VDI VDE 2252 Blatt 6-1985 Precision engineering components guides gas- magnetic- and hydraulic bearings.pdf

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1、DK 681:531.441.46:621.828.2621 .836 : 621 .822.5 : 532.1 : 532.5533.6:538(083.132) VDI/VDE-RICHTLINIEN Oktober 1985VEREIN DEUTSCHERINGENIEUREVERBAND DEUTSCHERELEKTROTECHNIKERFeinwerkelementeFhrungenGas-, Magnet- und SchwimmlagerVDI/VDE 2252Blatt 6Precision engineering componentsGuidesGas-, magnetic-

2、, and hydraulic bearingsInhalt Seite1 Allgemeines 22 Gasgeschmlerte Lager 32.1 Begriffsbestimmung 32.2 Luftlager 42.3 Werkstoffe und Herstellung 173 Magnetische Lager 183.1 Lagerungsprinzipien 183.2 Ausfhrungsbeispiele 203.3 Geregelte magnetische Lager 213.4 Werkstoffe und Herstellung bei magnetisch

3、en Lagern 224 Flssigkeits- und Schwimmlager 23Schrifttum 24(D0)0)a“EI0)o0)NQ)20)0)nk.0)cck.:303(1O)c3o:(0)“0)VDI/VDE-Gesellschaft FeinwerktechnikAusschu FeinwerkelementeVDI/VDE-Handbuch Feinwerktechnik Register-Nr.Preisgr. 12B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686B

4、D19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11- 2 - VDI/VDE 2252 Blatt 6 Alle Rechte vorbehalten VDI-Verlag GmbH, Dsseldorf 19851 AllgemeinesEiner der augenflligsten Fortschritte auf dem Gebieteder Schmiertechnik ist die Anwendung von gasge-schmierten Lagern fr alle technischen Zweck

5、e. DaGase in der Wrme bestndig sind, werden diese Lagerauch im Flugzeugbau verwendet. Die Wirksamkeit derorganischen Schmierle und -fette dagegen reicht nurbis etwa 550 C, whrend die Gasschmierung bei nickel-haltigen Werkstoffen sich fr weit hhere Temperaturen eignet.Viele Fachleute waren noch vor z

6、wei Jahrzehnten derMeinung, da gasgeschmierte Gleitlager niemals technische Bedeutung erlangen wrden. Es ist jedoch derFirma Bristol Siddley gelungen, die groen technischenSchwierigkeiten, zu denen besonders die wesentlichhhere Przision als bei anderen Bauteilen gehrt, zuberwinden. Auch mit dem Bau

7、von Kernreaktorenwurde entscheidend dazu beigetragen, da diese Lagervermehrt verwendet werden. Bereits schon in denfnfziger Jahren wurde in den USA mit der Entwicklung und dem Einsatz hydrodynamischer Gaslager frdie Lagerung der schnellrotierenden Kreisellufer begonnen. Trotz der vielen Schwierigkei

8、ten hinsichtlichder geforderten Geometrietoleranzen, wie FormstabiU-tt, Verschlei, Festigkeit der Lagerflchen beim An-und Auslauf und Schmutzfreiheit im Lagerspalt, hatsich das dynamische Gaslager wegen seiner Vibrationsarmut und Verschleifreiheit whrend des Laufes allgemein durchgesetzt. Dagegen wu

9、rde das jngste GHed inder Gaslagerfamihe, das Vibrationslager, trotz seinervielen Vorteile selten verwendet.Sonderlager sind definitionsgem Lager bzw. Lagerungen der Fhrungsart Gleitlager fr Sonderanwendungen oder mit Sondergestalt bezglich ihres Aufbausund ihrer Wirkungsweise. Sie werden vorzugswei

10、seeingesetzt, wenn auergewhnliche, z. T. extreme Anforderungen an ihr Funktionsverhalten gestellt werden,und zwar immer dann, wenn andere bliche und invielen Varianten bekannte Gleitlager die gefordertenBedingungen nicht erfllen.Sonderlager haben deshalb innerhalb der GattungGleitfhrungen keine fest

11、gelegte Grundform und somitkeine allgemein definierte Zahl der Freiheitsgrade undBewegungsmglichkeiten. hnhches gilt auch sowohlfr die Reibung, Schmierung und deren gegenseitigeBeeinflussung als auch fr die Werkstoffauswhl, Werkstoffpaarungen und die Oberflchengestaltung, derenGeometrie und die Anfo

12、rderungen an die Passungen.Alle diese charakteristischen Eigenschaften sind sehrstark anforderungs-, auswahl- und auslegungsspezifischfr jedes Sonderlager und haben daher keine oder nursehr begrenzt anwendbare allgemeine Gltigkeit. Deshalb sind im Einzelfall fr das jeweilige Sonderlager, dasdurch di

13、e Aufgabenstellung bedingt ausgewhlt oderkonzipiert wird, die wesentlichen typischen Eigenschaften individuell rechnerisch und/oder empirisch zu ermitteln.Die bisher erschienenen Aufstze vom Stand der Gaslager-Entwicklung efern ein gutes Bild von dem, waserreicht worden ist und was hinsichtlich eine

14、r klarenAbgrenzung an Forschungsarbeit noch geleistet werdenmu.B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11Alle Rechte orbehalten VDI-Verlag GmbH, Dsseldorf 1985 VDI/VDE 2252 Blatt 6 - 3 -2 Gasgeschmierte La

15、gerGasgeschmierte Lager sind Lager, deren Einsatzbereichvon kleinsten bis zu grten Gleitgeschwindigkeiten beiunterschiedlichsten Temperaturen reicht. Dabei knnen die Gleitbewegungen sowohl translatorisch alsauch rotatorisch sein.Als Schmierung zwischen aufeinander gleitenden Krpern kommen Gase (Edel

16、gase), wie Helium, Argonusw., Stickstoff u. a., und auch Gasgemische, wie Luftu. ., in Betracht.Im Gegensatz zu den flssigkeitsgeschmierten oderSchwimmlagern eignen sich gasgeschmierte Lager sowohl bei sehr hohen als auch bei sehr niedrigenTemperaturen, da sie sich weder chemisch noch inihrem Aggreg

17、atzustand ndern. Die Grenzen der Einsatzmglichkeiten von gasgeschmierten Lagern liegenim Mischreibungsgebiet, also beim Inbetriebsetzen undbeim Auslaufen und dem dadurch bedingten Verschlei.Die wichtigsten gasgeschmierten Lager sind die Luftlager.Einsatzmglichkeiten der Gaslagerartenund deren Eigens

18、chaften:a) Dynamisches GaslagerDieses setzt eine relative Bewegung der Lagerteilezueinander voraus und ist damit verschleifrei, weistaber eine erhebliche Krperreibung beim Start undStopp auf, so da u. U. die hydrodynamische Gasschmierung zusammenbrechen kann. Aus diesemGrunde mu die Anzahl der Start

19、s und Stopps inbestimmten Grenzen liegen. Trotz dieses und weiterer Nachteile ist das dynamische Gaslager fr dieLagerung schnellrotierender Teile mit langer Laufzeit bei begrenzter Anzahl von Unterbrechungen gutgeeignet. Andere Nachteile sind die begrenzte Tragfhigkeit, die sehr engen Toleranzen fr

20、Geometrieund Oberflchen und die Stabilittsprobleme beihheren Drehzahlen (Halbfrequenzwirbel).Eingesetzt wird das dynamische Gaslager in schnelllaufenden Maschinen, wie Turbinen und Kompressoren, sowie bei der Lagerung von Kreisellufern.Vorteilhaft gegenber der Gaslagerart b) ist dieEinsparung einer

21、besonderen Energiezufuhr fr dasLager und der sehr einfache Aufbau.b) Statisches GaslagerIm Gegensatz zum dynamischen Gaslager erweist essich beim statischen Gaslager als vorteilhaft, dadieses auch im Stillstand voll funktionsfhig ist undda die Tragkraft annhernd proportional demSpeisedruck ist, denn

22、 dadurch lassen sich hhereTragfhigkeiten und Steifigkeiten sowie sehr hoheDrehzahlen ermglichen. In allen Fllen von Przisionsachsenlagerungen (z. B. als gnstigste Lsungin der Kreiseltechnik) ist der Einsatz von statischenGaslagern geeignet.Nachteilig dagegen ist die laufend notwendigeDruckgaszufuhr,

23、 der komplizierte Aufbau und dasmgUche Auftreten von Stabilittsproblemen (pneumatischer Hammer) bei hohen Speisedrcken. Alsreibungsloses Lager ist es besonders fr stillstehendeoder fr nur langsam rotierende Teile geeignet,beispielsweise fr Achsen empfindlicher Meinstrumente, Lagerung von hochgenauen

24、 Prftischen usw.Auch werden statische Gaslager zur verschleifreienLagerung schnellrotierender Teile dort eingesetzt,wo hydrodynamische Gaslager wegen Start-StoppSchwierigkeiten und zu geringer Tragkraft oderSteifigkeit nicht in Betracht kommen.2.1 BegriffsbestimmungNachfolgend werden einige wesentli

25、che Formelzeichenund ihre Begriffsbestimmungen fr Berechnungen undErluterungen der gasgeschmierten Lager angegeben.N6Schmier schichtdicke; allgemein,an der engsten Stelle, kleinstzu-lssige, beim Eintritt desSchmierstoffs in den Spaltthi - ho Spaltweitendifferenz; Tiefe eingearbeiteter Felder4 befest

26、igt. Das Ganze kann im Feld derstillstehenden Auenringe C rotieren. Nebeneinanderliegende Ringe sind radial magneti-siert mit entgegengesetzten Magnetisierungen, einander gegenberliegende Ringeebenfalls. H Lagergehuse.B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1

27、FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11- 20 - VDI/VDE 2252 Blatt 6 Alle Rechte vorbehalten VDI-Verlag GmbH, Dsseldorf 1985Als weiteres Beispiel wird der Aufbau von zwei Radiallagern auf einer Welle gezeigt, B i 1 d 42 bis 46.Die Ringe bestehen aus Ferrodure I und sind radialmagnetisi

28、ert. Die Magnetisierung der nebeneinanderliegenden Ringe ist abwechselnd zur Welle hin und vonder Welle weg magnetisiert, whrend die gegenberliegenden Innen- und Auenringe entgegengesetzte Magnetisierungseinrichtungen aufweisen.ElektromagnetischeRadiallager(2 Paare minimal)Bild 42. Vorrichtung zur a

29、xialen Stabilisierung einer Welle.D und D sind Scheiben aus Ferroxcube, die von den Elektromagneten und (mit den Spulen F und F) angezogen werden knnen.Die Selbstinduktion der Spulen H und H mit den Kernen G und Gist abhngig von dem Abstand von den Scheiben D und D. Diemagnetischen Radiallager sind

30、hier nicht gezeichnet.Bild 43. Elektrisches Schaltbild in Brckenschaltung zu Bild 42. DieSpulen H und hi von Bild 42 liegen in einer Brckenschaltung, dieber einen Transformator T aus einem Oszillator O gespeist wird. DieBrcke ist im Gleichgewicht, wenn die Induktivitt von H gleichderjenigen von H is

31、t Eine axiale Verlagerung der Welle strt dasGleichgewicht; dies hat zur Folge, da das phasenempfindlicheRegelglied D eine der Spulen F und F beaufschlagt, und zwardiejenige, die die Welle in die Mittellage zurckzieht. A Verstrker.FeldlinierhBild 45. Elektromagnetisches RadiallagerElektromagnetBild 4

32、6. Kombination von Axial- und RadiallagerIn axialer Richtung definiert die wechselnde Magnetisierungsrichtung eine Wellenlnge A. Theoretisch zeigtsich aber, da das Lager optimal dimensioniert ist,wenn das Spiel zwischen den Innen- und Auenringengleich A/2 71 ist. Das Lager ist stabil in radialer Ric

33、htungund kann mit Hilfe eines elektromechanischen Servosy-stems auch in axialer Richtung stabilisiert werden.Eine andere Methode zeigt, wie eine Welle in axialemSinne ohne materielle Kontakte fixiert werden kann mitHilfe eines elektromechanischen Servomechanismus,dessen Prinzip aus Bild 42 bis 46 he

34、rvorgeht./ Bild 44. Schematische Darstellung der Lagerung einer Welle mitzwei magnetischen Lagern M und M, die allerdings nur angedeutetsind.3.2 AusfhrungsbeispieleMagnetische Lager lassen sich entweder mit elektromagnetischen oder mit elektrodynamischen Stabilisierungskrften, d. h. unter Ausnutzen

35、der in einem Magnetfeld auf ferromagnetische Krper oder auf strom-durchflossene Leiter wirkenden Krfte ausfhren.Elektromagnetische Anordnungen weisen hohe Feldenergiekonzentrationen auf, so da sich relativ groespezifische Lagerkrfte und entsprechend kleine Baugren erzielen lassen. Beim elektrodynami

36、schen La-B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11Alle Rechte vortehalten VDI-Veiiag GmbH, Dsseldorf 1985 VDI/VDE 2252 Blatt 6 - 21 -gerprinzip werden die auf einem im Magnetfeld befindlichen stromdurchfl

37、ossenen Leiter ausgebten Krftezur Stabilisierung verwendet. Das Magnetfeld wirdhierbei im allgemeinen durch Permanentmagnete erzeugt, so da selbst bei Verwendung modernster Magnetmaterialien wie Samarium-Kobalt oder hnlichemsich Elektromagnetfeldern vergleichbare Energiekonzentrationen nicht erreich

38、en lassen. Die erzielbarenspezifischen Lagerkrfte sind daher geringer und dieelektrischen Verlustleistungen zur Erzeugung dieserKrfte grer. Eine konsequente Anwendung diesesLagerprinzips erlaubt es jedoch, auf die Verwendungvon Ferromagnetica gnzlich zu verzichten.rung, verbunden mit einer Regelung.

39、 Dadurch wird derAufwand erheblich grer, da zustzlich eine elektronische Regelung ntig wird. Dieser Nachteil wird jedochhufig mit einer relativ hohen Steifigkeit als Vorteilkompensiert. Das Regelungsprinzip mit aktivem Rckfhrkreis einer magnetischen Lagerung ist in B i 1 d 47gezeigt.Ausfhrungsbeispi

40、ele geregelter magnetischer Lagerungen siehe B i 1 d 48 bis 50. In B i 1 d 51 ist ein vollaktivgeregeltes elektromatisch gelagertes Schwungrad, wiees zur Stabilisierung von Satelliten verwendet werdenkann, dargestellt.Hervorzuheben ist auerdem die gute Regelbarkeitdieses Lagerprinzips, da es einen l

41、inearen Zusammenhang zwischen Strom und erzeugter Kraft aufweist undbei Stromumkehr ebenfalls eine Umkehr der Kraftrichtung erfolgt. Elektromagnetische Anordnungen zeigeneinen quadratischen Zusammenhang zwischen Kraftund Strom und mssen zudem immer aus zwei paarweisen Lagern bestehen.3.3 Geregelte m

42、agnetische Lagerhnlich wie bei den gasgeschmierten Lagern ist esnotwendig, auch bei den magnetischen Lagern dieInstabilitt zu vermeiden. In den meisten praktischen,komplexeren Lagerungen ist daher eine passive Lagerung - mit ausschlielich Dauermagneten - nicht zurealisieren. Vielmehr empfiehlt sich

43、eine Kombinationaus aktiver (mit Elektromagneten) und passiver Lage-/AAxial-ElektromagnetAxial-Lage-SensorPermanentmagnetV777777777777777Bild 48. Einbaulage der Axial- Elektro- und der Permanent-MagneteRadial-ElektromagnetRadial-LageSensor10 HUHA. C.Bild 47. Schaltbild von einem Regelungsprinzip mit

44、 aktivem Rckfhrkreis einer magnetischen LagerungAxial-Lage- SensorAxial-ElektromagnetBild 49. Einbaulage der Radial- und Axial- ElektromagneteAxial-ElektromagnetRadial-Permanent-magnetAxial-Lage-SensorBild 50. Einbaulage der Axial- Elektromagnete und der Radial:PermanentiTiag neteBild 48 bis 50. Aus

45、fhrungsbeispiele geregeltermagnetischer LagerB974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11-22- VDI/VDE 2252 Blatt 6 Alle Rechte vortehalten VDI-Verlag GmbH, Dsseldorf 19853.4 Werkstoffe und Herstellungbei mag

46、netischen LagernAls Werkstoffe werden die blichen und bekanntenelektrischen bzw. magnettechnischen Materialien undHerstellungsverfahren verwendet, so z.B.:Kupferdrhte als Spulenwicklung,Weicheisen Werkstoffe, massiv und lameliiert, mglichst hochpermeabel,Vergu- und Trufelharze zum Einbetten der Wick

47、lungen,hochenergetische Dauermagnetwerkstoffe.Die Fertigungstechnologie sowie Passungen und Toleranzen entsprechen den blichen Anwendungen in derFeinwerktechnik. Besondere - von den Herstellernangegebene - Bearbeitungs- und Temperaturvorschriften mssen im wesentlichen nur bei den modernstenPermanent

48、magnetwerkstoffen (Samariumkobald u. .)beachtet werden 20; 21.B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11Alle Rechte vorbehalten VDI-Verlag GmbH, Dsseldorf 1985 VDI/VDE 2252 Blatt 6 - 23 -4 Flssigkeits- ode

49、r SchwimmlagerEin Flssigkeits- oder Schwimmlager ist ein Lager, beidem die aufeinander gleitenden Krper durch eineFlssigkeit als Schmiermittel voneinander getrenntsind, die vorzugsweise unter Druck steht.Das Funktionsprinzip dieser Lager ist hnlich dem dergasgeschmierten Lager. An die Stelle des Gases triit hiereine Flssi