Wie funktioniert ein Luftlager?
Viele beschreiben den Luftlagerspalt bildlich als Luftpolster zwischen Lager und Gegenpart (z.B. Welle), was zwar generell richtig ist, aber zu statisch beschrieben ist. In und gerade wegen den nur wenige Mikrometer dicken Lagerspalten spielen dynamische Vorgänge wie Quetschfilmdämpfer, Scherströmungen und aerodynamische Effekte die dominierende Rolle und erzeugen Spaltströmungsgeschwindigkeiten (ohne irgendeine Bewegung der Lagerpaare) von mehr als 250 m/s. Ein laienhaft beschriebenes druckbeaufschlagtes System hat somit nur wenig gemein mit einem Luftlager.
Unterscheidung aerodynamische und aerostatische Lager
Wir unterscheiden zwischen einem aerodynamischen sowie aerostatischen Lager. Der Lagerdruck bei ersterem wird lediglich durch die Relativbewegung der Lagerpaare selbst erzeugt, die hierfür besondere Merkmale wie Erhebungen und Strukturen aufweisen. Die folgende Abbildung zeigt ein plakatives Beispiel einer Schnittdartellung eines statischen sowie aerodynamischen Radiallagers ohne Welle. Bei aerostatischen Lagern muss der Lagerdruck von außen in den Lagerspalt eingebracht werden. Der Lagerspalt ist für statische Luftlager demnach aufgrund dem Auslass und Einlass des zwischenliegenden Spaltsystems abstrakt und ist von diesen in vielerlei Hinsicht und vor allem dynamisch abhängig.
Lagerfunktion
Die Lagerfunktion basiert hierbei auf der axialen sowie tangentialen Druckverteilung. Diese generiert die Tragkraft als auch den Luftdurchfluss durch den Lagerspalt, der hauptverantwortlich für die Generierung von Steifigkeit ist. Steifigkeit entspricht hier der Tragkraftänderung mit der radialen Verlagerung der Welle (Radiallager) oder der axialen Verlagerung der Platte (Axiallager). Die Druckverteilung als auch der Durchfluss sind jedoch mitunter Funktionen des Lagerspaltes sowie der Drosselung. Hierbei wird zwischen einer Drosselung am Eintritt (einlaßgedrosselt) oder am Auslass (auslaßgedrosselt) unterschieden.
Warum ist deine Drosselung notwendig?
Am folgenden Beispiel soll erörtert werden, warum eine Drosselung des Zuführdruckes in den Lagerspalt eines Statischen Luftlagers so wichtig und leistungsentscheidend ist.
Im Beispiel (siehe Abbildung rechts oben) ist die Welle zwischen oberem und unterem Lagerrand im geometrischen als auch physikalischen Gleichgewicht. Es herrscht rundum Druck “pm=pm1=pm2” zwischen den Düsenreihen. Durch eine Störung (zum Beispiel durch die Zerspankraft) verlagert sich die Welle (siehe Abbildung rechts unten)und erzeugt unterschiedlich eine Größe (Spalte “H1” und “H2”).
Würde der Zuführdruck “p0” nun ungedrosselt in den Lagerspalt geleitet werden, würde über den Umfang überall der gleiche Druck und somit dieselbe Kraft herrschen. Eine Rückstellkraft entgegen der “Störung” würde somit fehlen, das Lager hätte keine Funktion.
Durch analytisch und iterativ berechnete und optimierte Düsen – gespeist durch den Zuführdruck p0 – wird ein Zwischendruck pm (H,p0…) nach der Düse erzeugt, der mitunter abhängig ist von der Lagerspaltdicke H unmittelbar nach der Düse.
Resultat
Zusammengefasst: je kleiner der Lagerspalt nach der jeweiligen Düse, desto höher der Zwischendruck “pm” nach der Düse und damit auch die Druckkraft. Somit ist bei einer Verlagerung der Welle durch Störung eine wegabhängige Rückstellkraft und somit auch Steifigkeit – also Rückstellkraftänderung mit Verlagerung – gewährleistet.