PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE19538559C2 06.03.2003
Titel Stützlager für eine mit magnetischen Lagern gelagerte Welle
Anmelder Smiths Industries Aerospace & Defense Systems Inc. (n.d. Gesetzen d. Staates Delaware), Malevern, PA, US
Erfinder Eakman, Kenneth J., Oregon, Ill., US;
Coons, Terry L., Dayton, Ohio, US;
Andres, Michael, Rockford, Ill., US;
Miller, Lance F., Rockford, Ill., US
Vertreter HOEGER, STELLRECHT & PARTNER PATENTANWÄLTE, 70182 Stuttgart
DE-Anmeldedatum 17.10.1995
DE-Aktenzeichen 19538559
Offenlegungstag 25.04.1996
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 06.03.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.03.2003
IPC-Hauptklasse F16C 32/06
IPC-Nebenklasse F16C 32/04   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Stützlager zur Verwendung in Verbindung mit einer drehbaren Welle, welche normalerweise durch primäre Radiallager derart gelagert wird, daß sie um eine vorgegebene Drehachse drehbar ist, wobei für die rotierende Welle in den primären Lagern ein Mindest-Betriebsarbeitsspalt vorgesehen ist.

Speziell befaßt sich die Erfindung mit einem hydrodynamischen Luft-Radiallager zum Einsatz als Stützlager bzw. Hilfslager.

Das Stützlager gemäß vorliegender Erfindung ist besonders geeignet als Stütz- bzw. Hilfslager in Verbindung mit elektrisch betätigten und elektronisch gesteuerten magnetischen Radiallagern, obwohl es auch für den Einsatz in Verbindung mit Kugellagern oder anderen Fluidfilm-Lagern geeignet ist.

Stützlager werden in einer Maschine in Verbindung mit magnetischen Lagern verwendet, um zu verhindern, daß eine Welle nicht-rotierende Bauteile berührt. Wenn die Maschine abgeschaltet ist und die Welle sich nicht dreht, liegt sie auf den Stützlagern auf. Ehe die Welle sich zu drehen beginnt, heben die magnetischen Lager die Welle durch magnetische Kräfte schwebend nach oben bis zu einer vorgegebenen Drehachse von den Stützlagern ab. Diese Drehachse ist typischerweise durch den geometrischen Mittelpunkt der magnetischen Lager definiert. Die magnetischen Lager halten die Welle während des normalen Betriebes auf ihrer vorgegebenen Drehachse oder in der Nähe derselben. Für den Fall, daß die magnetischen Lager wegen eines Ausfalls der elektronischen Steuerung oder der Stromversorgung versagen, übernehmen die Stützlager die Lagerung der rotierenden Welle.

Da die rotierende Welle nicht in Kontakt mit den Bauteilen der magnetischen Lager gelangt, tritt an diesen kein mechanischer Verschleiß auf, so daß sie eine hohe Lebensdauer haben. Aus diesem Grunde sind magnetische Lager besonders für solche Anwendungen geeignet, in denen die Wartungszeiten teuer sind und in denen die Lager an schwer zu erreichenden Stellen montiert werden müssen. Magnetische Lager sind außerdem für die Lagerung von mit hoher Drehzahl laufenden Wellen sowie für solche Anwendungen geeignet, in denen die Reibungsverluste auf ein Minimum reduziert werden müssen.

Normalerweise werden für magnetische Lager Kugellager als Stütz- bzw. Hilfslager verwendet. Kugellager sind jedoch mit den Betriebsbedingungen, die zur Wahl von magnetischen Lagern als Hauptlagern geführt haben, nicht besonders kompatibel. Insbesondere sind Kugellager im allgemeinen nicht für die Lagerung von mit hoher Drehzahl laufenden Wellen geeignet, was teilweise auf die von den Kugeln bzw. den Wälzelementen erzeugte Reibung zurückzuführen ist. Zur Vermeidung einer kontinuierlichen Belastung durch Reibungskräfte und zur Vermeidung eines kontinuierlichen Verschleißes der Wälzelemente während des normalen Betriebes sind Kugellager im allgemeinen derart angeordnet, daß ihre Mittelpunkte mit der vorgegebenen Drehachse zusammenfallen, so daß sie bei störungsfrei arbeitenden magnetischen Lagern passive Bauelemente darstellen. Für den Fall, daß die magnetischen Lager versagen, fällt die Welle aus der Position, die sie in ihrem Schwebezustand einnimmt nach unten und erfaßt die inneren Lagerringe der als Stützlager dienenden Kugellager. Dabei werden die Kugeln und die Lagerringe aufgrund der sich ergebenden Beschleunigung und der Stoßkräfte einer Gleitbewegung unterworfen und unterliegen einem Verschleiß. Während dieser Verschleiß der Kugellager in einigen Fällen akzeptabel sein kann, da die Kugellager den Rest der Maschinen gegen Schäden schützen, ist im allgemeinen eine Fortsetzung der Drehbewegung der Welle mit der ursprünglichen Betriebsdrehzahl wegen des kontinuierlichen Verschleißes der Wälzelemente und der daraus resultierenden Abwälzreibung, die höher ist als die normale Reibung, nicht praktikabel. Ein vorzeitiger Verschleiß der Wälzelemente bedeutet außerdem, daß die als Stützlager dienenden Kugellager häufig ersetzt werden müssen, nachdem sie ihre Hilfs- bzw. Stützfunktion erfüllt haben. Wenn also ein Versagen der magnetischen Lager auf ein elektrisches, nicht maschinenbezogenes Problem zurückzuführen ist, muß also mit anderen Worten die im übrigen einwandfrei funktionierende Maschine stillgesetzt werden, um die Stützlager zu ersetzen.

Hydrodynamische Luftlager, d. h. Fluidfilm-Lager, welche mit Luft als Stützmedium arbeiten, stellen als Hilfslager für magnetische Radiallager gegenüber Kugellagern eine attraktive Alternative dar. Ähnlich wie magnetische Lager sind Luftlager geeignet mit hoher Drehzahl laufende Wellen zu lagern. Luftlager erleiden beim Anlaufen und Stillsetzen der Welle einen Verschleiß, und zwar zunächst in der Phase ehe die Welle hydrodynamisch von der Innenfläche des Lagers abgehoben wird, und anschließend nachdem die Drehzahl der Welle auf einen Wert abgesunken ist, der nicht mehr ausreicht um die hydrodynamisch entwickelte Schicht bzw. das Luftkissen aufrechtzuerhalten. Luftlager unterliegen jedoch während des normalen Betriebes keinem Verschleiß, da die Welle auf einer Luftschicht bzw. einem Luftkissen läuft. Wenn sich die Welle mit einer Drehzahl dreht, die im Arbeitsbereich der Luftlager liegt, und wenn dann die magnetischen Lager versagen, entwickelt sich die hydrodynamische Schicht, wenn die Welle aus ihrer Schwebeposition absinkt, und die Luftlager beginnen, die rotierende Welle auf einem Luftfilm zu lagern, ohne daß dabei ein ins Gewicht fallender Verschleiß auftritt. Für den Fall, daß die Zufuhr der elektrischen Energie zu den magnetischen Lagern wiederhergestellt wird, während die Welle sich noch dreht und von dem Luftfilm getragen wird, werden die Luftlager erneut zu passiven Bauteilen, ohne daß sie einem zusätzlichen Verschleiß unterworfen worden wären. Da Luftlager ferner so konstruiert sind, daß sie zahlreiche Start/Stopp- Zyklen aushalten, sind sie ferner in der Lage, dem Verschleiß beim Stillsetzen der Welle wiederholt zu widerstehen, wenn die Welle wegen eines Versagens der magnetischen Lager stillgesetzt werden muß, ohne daß damit häufige Wartungsarbeiten an der Maschine zum Ersetzen der Luft-Stützlager verbunden wären. Da die Betriebsreibung von Luftlagern relativ niedrig ist, bieten Luftlager außerdem die Möglichkeit für eine Fortsetzung des Betriebes der Maschine mit einer Wellendrehzahl im Bereich der normalen Betriebsdrehzahl.

Trotz der vorstehend erläuterten möglichen Vorteile, die Luftlager gegenüber Kugellagern bieten, war der Einsatz von Luftlagern als Stützlagern für magnetische Lager bisher aus verschiedenen Gründen nur begrenzt erfolgreich. Der radiale Betriebs-Arbeitsspalt zwischen einer rotierenden Welle und einem Luftlager muß nämlich klein sein (beispielsweise 0,0002 bis 0,0005"" (0,005 bis 0,013 mm)), um einen stabilen Betrieb des Luftlagers zu erreichen und die Entwicklung einer Druckdifferenz zu ermöglichen, wie sie für die hydrodynamische Erzeugung des Luftfilms zwischen der rotierenden Welle und dem Inneren des Luftlagers erforderlich ist. Wenn der radiale Betriebs-Arbeitsspalt eines Luftlagers mit dem radialen Betriebs-Arbeitsspalt zwischen der rotierenden Welle und den Bauteilen des magnetischen Lagers verglichen wird (beispielsweise im allgemeinen 0,010" (0,254 mm oder mehr)), dann ist das Montieren des Luftlagers in der Weise, daß dieses bezüglich der vorgegebenen Drehachse zentriert ist, extrem schwierig. Außerdem muß der Positionsfehler der magnetischen Lager, wenn man davon ausgeht, daß die Luftlager erfolgreich bezüglich der vorgegebenen Drehachse zentriert wurden, innerhalb des radialen Betriebs-Arbeitsspalts der Luftlager gehalten werden. Außerdem haben Luftlager und magnetische Lager die Tendenz, einander bei rotierender Welle zu stören bzw. zu "bekämpfen". Die hydrodynamischen Kräfte in einem Luftlager bewirken nämlich, daß sich die Welle bezüglich des geometrischen Mittelpunktes des Lagers exzentrisch dreht. Während die magnetischen Lager die Welle auf ihrer vorgegebenen Drehachse oder in der Nähe derselben halten, versuchen die hydrodynamischen Kräfte in Luftlagern die Welle in eine bezüglich dieser Drehachse exzentrische Position zu bewegen. Dieser Unterschied in den Betriebscharakertistiken führt zu einem bedeutsamen Energieverlust in der Maschine. Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß die Schwierigkeiten einer Integration der Abmessungs- und Betriebscharakteristiken von Luftlagern und magnetischen Lagern die Verwendung von Luftlagern als Stützlager für magnetische Lager verhindert haben.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein neues und verbessertes Stützlager anzugeben, bei dem ein Fluidfilm-Lagerelement ein passives Bauteil ist, solange magnetische Radiallager eine rotierende Welle aktiv abstützen, und bei dem das Fluidfilm-Lagerelement die rotierende Welle für den Fall, daß die magnetischen Lager versagen, auf einem Luftfilm lagert.

Diese Aufgabe wird bei einem Stützlager der eingangs angegebenen Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Stützlager ein Gehäuse mit einer inneren Oberfläche aufweist, daß in dem Gehäuse ein Lagerelement angeordnet ist, das das Lagerelement eine äußere Oberfläche und Abstützeinrichtungen aufweist, um die Welle, wenn sie sich dreht und nicht durch die primären Lager abgestützt wird, durch einen Fluidfilm abzustützen, daß zwischen der Welle und den Abstützeinrichtungen ein maximaler radialer Betriebsarbeitsspalt vorgesehen ist und daß Einrichtungen vorgesehen sind, um die Drehung des Lagerelements bezüglich des Gehäuses zu beschränken und gleichzeitig ein radiales Schwimmen des Lagerelements bezüglich des Gehäuses in radialer Richtung über einen maximalen radialen Arbeitsspalt zu gestatten, und daß die Summe der Abmessungen des maximalen radialen Arbeitsspalts und des maximalen radialen Betriebsarbeitsspalts kleiner ist als der radiale Mindest-Betriebsarbeitsspalt der primären Lager, derart, daß das Lagerelement die Welle abstützt und verhindert, daß die Welle nicht-rotierende Bauteile berührt, wenn sie nicht von den primären Lagern getragen wird.

Es ist ein besonderer Vorteil der Erfindung, daß das Lagerelement derart mit einem Spiel in dem Gehäuse gehaltert ist, daß es bei rotierender, durch die magnetischen Lager gelagerter Welle in radialer Richtung in dem Gehäuse "schwimmen" kann.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Stützlagers besteht darin, daß eine Drehbewegung des Fluidfilm-Lagerelements derart eingeschränkt wird, daß die Entwicklung einer Luft-Stützschicht ermöglicht wird, wenn die rotierende Welle nicht von den magnetischen Lagern gelagert wird.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehen anhand von Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer typischen zu einer Drehbewegung antreibbaren Welle, die normalerweise durch elektronisch gesteuerte magnetische Radiallager gelagert wird und der ein erfindungsgemäßes Stützlager zugeordnet ist;

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des Stützlagers gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine perspektivische Explosionsdarstellung des Stützlagers gemäß Fig. 1 und 2;

Fig. 4 eine vergrößerte Draufsicht auf das Stützlager gemäß der Erfindung, gesehen von der Linie 4-4 in Fig. 1, wobei einzelne Teile geschnitten sind;

Fig. 5 einen vergrößerten Querschnitt längs der Linie 5-5 in Fig. 4;

Fig. 6 eine der Darstellung gemäß Fig. 5 ähnliche Darstellung, wobei jedoch die Welle in einer Position dargestellt ist, in der sie von den magnetischen Lagern drehbar gelagert wird;

Fig. 7 eine der Darstellung gem. Fig. 5 ähnliche Darstellung, wobei jedoch die Welle in einer Position dargestellt ist, in der sie von dem Stützlager drehbar gelagert wird;

Fig. 8 einen Querschnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform eines Lagerelements eines Stützlagers gemäß der Erfindung und

Fig. 9 eine schematische Darstellung einer weiteren abgewandelten Ausführungsform eines Stützlagers gemäß der Erfindung.

Während in der Zeichnung und in der nachfolgenden Beschreibung gewisse bevorzugte Ausführungsbeispiele dargestellt sind und detailliert erläutert werden, versteht es sich, daß hinsichtlich der konstruktiven Realisierung der Erfindung zahlreiche Möglichkeiten für Änderungen und/oder Ergänzungen bestehen und daß die Erfindung keineswegs auf die nachstehend erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt werden soll.

Zum Zwecke der Erläuterung ist ein Hilfs- bzw. Stützlager 10 gemäß der Erfindung in Fig. 1 in Verbindung mit einer zu einer Drehbewegung andrehbaren Welle 11 gezeigt, die normalerweise durch zwei oder mehr elektrisch betätigte und elektronisch gesteuerte primäre magnetische Radiallager 12 getragen wird. Das Stützlager 10 ist außerdem zur Verwendung in Verbindung mit anderen primären Radiallagern, beispielsweise Luft-Radiallagern geeignet. Der Einfachheit halber sind in Fig. 1 lediglich ein Stützlager 10 und ein primäres magnetisches Radiallager 12 gezeigt. Für den Fall, daß das primäre magnetische Radiallager 12 versagt, und zwar aufgrund eines Fehlers in der elektrischen Energieversorgung oder in der elektrischen Steuerung für dieses Lager, trägt das Stützlager an der betreffenden Stelle die rotierende Welle.

Wie Fig. 2 zeigt, ist das erfindungsgemäße Stützlager 10 ein in spezieller Weise ausgestaltetes Luft-Radiallager und umfaßt ein Gehäuse 13 und ein hydrodynamisches bzw. ein Fluidfilm-Lagerelement 14, welches in dem Gehäuse angeordnet ist. Das Gehäuse 13 ist im wesentlichen zylindrisch ausgebildet und mit einem einstückig angeformten Flansch 15 versehen, der von einem Ende des Gehäuses 13 in radialer Richtung nach außen vorsteht. Der Flansch 15 besitzt winkelmäßig im Abstand voneinander angeordnete Öffnungen 16 zur Aufnahme von Befestigungsschrauben 17 oder dergleichen (siehe Fig. 1) zur Montage des Stützlagers 10 in einer die Welle 11 umfassenden Maschine. Das Stützlager 10 umfaßt ferner eine ringförmige Schraubenfeder 18 (Fig. 3), die zwischen dem Lagerelement 14 und dem Gehäuse 13 angeordnet ist, sowie weiter unten noch näher zu beschreibende Einrichtungen zum Begrenzen einer Drehbewegung des Lagerelementes 14 in dem Gehäuse 13.

Das Lagerelement 14 besitzt gemäß Fig. 5 eine im wesentlichen zylindrische Außenfläche 19, welche gleitverschieblich von der im wesentlichen zylindrischen Innenfläche 20 des Gehäuses 13 aufgenommen wird. Das Innere 21 bzw. eine zentrale Öffnung des Lagerelements 14 ist derart ausgebildet, daß die rotierende Welle 11 (Fig. 7) durch einen dünnen Luftfilm getragen wird, der sich hydrodynamisch zwischen dem Inneren 21 des Lagerelements 14 und der Mantelfläche 22 der rotierenden Welle 11 entwickelt. Das Innere 21 des Lagerelements 14 bildet vorzugsweise ein zylindrisches Lager, obwohl andere bekannte Lagerformen, wie z. B. symmetrische oder asymmetrische Lager mit bogenförmigen Flächen, die zu verschiedenen hydrodynamischen Effekten führen, ebenfalls zur Verwendung bei dem Stützlager 10 geeignet sind. Das gezeigte Lagerelement 14 ist als einteiliges Element dargestellt; das Lagerelement 14 könnte jedoch alternativ durch Einpressen eines Einsatzes in das Lagerelement oder durch Anbringen einer Beschichtung auf einem Teil des Lagerelements hergestellt werden, derart, daß beispielsweise das Innere 21 des Lagerelements 14 gewisse Material- oder Verschleißcharakteristiken besitzt.

Mit der magnetisch schwebend gehalterten Welle 11 ist bezüglich der Radiallager 12 ein radialer Mindest-Betriebsarbeitsspalt 23 verknüpft. Ehe die Welle 11 zu rotieren beginnt, heben die magnetischen Lager 12 die Welle schwebend bis zum Erreichen einer vorgegebenen Drehachse. Diese Drehachse geht typischerweise durch den geometrischen Mittelpunkt der magnetischen Lager. Die magnetischen Lager versuchen, die Welle während ihrer Drehbewegung auf dieser vorgegebenen Drehachse zu halten; die Welle hat jedoch die Tendenz unter dem Einfluß verschiedener Lastbedingungen, externer Störungen und Steuersignalfehler auszuwandern. Der Mindest-Arbeitsspalt 23, der der magnetisch schwebend gehalterten Welle 11 zugeordnet ist, ist der radiale Abstand bzw. die radiale Strecke, um die die Welle und ihre rotierenden Teile bezüglich der vorgegebenen Drehachse "auswandern" können, ehe es zu einem Kontakt mit der am nächsten angeordneten nicht-rotierenden Komponente kommt. Zum Zwecke der Erläuterung ist der radiale Mindestarbeitsspalt 23 als mittlerer radialer Zwischenraum zwischen dem Außendurchmesser bzw. der Mantelfläche 22 der Welle 11 und dem Innendurchmesser bzw. der Innenfläche der magnetischen Lager 12 dargestellt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Stützlager 10 in spezieller Weise so ausgebildet, daß sich zwischen dem Lagerelement 14 und dem Gehäuse 13 ein Spalt 24 bzw. ein Zwischenraum ergibt, der ein radiales "Schwimmen" des Lagerelementes 14 bezüglich des Gehäuses 13 gestattet. Infolgedessen schwimmt das Lagerelement 14 mit der Welle 11, wenn letztere sich in einer Position in der Nähe ihrer vorgegebenen Drehachse dreht (siehe Fig. 6), und die Druckdifferenz die erforderlich ist, um die rotierende Welle 11 abzustützen, kann sich zwischen dem Inneren 21 des Lagerelements 14 und der Mantelfläche 22 der Welle 11 nicht entwickeln. Diesbezüglich sind also die Stützlager 14 (von denen nur eines gezeigt ist) bezüglich der Welle 11 passive Komponenten bzw. Bauteile, solange die magnetischen Lager 12 wirksam arbeiten. Außerdem ist das Lagerelement 14 selbstausrichtend und muß bezüglich der vorgegebenen Drehachse nicht präzise positioniert werden, da es in der Lage ist, in dem Gehäuse 13 zu "schwimmen" und die vorgegebene Drehachse zu finden.

Bei der Realisierung der Erfindung ist ein maximaler radialer Spalt 24 (Fig. 5) bzw. ein radiales Spiel vorgesehen, innerhalb dessen sich das Lagerelement 14 in radialer Richtung frei in dem Gehäuse 13 bewegen kann, ehe die Installation der Welle 11 erfolgt. Wie in der Zeichnung gezeigt, beträgt die Breite des maximalen radialen Spalts 24 die Hälfte der Differenz der Durchmesser der äußeren zylindrischen Oberfläche 19 des Lagerelements 14 und der inneren zylindrischen Oberfläche 20 des Gehäuses 13. Zwischen dem äußeren Durchmesser bzw. der Mantelfläche 22 der Welle und dem Inneren 21 des Lagerelements 14 ist außerdem ein maximaler radialer Betriebsarbeitsspalt 25 (Fig. 6) vorgesehen. Das Stützlager 10 ist in spezieller Weise so gestaltet und dimensioniert, daß die Summe des maximalen radialen Spalts 24 bzw. des freien Spiels und des maximalen radialen Betriebsarbeitsspalts 25 kleiner ist als der radiale Mindest-Arbeitsspalt 23, der den magnetischen Lagern 12 zugeordnet ist. Diese Einschränkung hinsichtlich der Dimensionierung gewährleistet, daß die Stützlager 10 verhindern, daß die rotierende Welle 11 in Kontakt mit nicht-rotierenden Oberflächen gelangt, falls die magnetischen Lager 12 versagen. Außerdem gewährleistet die beschriebene Einschränkung hinsichtlich der Dimensionierung, daß die Welle 11 bei stehender Maschine und stillstehender Welle 11 auf den Stützlagern 10 aufliegt.

Es soll beispielsweise angenommen werden, daß der maximale radiale Spalt 24 bzw. das Spiel zwischen dem Lagerelement 14 und dem Gehäuse 13 0,005" (0,127 mm) beträgt, daß der maximale radiale Betriebsarbeitsspalt 25 zwischen dem Lagerelement 14 und der Welle 11 0,0005" (0,0127 mm) beträgt und daß der radiale Mindestarbeitsspalt 23 zwischen der Welle 11 und den magnetischen Lagern 12 größer ist als 0,010" (0,254 mm). In diesem Fall beträgt die Summe aus dem maximalen radialen Spalt 24 und dem maximalen radialen Betriebs- Arbeitsspalt 25 0,0055" (0,14 mm) und ist kleiner als der radiale Betriebsarbeitsspalt 23 von 0,010" (0,254 mm). Ehe die Welle in den Schwebezustand gebracht wird, liegt sie in dem Stützlager 10 in einem Abstand von 0,0055" (0,14 mm) vom Mittelpunkt der magnetischen Lager 12 auf und hat einen Abstand von mindestens 0,0045" (0,114 mm) von dem am dichtesten benachbarten nicht-rotierenden Teil. Solange die magnetischen Lager die Positionstoleranz der Welle 11 bezüglich der vorgegebenen Drehachse innerhalb eines Bereichs von +/-0,005" (0,127 mm) halten, ist die hydrodynamische Schicht, die sich zwischen dem Lagerelement 14 und der Welle 11 entwickelt, auf das Gewicht des Lagerelements zurückzuführen. Diese hydrodynamische Schicht gestattet dem Lagerelement 14 ein Schwimmen in dem radialen Spalt 24 mit seiner Breite von 0,005" (0,127 mm), so daß das Lagerelement 14 bezüglich der Welle 11 ein passives Bauteil ist (vgl. beispielsweise Fig. 6).

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Stützlager 10 ferner so ausgebildet, daß es eine Drehbewegung des Lagerelements 14 bezüglich des Gehäuses 13 begrenzt bzw. verhindert. Für den Fall, daß die Welle 11 aus ihrem Schwebezustand herabfällt, fällt das Lagerelement 14 zusammen mit der Welle 11 (Fig. 7) nach unten. Um zu verhindern, daß das Lagerelement 14 zu rotieren beginnt, nachdem es um eine Strecke nach unten gefallen ist, die gleich dem freien radialen Spiel ist, so daß die Außenfläche 19 des Lagerelements 14 die Innenfläche 20 des Gehäuses 13 erfaßt, und nachdem sich die Welle in dem dimensionsmäßigen Betriebsspielraum des Fluidfilms befindet, gestattet das Lager 10 die Entwicklung des die Welle 11 tragenden hydrodynamischen Films zwischen der rotierenden Welle 11 und dem Inneren 21 des Lagerelements 14.

Im einzelnen sind an jedem der Enden des Gehäuses 13 radial nach innen vorstehende Teile bzw. Laschen 26 angeformt, die gleitverschieblich von Schlitzen 27 des Lagerelements 14 aufgenommen werden, um die Drehbewegung des Lagerelements 14 bezüglich des Gehäuses 13 zu begrenzen. Zusätzlich wird die Drehung des Lagerelements 13 bezüglich des Gehäuses 14 durch Laschen 28 begrenzt, die in axialer Richtung von den Enden des Lagerelements 14 abstehen und gleitverschieblich von Schlitzen 29 des Gehäuses 13 aufgenommen werden. Vorzugsweise sind die betrachteten Mittel zum Begrenzen der Drehung des Lagerelements 14 bezüglich des Gehäuses 13 so dimensioniert, daß sie das freie radiale Spiel des Lagerelements, welches durch den maximalen radialen Spalt 24 definiert ist, in dem Gehäuse nicht einschränken. Zu diesen Zweck ist der Abstand 30 (Fig. 4) zwischen den Kanten der Laschen 26 und 28 und den benachbarten Kanten der zugeordneten Schlitze 27 bzw. 29 größer als der maximale radiale Spalt 24. Für den Fall, daß das Spiel bzw. der Abstand 30 kleiner ist als der maximale radiale Spalt 24 wird der maximale radiale Spalt, in dem sich das Lagerelement 14 in dem Gehäuse 13 in radialer Richtung frei bewegen kann, durch diesen maximalen Abstand 30 bestimmt.

Wenn das Lagerelement 14 bei dem betrachteten Ausführungsbeispiel so weit herabfällt, daß die Außenfläche 19 des Lagerelements 14 in Eingriff mit der Innenfläche 20 des Gehäuses 13 gelangt, und wenn die rotierende Welle 11 soweit herabfällt, daß sie sich in einem Abstand von 0,005" (0,127 mm) von dem Inneren 21 des Lagerelements 14 befindet, (vgl. beispielsweise Fig. 7) wird sich zwischen der Welle 11 und dem Inneren 21 des Lagerelements 14 die die Welle 11 tragende hydrodynamische Schicht entwickeln. Da die Bestimmung der tatsächlichen radialen Betriebs- und Arbeitsspielräume von vielen Faktoren abhängig ist, wie z. B. vom Wellendurchmesser, von der Wellendrehzahl und von der betriebsmäßigen Belastung, dienen die als Beispiele angegebenen Abmessungen und Spaltbreiten lediglich der Erläuterung und stellen keine Richtlinien für die Planung oder einen Ersatz für die übliche Konstruktionspraxis dar.

Wenn die Stützlager 10 in Verbindung mit primären Luftlagern (nicht gezeigt) verwendet werden, kann die Welle 11 pneumatisch von den Stützlagern 10 abgehoben werden, ehe sie zu rotieren beginnt; die Stützlager können aber die Welle auch so lange abstützen, bis sie eine vorgegebene Betriebsdrehzahl erreicht. Die oben definierten Dimensionierungsparameter, das heißt der radiale Mindestbetriebsspielraum, der maximale radiale Betriebsspielraum und der maximale radiale Spalt bleiben jedoch gültig.

Das Gehäuse 13 ist gemäß Fig. 3 der Zeichnung als geteiltes Gehäuse ausgebildet und speziell zur Verwendung in einer Maschine mit einem in axialer Richtung geteilten Gehäuse bzw. mit einem Gehäuse mit Halbschalen geeignet. Das Gehäuse 13 umfaßt zwei Gehäuseteile 13A und 13B sowie Zapfen 33 zum fluchtenden Ausrichten dieser beiden Gehäuseteile. An die beiden Gehäuseteile 13A, 13B sind Flansche 15A, 15B einstückig angeformt und an Maschinenflanschen 15C bzw. 15D gesichert. Öffnungen 34A und 34B (Fig. 4) in den Gehäuseteilen 13A und 13B dienen der Aufnahme der Zapfen 33. Wenn die beiden Maschinenflansche 15C und 15D zusammengebaut werden, treffen sich die Gehäuseteile 13A und 13B in einer Ebene, welche im wesentlichen mit einer Ebene durch die geometrische Mitte der Welle 11 zusammenfällt. Die beiden Gehäuseteile können identisch ausgebildet sein oder nahezu identisch mit der Ausnahme, daß die Öffnungen 34a so ausgebildet sein können, daß sie die Zapfen 33 stramm aufnehmen, während die Öffnungen 34B so ausgebildet sind, daß sie die Zapfen jeweils gleitverschieblich aufnehmen. Das Stützlager 10 wird zusammengebaut, indem einfach die beiden Maschinenflansche 15C, 15D, daß heißt die beiden Gehäuseteile 13A, 13B in radialer Richtung gegen das Lagerelement 14 bewegt werden, wobei die Zapfen 33 in Eingriff mit den Öffnungen 34A und 34B gebracht werden. Die Kanten der Laschen 26, 28 und der Schlitze 27, 29 sind so ausgebildet, daß die Laschen von den Schlitzen aufgenommen werden wenn die Gehäuseteile 13A und 13B zusammengebaut werden.

Die ringförmige Schraubenfeder 18 (Fig. 5) zieht sich um das Lagerelement 14 zusammen und ist in einer Ringnut 35 in der Innenfläche des Gehäuses 13 angeordnet. Die Tiefe der Ringnut 35 ist geringer als die Dicke bzw. der Durchmesser der Schraubenfeder 18, derart, daß die Schraubenfeder 18 gegen die Außenfläche 19 des Lagerelements 14 vorgespannt wird. Die Schraubenfeder 18 ist so ausgebildet, daß sie die Tendenz hat, das Lagerelement 14 in dem Gehäuse 13 zu zentrieren, wobei das Lagerelement 14 jedoch seine Fähigkeit behält, sich in dem Gehäuse 13 in radialer Richtung zu bewegen. Wenn die Stützlager 10 die rotierende Welle 11 tragen, trägt die Steifigkeit der Schraubenfeder 18 zur Steifigkeitscharakteristik des hydrodynamischen Lagers bei.

Bei einem abgewandelten Ausführungsbeispiel, welches in Fig. 8 gezeigt ist, ist das Innere 21 des Lagerelements 14 in Form eines bekannten Folienlagers 36 ausgebildet. Das Folienlager 36 kann in Form eines Einsatzes ausgebildet sein, welcher wie gezeigt in dem Lagerelement 14 angeordnet ist oder einstückig mit dem Lagerelement ausgebildet sein. Ein typisches Folienlager umfaßt im allgemeinen rechteckige blattförmige Elemente 37 aus einem dünnen elastischen Material. Die Blätter bzw. Folien werden mit einer schwachen Krümmung hergestellt und in Umfangsrichtung im Abstand voneinander rings um die im wesentlichen zylindrische Innenfläche 38 angeordnet, wobei ein Ende jeder Folie an der Innenfläche 38 gesichert ist. Die gesicherten Folien erstrecken sich in Umfangsrichtung und liegen über ein oder mehreren benachbarten Folien. Die genaue Ausbildung und Dicke der Folien bzw. der blattförmigen Elemente, die gemäß vorliegender Erfindung verwendet werden, beeinflußt den maximalen radialen Betriebs-Arbeitsspalt 25 der Welle 11 in dem Folienlager. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung kann die effektive Foliendicke als die maximale Gesamtdicke der Folie definiert werden, die durch irgendeine radiale Linie hindurchgeht, wenn die Folien gegen die Innenfläche 38 zusammengepreßt werden. Der maximale radiale Betriebs-Arbeitsspalt 25 wird in diesem Fall durch die Hälfte der Differenz zwischen dem Durchmesser der Innenfläche 38 und dem Durchmesser der Mantelfläche 22 der rotierenden Welle 11 abzüglich der wirksamen Foliendicke bestimmt.

Bei einem weiteren abgewandelten Ausführungsbeispiel, welches besonders für die Fälle geeignet ist, in denen das Gehäuse 13 ein einstückiges Gehäuse ist, ist das Lagerelement 14 gemäß Fig. 9 dadurch drehbeweglich bezüglich des Gehäuses 13 gesichert, daß zusammenwirkende Permanentmagnetringe 39, 40 vorgesehen sind, die an dem Gehäuse 13 bzw. an dem Lagerelement 14 befestigt sind. Der Permanentmagnetring 39 ist mit in Umfangsrichtung verlaufenden magnetischen Segmenten versehen, die alternierend aufeinanderfolgende Magnetpole bilden und an der Innenseite 20 des Gehäuses 13 befestigt. Der Permanentmagnetring 40 ist mit einer gleichen Anzahl von in Umfangsrichtung verlaufenden magnetischen Segmenten versehen, die alternierende magnetische Pole bilden. Jedes Segment des Ringes 40 ist an der Außenfläche 19 des Lagerelements 14 gesichert und erstreckt sich über denselben Bogen wie ein entsprechendes Segment des Permanentmagnetringes 39, welches die entgegengesetzte magnetische Polarität hat. Wenn das Lagerelement 14 in dem Gehäuse 13 angeordnet ist, sind die Permanentmagnetringe 39, 40 konzentrisch zueinander angeordnet, so daß die magnetischen Anzugs- und Rückstoßkräfte zwischen den Segmenten der Ringe zusammenwirken, um das Lagerelement 14 in dem Gehäuse 13 in der Nähe der vorgegebenen Drehachse zu zentrieren und um ein freies Herausdrehen des Lagerelements 14 aus einer magnetisch stabilen Winkelposition einzuschränken. Bei der dargestellten Ausgestaltung, bei der jeder der Permanentmagnetringe 39, 40 vier magnetische Segmente besitzt, gibt es zwei magnetisch stabile Positionen, die das Lagerelement 14 einnehmen könnte, nämlich die gezeigte Position und eine gegenüber dieser Position um 180° verdrehte Position. Wenn sich das Lagerelement 14 aus einer stabilen Position herauszudrehen beginnt, bewirken die magnetischen Kräfte eine Rückkehr des Ringes in die stabile Position. Die Permanentmagnetringe 39, 40 könnten auch mit in axialer Richtung alternierenden magnetischen Segmenten ausgebildet werden, und zwar zusätzlich zu den in Umfangsrichtung alternierenden magnetischen Segmenten, um eine axiale Bewegung des Lagerelements 14 bezüglich des Gehäuses 13 einzuschränken bzw. zu verhindern. Gemäß einer Alternative ist es nicht erforderlich, daß sich die magnetischen Segmente aneinander abstützen, um einen geschlossen Ring zu bilden.

Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daß gemäß der Erfindung ein neues und verbessertes Stützlager geschaffen wird, in dem ein Fluidfilm-Lagerelement 14 bezüglich einer rotierenden Welle 11 so lange ein passives Bauteil darstellt, wie magnetische Lager 12 wirksam sind, um die rotierende Welle zu tragen, während das Fluidfilm-Lagerelement die rotierende Welle dann auf einem Luftkissen hydrodynamisch abstützt, wenn die magnetischen Lager versagen. Folglich ist das Stützlager in der Lage, die rotierende Welle kontinuierlich zu tragen und einen wiederholten Stillsetzverschleiß auszuhalten, wie er mit einem Versagen der magnetischen Lager verbunden sein kann, ohne daß eine häufige Wartung der Maschine zum Ersetzen der als Luftlager ausgebildeten Stützlager erforderlich wäre.


Anspruch[de]
  1. 1. Stützlager zur Verwendung in Verbindung mit einer drehbaren Welle, welche normalerweise durch primäre Radiallager derart gelagert wird, daß sie um eine vorgegebene Drehachse drehbar ist, wobei für die rotierende Welle in den primären Lagern ein Mindest-Betriebsarbeitsspalt vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützlager (10) ein Gehäuse (13) mit einer inneren Oberfläche (20) aufweist, daß in dem Gehäuse (13) ein Lagerelement (14) angeordnet ist, daß das Lagerelement (14) eine äußere Oberfläche (19) und Abstützeinrichtungen (21; 37, 38) aufweist, um die Welle (11), wenn sie sich dreht und nicht durch die primären Lager (12) abgestützt wird, durch einen Fluidfilm abzustützen, daß zwischen der Welle (11) und den Abstützeinrichtungen ein maximaler radialer Betriebsarbeitsspalt (25) vorgesehen ist und daß Einrichtungen (26, 27, 28, 29; 39, 40) vorgesehen sind, um die Drehung des Lagerelements (14) bezüglich des Gehäuses (13) zu beschränken und gleichzeitig ein radiales Schwimmen des Lagerelements (14) bezüglich des Gehäuses (13) in radialer Richtung über einen maximalen radialen Arbeitsspalt (24) zu gestatten, und daß die Summe der Abmessungen des maximalen radialen Arbeitsspalts (24) und des maximalen radialen Betriebsarbeitsspalts (25) kleiner ist als der radiale Mindest- Betriebsarbeitsspalt (23) der primären Lager (12), derart, daß das Lagerelement (14) die Welle (11) abstützt und verhindert, daß die Welle (11) nicht-rotierende Bauteile berührt, wenn sie nicht von den primären Lagern (12) getragen wird.
  2. 2. Stützlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (13) zwei Gehäuseteile (13A, 13B) aufweist, die in einer die vorgegebene Achse enthaltenden Ebene passend miteinander verbindbar sind, und daß Verbindungseinrichtungen (33, 34A, 34B) vorgesehen sind, um die Gehäuseteile (13A, 13B) axial fluchtend lösbar miteinander zu verbinden, derart, daß das Gehäuse (13) durch radiales Abziehen der Gehäuseteile (13A, 13B) in entgegengesetzte Richtungen von dem Lagerelement (14) entfernt werden kann.
  3. 3. Stützlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine ringförmige Schraubenfeder (18) vorgesehen ist, daß das Gehäuse in seiner inneren Oberfläche (20) mit einer Ringnut (35) versehen ist und daß die Schraubenfeder (18) in der Ringnut (35) angeordnet ist und derart in Eingriff mit der äußeren Oberfläche (19) des Lagerelements (14) steht, daß das Lagerelement (14) in dem maximalen radialen Arbeitsspalt (24) entgegen der Federkraft der Schraubenfeder (18) radial beweglich ist.
  4. 4. Stützlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützeinrichtungen zum Abstützen der Welle (11) eine im wesentlichen zylindrische innere Lagerfläche (21) umfassen.
  5. 5. Stützlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützeinrichtungen zum Abstützen der Welle (11) eine im wesentlichen zylindrische innere Oberfläche (38) und mehrere einander überlappende blattförmige Folien (37) umfassen, wobei jede Folie (37) mindestens zwei Enden hat, wobei die Folien (37) in Umfangsrichtung im Abstand voneinander angeordnet und an der inneren Oberfläche (38) gesichert sind und sich ausgehend von dieser inneren Oberfläche (38) im wesentlichen in Umfangsrichtung längs dieser inneren Oberfläche (38) erstrecken, und daß jede Folie (37) so ausgebildet ist, daß mindestens ein Ende dieser Folie (37) über mindestens einem Teil einer weiteren, sich in Umfangsrichtung erstreckenden Folie (37) liegt.
  6. 6. Stützlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Einschränken der Drehung des Lagerelements (14) bezüglich des Gehäuses (13) erste und zweite magnetische Segmente (Permanentmagnetringe 39, 40) entgegengesetzter magnetischer Polarität umfassen, wobei das erste Segment an dem Lagerelement (14) und das zweite Segment an dem Gehäuse (13) befestigt ist und in Umfangsrichtung mit dem ersten Segment fluchtet, derart, daß sich die Segmente gegenseitig magnetisch anziehen.
  7. 7. Stützlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Einschränken der Drehung des Lagerelements (14) bezüglich des Gehäuses (13) einen ersten und einen zweiten Permanentmagnetring (39, 40) umfassen, daß jeder der Permanentmagnetringe (39, 40) mehrere in Umfangsrichtung im Abstand voneinander vorgesehene Segmente aufweist, die mit alternierender magnetischer Polarität aufeinanderfolgen, daß der erste Permanentmagnetring (39) an dem Gehäuse (13) befestigt ist, daß der zweite Permanentmagnetring (40) an dem Lagerelement (14) befestigt ist und daß diejenigen Segmente des ersten Permanentmagnetringes (39), die eine erste magnetische Polarität aufweisen, in Umfangsrichtung fluchtend zu denjenigen Segmenten des zweiten Permanentmagnetringes (40) ausgerichtet sind, die die entgegengesetzte magnetische Polarität aufweisen.
  8. 8. Stützlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Einschränken der Drehung des Lagerelements (14) bezüglich des Gehäuses (13) mindestens ein Element (26) umfassen, welches von dem Gehäuse (13) absteht, und daß das Lagerelement (14) mindestens eine Aussparung (27) zur gleitverschieblichen Aufnahme des von dem Gehäuse (13) abstehenden Elements (26) aufweist.
  9. 9. Stützlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Einschränken der Drehung des Lagerelements (14) bezüglich des Gehäuses (13) mindestens ein von dem Lagerelement (14) abstehendes Element (28) aufweisen und daß das Gehäuse (13) mindestens eine Ausnehmung (29) zur gleitverschieblichen Aufnahme des von dem Lagerelement (14) abstehenden Elements (28) aufweist.
  10. 10. Stützlager nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die primären Radiallager als magnetische Radiallager (12) ausgebildet sind.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com