Auf diese Weise wird der Bereich des Lagerspaltes zwischen den Nuten 5 und 6 als Vordrossel für das Drucköl. Von den Nuten 6 wird das Öl jeweils mit dem herabgedrosselten Druck der gegenüberliegenden Lagertasche 3 zugeführt. Die Wirkungsweise einer solchen Lagerung ist bekannt und beispielsweise in der obenerwähnten europäischen Patentanmeldung ausführlich beschrieben.

Zur Speisung der Vordrosseln mit Drucköl sind die Nuten 5 mit Zuführleitungen versehen, welche aus Radialbohrungen 10 bestehen, die von den Nuten 5 zur Außenfläche der Lagerbüchse 1 führen. An der Außenseite der Lagerbüchse 1 schließt an jede der vier Radialboh­ rungen 10 eine Axialnut 11 an, die in Fig. 2 sichtbar ist. Die vier Axialnuten 11 münden in eine in Umfangsrichtung verlaufende Ringnut 12. Die so gebildete Druckleitung ist radial nach außen durch die dicht anliegende Mantelbüchse 2 verschlossen. Die Druckleitung wird über eine nicht gezeigte Radialbohrung in der Mantelbüchse 2 vom Akkumulator mit Drucköl gespeist.

Das durch den Lagerspalt von den Zuführnuten 5 zu den Abführnuten 6 strömende Öl strömt aus den Abführnuten 6 durch Radialbohrungen 7 zur äußeren Umfangsfläche der Lagerbüchse 1. Dort sind die beiden Radial­ bohrungen 7 durch eine Axialnut 14 miteinander verbunden. Ferner erstreckt sich von einem Ende der Axialnut 14 jeweils eine im Prinzip Z-förmig verlaufende Umfangsnut 16 zu einer Radialbohrung 17, welche die der Vordrossel gegenüberliegende Lagertasche 3 mit Drucköl aus der Vordrossel versorgt. Der Verlauf der Überleitungen 16 ist aus Fig. 2 ersichtlich.

Würde man das im Prinzip in der bisher beschriebenen Ausführung funk­ tionsfähige Lager in Betrieb nehmen, so würde wegen des hohen Drucks in den Zuführnuten 11 und 12 dieser Druck sich trotz der Feinheit des Spalts zwischen den Büchsen 1 und 2 in diesen Spalt langsam hinein­ wandern und würde dazu führen, daß die Lagerbüchse 1 trotz relativ stabiler Ausbildung in der Mantelbüchse locker wird, so daß die Festigkeit des Preßverbandes nicht mehr gewährleistet ist. Außerdem können sich als Folge Leckströme ausbilden, die die Regelfunktion des Lagers gefährden. Im schlimmsten Falle würde die Lagerbüchse 1 radial so stark zusammengedrückt, daß sich die Innenfläche des Lagers an das gelagerte Teil anlegen würde, was zu einem Fressen des Lagers führen würde.

Um solche Störungen im Fugenspalt zwischen den beiden Büchsen zu vermeiden, sind gemäß der Erfindung nahe den als Druckleitungen dienenden Nuten 11 und 12 zu beiden Seiten derselben verlaufende Ent­ lastungsnuten 21, 22 und 23 von geringem Querschnitt in der Außen­ oberfläche der Büchse 1 vorgesehen. Dem Grunde nach können diese Entlastungsnuten auch in der Innenoberfläche der Mantelbüchse vorge­ sehen sein. Allein das wäre aufwendig. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, erstreckt sich zu einer Seite der Ringnut 12 die Entlastungsnut 21. An der gegenüberliegenden Seite der Ringnut 12 sind ebenfalls parallel zu dieser verlaufend und parallel im gleichen Abstand um die Nuten 11 herum verlaufend die Entlastungsnuten 22 vorgesehen. Die Entlastungsnuten verlaufen in einem Abstand von den Nuten 11 und 12 der etwa gleich der Breite der Nuten 11 und 12 ist. Je nach Höhe des Druckniveaus kann auch eine Entlastungsnut 23 neben den Verbin­ dungselementen 16 sinnvoll sein.

Bei entsprechender Dimensionierung könnten die vier miteinander nicht unmittelbar in Verbindung stehenden Entlastungsnuten 22 auch mitein­ ander verbunden sein, derart, daß das rechte Ende jeder Nut 22 mit dem linken Ende der benachbarten Nut 22 verbunden ist. In der Praxis könnte dies jedoch vielfach zu allzu geringem Abstand zwischen Ent­ lastungsnut und anderen Drucköl führenden Nuten führen.

Die Entlastungsnuten 21 und 22 sind im Ausführungsbeispiel durch Radialbohrungen 24, 25, die sich von außen bis etwa zur Mitte der Dicke der Lagerbüchse 1 erstrecken, mit axialen Abführbohrungen 27 verbunden. Die Bohrungen 27 können beispielsweise ins Freie oder aber auch in andere aus dem tragenden Bereich des Lagers strömendes Öl auffangende in der Zeichnung nicht gezeigte Nuten strömen, in welchen kein oder nur ein an den Drücken im Lager gemessen vernachlässigbarer Druck herrscht.

Auf diese Weise kann der Hochdruck, mit dem die Vordrosseln gespeist werden, nur in den schmalen Bereichen zwischen den Druckleitungen und den Entlastungsnuten sich aufbauen, wobei dieser Druck auch noch vom Rande der Hochdruckleitung bis zum Rande der Entlastungsnut hin bis auf wenigstens angenähert 0 abfällt. Die auf diese Weise auftretenden Radialdrücke können von der entsprechend stark bemessenen Lagerbüchse ohne störende Verformungen aufgenommen werden.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich, können ohne weiteres auch sinngemäß parallel zu den Überleitungsnuten 16 und 14 Entlastungsnu­ ten verlaufen. Da in letzteren der Druck jedoch nur einen Bruchteil des Hochdrucks beträgt, kann man in vielen Fällen von Entlastungs­ nuten für die Überleitungsnuten 14 und 15 absehen. Aus diesem Grund und auch der Übersichtlichkeit halber sind daher solche weiteren Entlastungsnuten in der Zeichnung nicht dargestellt.

Wenn hier in der Beschreibung und den Patentansprüchen davon gespro­ chen ist, daß die Druckleitungen, die zwischen der Lagerbüchse und der Mantelbüchse verlaufen, von Entlastungsnuten entlastet werden sollen, so soll damit auch der Fall umfaßt sein, daß radial beide Büchsen durch setzende Druckleitungsbohrungen von entsprechenden Ringkanälen, die nicht notwendig voll in sich geschlossen sein müssen, im Bereich der Fuge zwischen den beiden Büchsen umgeben sein sollen, um dort einen Druckaufbau zu verhindern.

Claims (4)

1. Hydrostatisches Lager mit folgenden Merkmalen:

• a) das Lager (1, 2) besitzt eine innere, das bewegte Teil umgebende Lagerbüchse (1), die mit strammem Sitz, vorzugsweise einem Schrumpf­ sitz, in einer starken, äußeren Mantelbüchse sitzt, welche die Lager­ büchse (1) radial von außen abstützt;
• b) in der Innenoberfläche der Lagebüchse (1) ist gleichmäßig über den Umfang verteilt eine Mehrzahl von Lagertaschen oder Drucktaschen (3) angeordnet;
• c) die Vordrosseln für die Lagertaschen (3) sind jeweils von letzteren gegenüberliegenden Bereichen des Lagerspalts gebildet;
• d) die die Vordrosseln bildenden Bereiche des Lagerspalts werden jeweils in Durchströmungsrichtung von Zuführ- und Abführvertiefungen (5, 6) begrenzt, die über die Lagerbüchse (1) von außen nach innen durchsetzende Zuführleitungen (10) mit der Druckflüssigkeitsquelle bzw. über die Lagerbüchse (1) von innen nach außen und dann wieder von außen nach innen durchsetzende Überleitungen (7, 14, 16, 17) mit der jeweils gegenüberliegenden Tasche (3) in Verbindung stehen;
• e) die Zuführleitungen (10) sind miteinander und/oder mit der Druck­ flüssigkeitsquelle über Druckleitungen (11, 12) verbunden, die als in der Innenoberfläche der Mantelbüchse (2) oder - wie das bevorzugt wird - in der Außenoberfläche der Lagerbüchse (1) vorgesehene Nuten (11, 12) ausgebildet sind, welche durch die Außenoberfläche der Lagerbüchse bzw. die Innenoberfläche der Mantelbüchse verschlossen sind. In gleicher Weise sind die in der Fuge zwischen Mantel- und Lagerbüchse verlaufen­ den Teile (14, 16) der Überleitungen ausgebildet;

dadurch gekennzeichnet, daß zu beiden Seiten der Druckleitungen (11, 12) - gegebenenfalls auch der in der Fuge verlaufenden Teile (14, 16) der Überleitungen - nahe denselben Entlastungskanäle (21, 22) mit drucklosem Auslaß verlaufen.

2. Die Entlastungskanäle sind ebenfalls gemäß Merkmal e) des Anspruchs 1 ausgebildet.

3. Die Druckleitungen sind mit der Druckflüssigkeitsquelle durch eine die Mantelbüchse durchsetzende Leitung verbunden.