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Dokumentenidentifikation DE19835339A1 17.02.2000
Titel Luftlager, insbesondere für die Welle einer Motorspindel
Anmelder Jäger, Alfred, 61239 Ober-Mörlen, DE
Erfinder Jäger, Alfred, 61239 Ober-Mörlen, DE
Vertreter L. Haar und Kollegen, 61231 Bad Nauheim
DE-Anmeldedatum 05.08.1998
DE-Aktenzeichen 19835339
Offenlegungstag 17.02.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 17.02.2000
IPC-Hauptklasse F16C 32/06
IPC-Nebenklasse B23B 19/02   B25F 5/00   
Zusammenfassung Ein Luftlager (1) für eine mit hoher Umfangsgeschwindigkeit drehbare Welle (2) einer Motorspindel zum Antrieb eines Bearbeitungswerkzeugs weist eine Welle (2) mit Lagerflächen (3, 5, 6) und mit mehreren Lagertaschen (13) versehene Gegenlagerflächen (9, 11) von Lagerelementen (8, 10) auf. Die Lagertaschen (13) sind über Bohrungen (14, 15) in den Lagerelementen (8, 10) mit einer Druckluftquelle verbunden. Die Lagerelemente (8, 10) bestehen aus Graphit, wodurch das Luftlager (1) durch eine Kurzzeitüberlastung in seiner Funktion nicht beeinträchtigt wird.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Luftlager für einen mit hoher Umfangsgeschwindigkeit drehbaren Rotor, insbesondere für die Welle einer Motorspindel zum Antrieb eines Bearbeitungswerkzeugs, wobei zwischen einer Lagerfläche des Rotors und einer Gegenlagerfläche eines Lagerelements ein Luftspalt vorgesehen ist und die Gegenlagerfläche mehrere Lagertaschen aufweist, die über Bohrungen im Lagerelement mit einer Druckluftquelle verbunden sind.

Luftlager werden vor allem zur Lagerung von mit sehr hoher Drehzahl und entsprechend hoher Umfangsgeschwindigkeit rotierenden Wellen eingesetzt, um den Reibungswiderstand des Lagers und die daraus resultierende Lagererwärmung beherrschen zu können. Bei Luftlagern wird der Rotor von Luftpolstern getragen, die mit Hilfe der mit Druck zugeführten Luft in dem Luftspalt zwischen Lagerfläche und Gegenlagerfläche erzeugt werden und die eine Berührung von Lagerfläche und Gegenlagerfläche verhindern. Die berührungsfreie Lagerung des Rotors ist nicht nur während dessen Drehung sondern auch bei Stillstand des Rotors gegeben. Im Betrieb, d. h. bei schneller Drehung des Rotors sind Luftlager sehr empfindlich gegen Überlastung. Kommt es bei schnellaufendem Rotor durch Überschreiten der durch die Tragfähigkeit der Luftpolster bestimmten maximalen Lagerbelastung zu einem Kontakt zwischen der Lagerfläche und der Gegenlagerfläche, so verursacht die hierbei auftretende Reibung infolge der hohen Relativgeschwindigkeit zwischen der Lagerfläche und der Gegenlagerfläche augenblicklich eine so starke Erwärmung und Verformung der metallischen Lagerwerkstoffe, daß das Lager blockiert und völlig zerstört wird. Diese Empfindlichkeit gegen Überlastung bereitet vor allem bei der Verwendung von Luftlagern zur Lagerung der Welle von hochtourigen Motorspindeln, die zum Antrieb von spanenden Bearbeitungswerkzeugen eingesetzt werden, erhebliche Probleme, da es bei der Steuerung der Motorspindelbewegung vorkommen kann, daß durch einen Fehler die zulässige Lagerbelastung überschritten und dadurch das Motorspindellager zerstört wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Luftlager der angegebenen Art zu schaffen, das durch eine Kurzzeitüberlastung in seiner Funktion nicht beeinträchtigt wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Gegenlagerfläche des Lagerelements aus Graphit besteht. Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei der das Lagerelement selbst aus Graphit hergestellt ist.

Graphit ist als Lagerwerkstoff grundsätzlich bekannt. Hierbei werden jedoch vornehmlich in langsam laufenden, trockenen oder mit einer niedrigviskosen Flüssigkeit, zum Beispiel Wasser, geschmierten Gleitlager die besonderen Gleiteigenschaften von Graphit ausgenutzt. Für die Gestaltung extrem schnell laufender Luftlager konnte der Fachmann aus diesen bekannten Anwendungen von Graphit keine Erkenntnisse gewinnen.

Die erfindungsgemäße Ausbildung der Gegenlagerfläche eines Luftlagers aus Graphit hat überraschend gezeigt, daß es bei einer kurzzeitigen Berührung der metallischen Lagerfläche mit der Gegenlagerfläche aus Graphit nicht zu einer die Lagerfunktion beeinträchtigenden Veränderung der Lager- und Gegenlagerfläche kommt. Selbst bei Umfangsgeschwindigkeiten der Lagerfläche von 10.000 ms-1 bleibt bei einer Berührung die metallische Lagerfläche des Rotors im wesentlichen unverändert und wird lediglich durch Graphitstaub etwas geschwärzt. An der Gegenlagerfläche aus Graphit kann es zu geringem Materialabtrag und auch zur Bildung kleiner Riefen kommen, durch die Funktion des Lagers jedoch nicht beeinträchtigt wird. Bei einer Vielzahl von Berührungen und einem entsprechend größeren Materialabtrag an der Gegenlagerfläche bleibt die Tragfunktion des Lagers bestehen, so lange der Luftspalt des Lagers im Verhältnis zur zugeführten Luftmenge nicht zu groß wird. Handelt es sich um ein Axiallager, so kann eine erhebliche Zunahme der Lagerluft hingenommen werden, da sich auf der Tragseite immer der geeignete Luftspalt einstellt. Ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Lagergestaltung ist darin zu sehen, daß auch bei einer Beschädigung des Lagers durch zu häufige oder zu lang andauernde Überlastung das Lager mit geringem Aufwand wieder erneuert werden kann. Da es nicht zu einem Festfressen des Lagers kommt, läßt sich das beschädigte Lager ohne weiteres zerlegen. In der Regel erweist sich danach die Lagerfläche des Rotors als nicht oder allenfalls so gering beschädigt, daß sie durch Läppen nachgearbeitet werden kann. Die aus Graphit bestehende Gegenlagerfläche an dem Lagerelement wird durch Erneuerung des entsprechenden Bauteils wieder in betriebsfähigen Zustand versetzt. Im Gegensatz hierzu müssen bei den bekannten Luftlagern beide Teile, Rotor und Lagerelement nach einer Überlastung des Lagers erneuert werden, da der Rotor sich in dem Lagerelement festfrißt, so daß er von diesem nur schwer getrennt werden kann. Vorteilhaft ist auch, daß Graphit von Feuchtigkeit und Kondenswasser aus der Luft nicht angegriffen wird.

Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung kann anstelle der Gegenlagerfläche des Lagerelements auch die Lagerflächen des Rotors aus Graphit oder einem graphitähnlichen Kohlenstoffmaterial, zum Beispiel aus Kohlenstoffasern bestehen. Wesentlich ist hierbei allerdings, daß der die Lagerfläche bildende Graphitkörper eine solche Festigkeit hat, daß er die aus der Radialbeschleunigung resultierenden Zugkräfte aufnehmen kann. Die Gegenlagerfläche besteht hierbei vorzugsweise aus Metall oder aus Graphit.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist.

Die Zeichnung zeigt ein Luftlager 1 zur radialen und axialen Lagerung einer Welle 2. Die Welle 2 weist eine zylindrische Lagerfläche 3 und einen Ringbund 4 mit zwei parallelen, einander abgekehrten, kreisringförmigen Lagerflächen 5, 6 auf. In einem die Welle 2 umgebenden Gehäuse 7 sind zur Radiallagerung ein hülsenförmiges Lagerelement 8 mit einer hohlzylindrischen Gegenlagerfläche 9 und zur Axiallagerung beiderseits des Ringbunds 4 ringscheibenförmige Lagerelemente 10 mit einander zugekehrten, in Radialebenen liegenden Gegenlagerflächen 11 vorgesehen. Zwischen den Lagerelementen 10 befindet sich ein Distanzring 12, dessen axiale Breite um den erforderlichen Lagerspalt größer ist als die axiale Breite des Ringbunds 4. In der Gegenlagerfläche 9 des Lagerelements 8 befinden sich Lagertaschen 13, die entlang zweier im Abstand voneinander angeordneter Umfangslinien in gleichem Umfangsabstand voneinander angeordnet sind. Ebenso sind in den Gegenlagerflächen 11 der Lagerelemente 10 auf einem Kreisbogen in gleichem Abstand voneinander Lagertaschen 13 vorgesehen. Die Lagertaschen 13 stehen über Drosselbohrungen 14 mit Versorgungsbohrungen 15 in Verbindung, denen über Ringnuten 16 im Gehäuse 7 Druckluft zugeführt wird. Weiterhin sind an die Gegenlagerflächen 9, 11 angrenzend Ringkammern 17 vorgesehen, die entweder unmittelbar oder über Entlastungsbohrungen 18 mit der Atmosphäre in Verbindung stehen.

Bei dem beschriebenen Luftlager besteht die Welle 2 einschließlich des angeformten Ringbunds 4 aus gehärtetem VA-Stahl. Die Lagerflächen 3, 5, 6 sind mit höchster Formgenauigkeit und feinstgeläppter Oberfläche hergestellt. Die Lagerelemente 8, 10 bestehen aus Graphit, ihre Gegenlagerflächen 9, 11 weisen die gleiche Formgenauigkeit und Oberflächengüte wie die Lagerflächen 3, 5, 6 auf. Die Lagerspalte zwischen den Lagerflächen und den Gegenlagerflächen liegt im Bereich von 0,01 bis 0,02 mm.

Im Betrieb werden zwischen den Lagerflächen 3, 5, 6 und den Gegenlagerflächen 9, 11 durch die mit Druck zugeführte Luft im Bereich der Lagertaschen Luftpolster erzeugt, die die Lagerflächen 3, 5, 6 der Welle 2 zwischen den Gegenlagerflächen 9, 11 der Lagerelemente 8, 10 zentrieren und eine Berührung zwischen den Lagerflächen und Gegenlagerflächen verhindern. Die kontinuierlich zugeführte Luft entweicht über die Lagerspalte in die Ringkammern 17, wodurch auch bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten von 10.000 ms-1 die erforderliche Kühlung erreicht wird. Kommt es durch zu hohe Belastung des Luftlagers zu einer kurzzeitigen Überschreitung der Tragfähigkeit der Luftpolster und damit zu einer Berührung zwischen einer mit hoher Umfangsgeschwindigkeit rotierenden Lagerfläche und einer Gegenlagerfläche, so wird durch die auftretende Reibung etwas Graphitmaterial von der Gegenlagerfläche abgetragen, wobei die Lagerfläche und die Gegenlagerfläche der hierbei möglichen Erwärmung widerstehen. Der Materialabtrag ist so feinkörnig, daß er durch die Lagerluft aus dem Lagerspalt heraus gefördert wird und ein Festklemmen des Lagers nicht eintritt. Selbst nach zahlreichen Wiederholungen derartiger Überlastungen des Lagers bleiben die Veränderungen von Lagerfläche und Gegenlagerfläche so gering, daß die Funktionsfähigkeit des Lagers nicht beeinträchtigt wird. Lediglich der Lagerspalt wird größer. Eine Überholung des Lagers ist erst erforderlich, wenn die Vergrößerung des Lagerspalts so weit zugenommen hat, daß die Bewegungsfreiheit der Welle zu grob wird. Der Aufwand einer Lagerüberholung ist jedoch vergleichsweise gering. Die abgenutzten Lagerelemente können durch neue ersetzt werden und die Lagerflächen der Welle müssen in der Regel nur nachgeläppt werden. Eine vollständige Erneuerung der Welle, wie es bei herkömmlichen Luftlagern bereits nach einmaliger Überlastung die Regel ist, entfällt.


Anspruch[de]
  1. 1. Luftlager für einen mit hoher Umfangsgeschwindigkeit drehbaren Rotor, insbesondere für die Welle einer Motorspindel zum Antrieb eines Bearbeitungswerkzeugs, wobei zwischen einer Lagerfläche des Rotors und einer Gegenlagerfläche eines Lagerelements ein Luftspalt vorgesehen ist und die Gegenlagerfläche mehrere Lagertaschen aufweist, die über Bohrungen im Lagerelement mit einer Druckluftquelle verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenlagerfläche (9, 11) des Lagerelements (8, 10) aus Graphit besteht.
  2. 2. Luftlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gesamte Lagerelement (8, 10) aus Graphit hergestellt ist.
  3. 3. Luftlager nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerfläche (3, 5, 6) des Rotors (2) aus Graphit oder einem graphitähnlichen Kohlenstoffmaterial besteht.






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