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Title:
AIR BEARING BASED ON ULTRASONIC OSCILLATION
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2010/083813
Kind Code:
A1
Abstract:
The present invention relates to a bearing construction for supporting and/or guiding components, wherein the bearing construction comprises an axle (4) on which a rotor (5) is rotatably disposed, and an ultrasonic oscillator (1) for generating an air film such that a non-contacting bearing is constructed. The ultrasonic oscillator (1) is coupled axially to the axle (4), and the bearing construction and the ultrasonic transducer are dimensioned such that the axle (4) oscillates so that the air film is formed between the rotor bearing surface and the axle bearing surface and receives the bearing forces, bringing about a non-contacting and very robust bearing.

Inventors:
SCHILP, Michael (Gutenbergplatz 1a, Regensburg, 93047, DE)
ZIMMERMANN, Josef (Trothengasse 4, Regensburg, 93047, DE)
ZITZMANN, Adolf (Tannenmühle 1, Teunz, 92552, DE)
Application Number:
DE2010/000056
Publication Date:
July 29, 2010
Filing Date:
January 20, 2010
Export Citation:
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Assignee:
ZIMMERMANN & SCHILP HANDHABUNGSTECHNIK GMBH (Budapester Strasse 2, Regensburg, 93055, DE)
SCHILP, Michael (Gutenbergplatz 1a, Regensburg, 93047, DE)
ZIMMERMANN, Josef (Trothengasse 4, Regensburg, 93047, DE)
ZITZMANN, Adolf (Tannenmühle 1, Teunz, 92552, DE)
International Classes:
F16C39/00; F16C17/10; F16C32/06
Foreign References:
JP2007321811A2007-12-13
JPH01203714A1989-08-16
JPH01210614A1989-08-24
JPS62255613A1987-11-07
US4630941A1986-12-23
US5810155A1998-09-22
US4666315A1987-05-19
DE19904420A12000-08-10
Attorney, Agent or Firm:
SCHWEIZER, Joachim (Dieselstrasse 1, München, 80993, DE)
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Claims:
Ansprüche

1. Lagerkonstruktion mit einer Achse (4), auf weicher ein Rotor (5) um die Achse (4) drehbar angeordnet ist und ein Ultraschallschwinger (1) zur Erzeugung eines Luftfilms vorgesehen ist, sodass ein berührungsloses Lager ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallschwinger (1) axial an der Achse (4) angekoppelt ist, wobei die Lagerkonstruktion und der Ultraschall- schwinger (1) so ausgebildet sind, dass wenigstens der tragende Abschnitt der Achse, auf welchem der Rotor dreht, schwingt, sodass sich zwischen der Rotor-Lagerfläche und der Achsenlagerfläche der Luft- oder Gasfilm ausbildet, der die Lagerkräfte aufnimmt und die berührungslose Lagerung bewirkt.

2. Lagerkonstruktion mit einer Führungsschiene (6), auf welcher ein Schlitten (8) entlang der Führungsschiene (6) bewegbar ist, wobei der Schlitten (8) in die Führungsschiene (6) eingreift oder diese umfasst und an einer Stirnseite der Führungsschiene (6) ein Ultraschallschwinger angekoppelt ist, wobei die Lagerkonstruktion und der Ultraschall-Geber so dimensioniert sind, dass we- nigstens der tragende Abschnitt der Führungsschiene (6), auf welchem der Schlitten (8) fährt, schwingt, sodass sich zwischen der Führungsschiene (6) und dem Schlitten (8) ein Luft- oder Gasfilm ausbildet, der die Lagerkräfte aufnimmt und eine berührungslose Lagerung bewirkt.

3. Lagerkonstruktion nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Achse zylindrisch ausgebildet ist.

4. Lagerkonstruktion nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Achse kegelförmig ausgebildet ist.

5. Lagerkonstruktion nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein seitlicher Anschlag (2) für den Rotor vorgesehen ist, wobei dieser Anschlag ebenfalls schwingt und mit der Seitenfläche des Rotors ein berührungsfreies Lager bildet.

Description:
ULTRASCHALLLUFTLAGER

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Lagerkonstruktion, um Bauteile zu lagern und/oder zu führen, wobei nachfolgend nur noch der Begriff „lagern" verwendet wird.

Lagerkonstruktionen sind in verschiedene Kategorien unterteilbar. Es gibt z. B. Kugellager und Gleitlager, die auf einem Ölfilm laufen. Wellen und Spindeln oder Schlitten mit Hilfe von Luftlagern berührungslos zu lagern, ist dem Fachmann ebenfalls bekannt.

An Lager werden die unterschiedlichsten Anforderungen gestellt, wie z. B. das Vermögen, hohe Kräfte aufzunehmen oder einen geringen Verschleiß zu haben.

Luftlager laufen nahezu verschleißfrei. Ein Luftlager besteht aus wenigstens zwei Bauelementen, die berührungslos aufeinander gleiten. Um die Berührung der Bauelemente zu verhindern, weist eine Bauelementefläche Löcher auf, aus denen Luft austritt. Luftlager dieser Bauart weisen jedoch verschiedene Nachteile auf: Ein Nachteil ist die geringe Steifigkeit, sodass bei wechselnder Belastung Lager dieses Typs zum Schwingen neigen, was jedoch mittels bestimmter Lagerformen und -bauweisen z. T. vermieden werden kann. Ebenfalls ist bekannt, statt eines Luftlagers, bei dem Luft zugeführt werden muss, ein Ultraschallluftlager, in der Literatur auch als Squeezefilmlager bekannt, einzusetzen. Eine derartige Vorrichtung ist z .B. aus dem Dokument US 4666315A bekannt. Es wird ein Lager beschrieben, bei dem Piezoplättchen zum Schwingen angeregt werden. Die Schwingungen der Piezoplättchen erzeugen zwischen der Oberfläche der Piezo- plättchen und einer Gegenfläche den Luftfilm. Diese Konstruktion kann z. B. zur Lagerung von PC-Festplatten eingesetzt werden. Für größere und/oder höher belastete Bauteile sind diese Konstruktionen kaum geeignet, da die erzielbaren Amplituden mittels der Piezoplättchen sehr klein sind.

Weiterhin wird zum Beispiel in dem Dokument DE 19904420 ein Squeezefilmla- ger mit einem selbsterregten Luftlager kombiniert, wobei das Squeezefilmlager als „Startvorrichtung" verwendet wird, weil das selbsterregende Luftlager in der Startphase noch keinen Luftfilm aufweist, da der Luftfilm bei einem selbsterregenden Luftlager erst durch die Bewegung erzeugt wird. Dieses Lager kann daher in der Startphase keine großen Kräfte aufnehmen.

Bei schnelldrehenden hochbelasteten Maschinen, wie z. B. kleinen Turbinen, Turboladern von Fahrzeugen, Kompressoren und Motoren entstehen hohe und z. T. stark schwankende Lagerkräfte, da diese Maschinen und Geräte oft im diskontinuierlichen Betrieb arbeiten. Daher sind konventionelle Luftlager aufgrund ihrer Schwingungsneigung nicht geeignet und Ultraschalllager mit Piezoplättchen können die hohen Kräfte nicht aufnehmen.

Bisher war es demnach erforderlich, Kugellager oder mit Öl geschmierte Gleitlager einzusetzen, wenn höhere Lagerkräfte anliegen.

Kugellager oder mit Öl geschmierte Gleitlager haben jedoch verschiedene, dem Fachmann bekannte Nachteile, wie z. B. ein begrenzter Temperaturbereich, in- nerhalb dessen das Lager betrieben werden kann. Ebenso müssen solche Lager gekapselt sein, damit bestimmte aggressive Medien, die das Lager beschädigen würden, vom Lager ferngehalten werden. Außerdem unterliegen solche Lager einem Verschleiß und müssen in vorbestimmten Zeitintervallen ausgetauscht werden.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, die vorstehend aufgeführten Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und ein robustes Lager für höhere Belastungen bereitzustellen, welches auch in stark schwankenden und höheren Tem- peratυrbereichen betrieben werden kann. Außerdem soll das Lager möglichst verschleißfrei sein.

Diese Aufgabe wird mit Lagerkonstruktionen nach den Ansprüchen 1 und 2 ge- löst, wobei sich die Gegenstände dieser beiden unabhängigen Ansprüche dem gleichen Erfindungsgedanken unterordnen.

Die Lagerkonstruktion nach Anspruch 1 weist eine Achse auf, auf welcher ein Rotor drehbar angeordnet ist und einen Ultraschallschwinger zur Erzeugung eines Luftfilms, sodass ein berührungsloses Lager ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist der Ultraschallschwinger axial an der Achse angekoppelt, wobei die Lagerkonstruktion und der Ultraschallschwinger so dimensioniert sind, dass wenigstens der tragende Abschnitt der Achse, auf welchem der Rotor dreht, schwingt, sodass sich zwischen der Rotor-Lagerfläche und der Achsen lagerfläche der Luft- oder Gasfilm ausbildet, der die Lagerkräfte aufnimmt und die berührungslose Lagerung bewirkt. Es ist nicht möglich, spezielle Angaben zu machen, wie das Lager zu dimensionieren ist, da die Dimensionierung von vielen Randbedingungen abhängt. Es ist dem Fachmann jedoch klar, wie er mittels der mitgeteilten technischen Lehre der axialen Ankopplung eine solche Konstruktion auszuführen hat, damit sich der tragende Luft- oder Gasfilm ausbildet, d. h. wenn das Lager in normaler Atmosphäre betrieben wird, bildet sich ein Luftfilm aus, wenn das Lager z. B. in einem bestimmten Schutzgas betrieben wird, bildet sich ein Film aus diesem Schutzgas aus.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass diese Lagerkonstruktion wesentlich größere Lagerkräfte aufnehmen kann als bisher bekannte Luftlager auf der Basis der Piezoplättchen. Das erfindungsgemäße Lager weißt auch gegenüber herkömmlichen Luftlagern eine höhere Steifigkeit auf. Weiterhin kann diese Lagerkonstruktion auch bei höheren Temperaturen eingesetzt werden, bei denen z. B. mit Öl geschmierte Gleitlager nicht mehr einsetzbar sind. Die Lagerkonstruktion nach Anspruch 2 hat eine Führungsschiene, auf welcher ein Schlitten entlang der Führungsschiene bewegbar ist. Der Schlitten und die Führungsschiene sind so ausgebildet, dass der Schlitten in die Führungsschiene eingreift oder diese umfasst, sodass ein formschlüssiger Eingriff vorliegt. Erfin- dungsgemäß ist an einer Stirnseite der Führungsschiene ein Ultraschallschwinger angekoppelt, wobei die Lagerkonstruktion und der Ultraschallschwinger so dimensioniert sind, dass wenigstens der tragende Abschnitt der Führungsschiene, auf welchem der Schlitten fährt, schwingt, sodass sich zwischen der Führungsschiene und dem Schlitten ein Luft- oder Gasfilm ausbildet, der die Lagerkräfte aufnimmt und eine berührungslose Lagerung bewirkt. Die Vorteile und Eigenschaften dieser Erfindung sind identisch mit den Vorteilen und Eigenschaften des Gegenstandes der Erfindung nach Anspruch 1. Es ist für den Fachmann klar, dass die Führungsschiene so angeordnet und gehalten werden muss, dass die Führungsschiene an dem Abschnitt, über den der Schlitten geführt werden soll, mit der erforderlichen Amplitude schwingt.

Bei der Lagerkonstruktion nach Anspruch 3 ist die Achse zylindrisch ausgebildet und der Rotor weist eine dazu passende Bohrung auf. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung muss der Rotor seitlich abgestützt werden, damit er nicht weggleitet.

Bei der Lagerkonstruktion nach Anspruch 4 ist die Achse kegelförmig ausgebildet und der Rotor weist einen dazu passenden Innenkegel auf. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung muss der Rotor nicht abgestützt werden, da er sich selbst zentriert.

Bei der Lagerkonstruktion nach Anspruch 5, die eine Weiterbildung des Gegenstandes nach Anspruch 3 ist, wird der Rotor mittels eines seitlichen Anschlags, der mit der Achse verbunden ist, geführt oder abgestützt, wodurch demzufolge dieser Anschlag ebenfalls schwingt und mit der Seitenfläche des Rotors ein berührungsfreies Lager bildet. Diese Lagerkonstruktion ist eine besonders bevorzug- te Ausführungsform der Erfindung. Es ist dem Fachmann klar, dass für ein komplettes Lager mitunter zwei oder mehr derartige Konstruktionen eingesetzt werden müssen.

Es ist ebenfalls klar, dass die technische Lehre der axialen Ankopplung eines Ultraschallgebers in vielfältigen Variationen und Kombinationen anwendbar ist, so dass diese ebenfalls mit in den Schutzbereich der Erfindung fallen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert: Fig. 1 zeigt eine erste Ausbildungsform einer Achse der Lagerkonstruktion.

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausbildungsform der Achse der Lagerkonstruktion.

Fig. 3 zeigt eine dritte Ausbildungsform der Achse der Lagerkonstruktion.

Fig. 4 zeigt eine Achse nach Fig. 1 mit einem Rotor.

Fig. 5 zeigt eine kegelförmige Lagerkonstruktion. Fig. 6 zeigt eine Führungsschiene mit einem Schlitten.

Die Fig. 4 zeigt einen ringförmigen Rotor 5, der auf einer Achse 4 drehbar gelagert ist. Diese Achse 4 wird axial mit einem Ultraschallschwinger 1 so angeregt, dass sich auf der Oberfläche der Achse 4 solche Schwingungen ausbilden, die im Zusammenwirken der Innenfläche des ringförmiger Rotors 5 ein Squeezefilmlager ausbilden. Das Schwingungsverhalten der Achse 4 kann durch nachfolgende Maßnahmen beeinflusst werden, um die Trage- und Laufeigenschaften des Lagers zu verändern. Die Achse 4 kann gemäß Fig. 2 hohl und/oder gemäß Fig. 3 zusätzlich geschlitzt sein. Der Doppelpfeil auf dem Ultraschallschwinger 1 zeigt die Schwingungsrichtung an. Die gestrichelten Linien in den Figuren 1 bis 3 zeigen das unterschiedliche Schwingungsverhalten der Achse 4, welches mittels der unterschiedlichen Form der Achse 4 bewirkt wird. Die Anregung der Achse 4 kann mittels eines Boosterhorns 3 verstärkt werden. Weiterhin kann die Hohlachse auch eine Bohrung 5 mit unterschiedlichen und/oder abgestuften Innendurchmessern aufweisen.

Mittels einer seitlichen Abstützscheibe 2, die ebenfalls schwingt, wird eine beson- ders einfache und bevorzugte Lagerkonstruktion gebildet, da zur Erzeugung des seitlichen Squeezefilmlagers kein zusätzlicher Ultraschallschwinger erforderlich ist.

Die Fig. 5 zeigt eine kegelförmige Lagerkonstruktion, bei welcher der Rotor 5 einen Innenkegel aufweist, der zu einem Außenkegel 4 passt, wobei dieser Außenkegel 4 mit dem Ultraschallschwinger 1 gekoppelt ist. Der Vorteil dieser Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass sich der Rotor 5 auf dem Außenkegel 4 selbst zentriert.

Die Fig. 6 zeigt eine Führungsschiene 6 mit einem kreisförmigen Querschnitt, die auf zwei Stützstellen 7 abgestützt ist. Ein Schlitten 8 ist in Richtung des Doppelpfeils verschiebbar. Die Führungsschiene 6 wird einseitig mittels eines Ultraschallschwingers zum Schwingen angeregt, was mit dem Pfeil symbolisiert ist. Dabei bildet sich ein Squeezefilmlager aus, sodass der Schlitten 8 berührungsfrei auf der Führungsschiene 6 gleitet.

Das Material der Achse oder der Schiene kann Metall oder Glas oder jedes andere Material sein, das über die erforderlichen schwingungsmechanischen Eigenschaften verfügt.

Dem Fachmann ist klar, dass diese technische Lehre alle kinematischen Umkehrungen erfasst, wie z. B. eine axial angeregte schwingende Hohlachse, in der eine Welle gelagert wird.