Radial-Folienlagerzum Lagern einer Welle Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Radial-Folienlager nach den oberbegriffsbildenden Merkmalen des Patentanspruchs 1, welches insbesondere vorteilhaft zur ölfrei en Lagerung gering belasteter, mit hoher Drehzahl laufender Wellen einsetzbar ist, beispielsweise bei Turbokompressoren für Brennstoffzellen in Kraftfahrzeu gen und dergleichen.

Hintergrund der Erfindung Folienlager sind hydrodynamische oder aerodynamische Lager, bei denen im unbelasteten Zustand eine die drehend gelagerte Welle abstützende Lagerflä che von einer dünnen und verschleißfesten Deckfolie gebildet wird, welche ih rerseits von einer zwischen der Deckfolie und einem Lagergehäuse angeordne ten elastischen Wellfolie abgestützt wird. Im Lagerbetrieb bildet sich zwischen der Welle und der Deckfolie ein hydrodynamischer oder aerodynamischer Film, welcher die Welle trägt. Nur bei Start- und Stoppvorgängen kommt es zu einem direkten Bewegungskontakt zwischen der Welle und der Deckfolie.

Ein gattungsbildendes Radial-Folienlager zur Lagerung einer Welle ist beispiels- weise aus der DE 102015224869 A1 bekannt. Dieses Folienlager besteht aus einem hülsenartigen Lagergehäuse mit drei über den Innenumfang des Lager gehäuses gleichmäßig verteilt angeordneten, jeweils einen Abschnitt des In nenumfangs des Lagergehäuses überdeckenden Folienpaketen, die jeweils aus einer am Innenumfang des Lagergehäuses anliegenden elastischen Wellfolie sowie aus einer unterseitig auf der Wellfolie aufliegenden und oberseitig eine Lagerfläche für die Welle bildenden Deckfolie bestehen, wobei am Innenumfang des Lagergehäuses sich parallel zur Lagerrotationsachse erstreckende, schräg von innen nach außen in das Lagergehäuse hineinragende Stecknuten ange- ordnet sind, die zur Aufnahme der die Deckfolien und die Wellfolien jeweils in Umfangsrichtung begrenzenden und in den Stecknuten tangential frei bewegli chen Endkanten dienen. Bei aerodynamischen Radial-Folienlagern hat es sich in der Praxis jedoch ge zeigt, dass der sich im Lagerbetrieb zwischen der Welle und der Deckfolie bil dende aerodynamische Film, welcher die Welle tragen soll, keine gleichmäßige Dicke aufweist. Es wurde festgestellt, dass der durch die Wellenrotation verur sachte Luftdruck im Lagerquerschnitt axial mittig am größten ist und dort aus- reicht, die elastische Wellfolie derart einzufedern, dass der erforderliche gering fügige Abstand zwischen der Deckfolie und der Welle entstehen kann. Zu den mit dem Umgebungsluftdruck verbundenen beiden Seitenrändern der Deckfolie hin fällt der durch die Wellenrotation verursachte Luftdruck dagegen kontinuier lich ab und reicht dann direkt unterhalb der Seitenränder nicht mehr aus, die mit einer gleichmäßigen radialen Federsteifigkeit ausgebildete Wellfolie einzufedern. Der erforderliche Abstand zwischen der Deckfolie und der Welle kann somit an den Seitenrändern der Deckfolie nicht entstehen, so dass es an diesen Stellen zu sogenannten Kantenläufern kommen kann, bei denen es zu unerwünschten Kontakten zwischen der Deckfolie und der Welle kommt, die ursächlich für La- gerschäden bis hin zum einem Lagerausfall sind.

Aufgabe der Erfindung

Ausgehend von den dargelegten Nachteilen der Lösungen des bekannten Stan- des der Technik liegt der Erfindung deshalb die Aufgabe zu Grunde, ein Radial- Folienlager zu konzipieren, bei dem die aus Kantenläufern resultierenden uner wünschten Kontakte zwischen der Deckfolie und der Welle wirksam vermieden werden und bei dem der sich im Lagerbetrieb zwischen der Welle und der Deck folie bildende aerodynamische Film eine gleichmäßige Dicke aufweist. Beschreibung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Radial-Folienlager nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart gelöst, dass die Wellfolien an ihren in Um- fangsrichtung verlaufenden Seitenkanten örtlich zumindest eine deren Axialbrei te verringernde Taillierung aufweisen, mit der die radiale Federsteifigkeit der Wellfolien im Bereich ihrer Seitenkanten reduzierbar ist..

Bevorzugte Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungs- gemäß ausgebildeten Radial-Folienlagers werden in den Unteransprüchen 2 bis 7 beschrieben.

Danach ist es gemäß Anspruch 2 bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Ra dial-Folienlager vorgesehen, dass an beiden Seitenkanten der Wellfolien Taillie- rungen angeordnet sind und beide Taillierungen kreisabschnittförmig sowie symmetrisch zueinander mit gleichen Taillierungstiefen und gleichen Taillierungs- längen ausgebildet sind. Eine solche Ausbildung hat sich besonders bei Radial folienlagern als geeignet erwiesen, bei denen die Radialbelastungen gleichmä ßig und Schiefstellungen der zu lagernden Welle weitestgehend ausgeschlos- sen sind.

Nach Anspruch 3 ist es eine alternative Ausbildung des erfindungsgemäß aus gebildeten Radial-Folienlagers, dass die Taillierungen an beiden Seitenkanten der Wellfolien zwar ebenfalls kreisabschnittförmig jedoch unsymmetrisch zuein- ander mit unterschiedlichen Taillierungstiefen und mit gleichen oder ungleichen Taillierungslängen ausgebildet sind. Eine unsymmetrische Ausbildung der Tail lierungen mit gleichen Taillierungslängen aber unterschiedlichen Taillierungstie fen hat sich dabei als besonders geeignet für Radial-Folienlager erwiesen, bei denen bei der zu lagernden Welle mit Schiefstellungen zu rechnen ist oder mit denen einer Durchbiegung der zu lagernden Welle entgegengewirkt werden soll.

Gemäß Anspruch 4 kann es darüber hinaus noch eine weitere alternative Aus bildung des erfindungsgemäß ausgebildeten Radial-Folienlagers sein, dass die Taillierungen an beiden Seitenkanten der Wellfolien in Umfangsrichtung unsym metrisch ausgebildet sind und gleiche Taillierungstiefen sowie gleiche Taillie- rungslängen aufweisen. In Umfangsrichtung unsymmetrisch bedeutet dabei, dass die Taillierungen von einer Kreisabschnittsform abweichen und stattdes- sen eine kurven- oder bogenförmige Kontur aufweisen. Derartige Taillierungen können in Anwendungsfällen vorteilhaft sein, bei denen einer bestimmten Last richtung oder Lastposition entgegengewirkt werden soll.

Als zweckmäßige Weiterbildungen des erfindungsgemäß ausgebildeten Radial- Folienlagers wird es durch die Ansprüche 5 und 6 des Weiteren vorgeschlagen, dass die Taillierungen an beiden Seitenkanten der Wellfolien sich in Umfangs richtung entweder vom ersten Wellenberg bis zum letzten Wellenberg oder nur vom zweiten Wellenberg bis zum vorletzten Wellenberg jeder Wellfolie erstre cken. Die Auswahl dieser bevorzugten Taillierungslängen ist dabei abhängig vom gewünschten Grad der Reduzierung der axialen Federsteifigkeit der Wellfolien. Bei Radial-Folienlagern mit größeren Innendurchmessern des Lagergehäuses und entsprechend längeren Well- und Deckfolien sind auch Taillierungslängen denkbar, die kleiner als die gennannten Bereiche sind. Schließlich ist es gemäß Anspruch 6 noch eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäß ausgebildeten Radial-Folienlagers, dass die Taillierungstiefe so bemessen ist, dass die Breite der Wellfolie zwischen den tiefsten Punkten beider Taillierungen zwischen 0,75% und 0,95% der Axialbreite der Wellfolien an deren Endkanten beträgt. Innerhalb dieses Bereiches ist gewährleistet, dass der Grad der Reduzierung der axialen Federsteifigkeit der Wellfolien im Bereich ihrer Seitenkanten nicht zu hoch und nicht zu niedrig ist. Möglich ist es aber auch, anstelle der Taillierungen sämtliche Wellfolien axial schmaler als die zu gehörigen Deckfolien auszubilden, wobei jedoch eine spezielle Fixierung der Wellfolien im Lagergehäuse, beispielsweise durch Verschweißen, notwendig ist.

Das erfindungsgemäß ausgebildete Radial-Folienlager weist somit gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Radial-Folienlagern den Vorteil auf, dass dessen Wellfolien durch die Ausbildung dieser Wellfolien mit örtlich deren Axialbreite verringernden Taillierungen an ihren Seitenkanten eine reduzierte radiale Federsteifigkeit im Bereich ihrer Seitenkanten aufweisen, so dass der durch die Wellenrotation verursachte Luftdruck auch an den mit dem Umge bungsluftdruck verbundenen beiden Seitenränder der Deckfolie ausreicht, die Wellfolie derart einzufedern, dass der erforderliche geringfügige Abstand zwi schen der Deckfolie und der Welle entstehen kann. Dadurch kann es an diesen Stellen nicht mehr zu den beschriebenen Kantenläufern kommen, die bisher ur sächlich für Lagerschäden oder Lagerausfälle waren. Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäß ausgebildeten Radial- Folienlagers wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeich nungen näher erläutert. Dabei zeigen:

Figur 1 eine Seitenansicht eines eine Welle tragenden erfindungsgemäß ausgebildeten Radial-Folienlagers;

Figur 2 eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäß ausgebilde ten Radial-Folienlagers mit einer teilaufgebrochenen Deckfolie;

Figur 3 zwei Ausführungen einer Wellfolie des erfindungsgemäßen Ra- dial-Folienlagers mit symmetrischer Taillierung;

Figur 4 zwei Ausführungen einer Wellfolie des erfindungsgemäßen Ra dial-Folienlagers mit unsymmetrischer Taillierung;

Figur 5 zwei Ausführungen einer Wellfolie des erfindungsgemäßen Ra dial-Folienlagers mit verkürzter Taillierung;

Figur 6 eine Ausführung einer Wellfolie des erfindungsgemäßen Radial- Folienlagers mit in Umfangsrichtung unsymmetrischer Taillierung. Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Aus Figur 1 geht deutlich ein Radial-Folienlager 1 zum Lagern einer Welle 13 hervor, welches aus einem hülsenartigen Lagergehäuse 2 mit wenigstens drei über den Innenumfang 3 des Lagergehäuses 2 verteilt angeordneten Folienpa keten 4, 5, 6 besteht, die jeweils einen Abschnitt des Innenumfangs 3 des La gergehäuses 2 überdecken. Diese Folienpakete 4, 5, 6 bestehen, wie auch in Figur 2 erkennbar ist, jeweils aus einer am Innenumfang 3 des Lagergehäuses 2 anliegenden elastischen Wellfolie 7 sowie aus einer unterseitig auf der Wellfo- lie 7 aufliegenden Deckfolie 8, die oberseitig eine Lagerfläche für die Welle 13 bildet. Dabei sind am Innenumfang 3 des Lagergehäuses 2 sechs sich parallel zur Lagerrotationsachse erstreckende, schräg von innen nach außen in das La gergehäuse 2 hineinragende Stecknuten 9, 10 angeordnet, die zur Aufnahme der die Wellfolien 7 und die Deckfolien 8 jeweils in Umfangsrichtung begren- zenden Endkanten 11, 12 dienen, welche tangential frei beweglich in den Stecknuten 9, 10 angeordnet sind.

Des Weiteren ist aus Figur 2 ersichtlich, dass die Wellfolien 7 an ihren in Um- fangsrichtung verlaufenden Seitenkanten 14, 15 örtlich zumindest eine deren Axialbreite B verringernde Taillierung 16, 17 aufweisen, mit der die radiale Fe dersteifigkeit der Wellfolien 7 im Bereich ihrer Seitenkanten 14, 15 reduzierbar ist. Dadurch soll erreicht werden, dass der durch die Rotation der Welle 13 ver ursachte Luftdruck auch an den mit dem Umgebungsluftdruck verbundenen beiden Seitenrändern der Deckfolien 8 ausreicht, die zugehörigen Wellfolien 7 derart einzufedern, dass der erforderliche geringfügige Abstand zwischen den Deckfolien 8 und der Welle 13 entstehen kann und es an diesen Stellen nicht mehr zu Kantenläufern kommt, die bisher ursächlich für Lagerschäden oder La gerausfälle waren. Bei der in Figur 3 gezeigten bevorzugten ersten Ausführungsform einer Wellfo lie 7 sind dabei an beiden Seitenkanten 14, 15 der Wellfolien 7 Taillierungen 16, 17 angeordnet und beide Taillierungen 16, 17 kreisabschnittförmig sowie sym metrisch zueinander ausgebildet, indem diese gleiche Taillierungstiefen Tn, TT2 und gleiche Taillierungslängen Tu, TL2 aufweisen. Der einzige Unterschied zwi schen den beiden abgebildeten und für verschiedene Radial-Folienlager vorge sehenen Wellfolien 7 ist, dass bei der links dargestellten Wellfolie 7 die Taillie- rungstiefen Tn, TT2 größer sind als bei der rechts dargestellten Wellfolie 7.

Die in Figur 4 gezeigte alternative zweite Ausführungsform einer Wellfolie 7 un terscheidet sich von der in Figur 3 gezeigten Ausführungsform dadurch, dass die Taillierungen 16, 17 an beiden Seitenkanten 14, 15 der Wellfolien 7 zwar ebenfalls kreisabschnittförmig jedoch unsymmetrisch zueinander ausgebildet sind. Deutlich sichtbar weisen die Taillierungen 16, 17 dabei unterschiedliche Taillierungstiefen Tn, TT2 mit gleichen Taillierungslängen Tu, Ti_2 auf, wobei auch hier bei der links dargestellten Wellfolie 7 die Taillierungstiefen Tn, TT2 größer sind als bei der rechts dargestellten Wellfolie 7. Eine dritte alternative Ausführungsform einer Wellfolie 7 ist zudem noch in Figur 6 zu sehen. Diese Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Taillie rungen 16, 17 an beiden Seitenkanten 14, 15 der Wellfolien 7 in Umfangsrich tung unsymmetrisch ausgebildet sind und gleiche Taillierungstiefen Tn, TT2 so wie gleiche Taillierungslängen Tu, Ti_2 aufweisen. Deutlich sichtbar weichen bei dieser Ausführungsform die Taillierungen 16, 17 von einer Kreisabschnittsform ab und weisen stattdessen eine kurven- oder bogenförmige Kontur auf.

Schließlich ist den Zeichnungen noch zu entnehmen, dass die Taillierungen 16, 17 an beiden Seitenkanten 14, 15 der Wellfolien 7 sich in Umfangsrichtung entweder, wie in den Figuren 3 und 4 dargestellt, vom ersten Wellenberg Wi bis zum letzten Wellenberg Ws jeder Wellfolie 7 erstrecken, oder wie in den Figuren 5 und 6 abgebildet, sich nur vom zweiten Wellenberg W2 bis zum vorletzten Wellenberg W4 jeder Wellfolie 7 erstrecken. Die Auswahl dieser bevorzugten Taillierungslängen Tu, Ti_2 ist dabei abhängig vom gewünschten Grad der Redu- zierung der axialen Federsteifigkeit der Wellfolien 7. Außerdem sollten die Tail lierungstiefen TTI , TT2 immer so bemessen sein, dass die Breite der Wellfolie 7 zwischen den tiefsten Punkten beider Taillierungen 16, 17 zwischen 0,75% und 0,95% der Axialbreite B der Wellfolien 7 an deren Endkanten 11, 12 beträgt. Bezugszahlenliste

1 Radial-Folienlager

2 Lagergehäuse

3 Innenumfang von 2

4 Folienpaket

5 Folienpaket

6 Folienpaket

7 Wellfolie

8 Deckfolie

9 Stecknut

10 Stecknut

11 Endkanten von 7

12 Endkanten von 8

13 Welle

14 Seitenkante von 7

15 Seitenkante von 7

16 Taillierung an 14

17 Taillierung an 15

B Axialbreite von 7

TTI Taillierungstiefe an14

TT2 Taillierungstiefe an 15

Tu Taillierungslänge an 14

T L2 Taillierungslänge an 15

Wl erster Wellenberg von 7

W ₂ zweiter Wellenberg von 7

W vorletzter Wellenberg von 7

Ws letzter Wellenberg von 7