Wie aerodynamische Lager zu den laufruhigsten Komponenten im Maschinenbau wurden

In den letzten Artikeln haben wir uns viele coole Dinge angesehen, darunter Fraktalschraubstöcke, Motorkolben und Drahterodieren (WEDM). Aber das heutige „Ding“ ist wohl noch cooler (und auch irgendwie gefährlich…). Es lässt Komponenten nicht nur schweben, sondern eines davon, kombiniert mit etwas MetMo-Kreativität, hätte fast einem Teammitglied einen Finger abgerissen*. Also, tauchen wir ein und erkunden die reibungsfreien, lautlosen Fingerdiebe: aerodynamische Lager.

*Alles wird später enthüllt.

Was ist ein aerodynamisches Lager?

Sie sind lustig, reibungsfrei und sehr effizient. Aber bleiben wir ernst. Was ist ein aerodynamisches Lager eigentlich?

Albert Kingsburys Axiallager aus dem Jahr 1917 | Quelle: Google Patents

Aerodynamische Lager sind eine Art von Luftlagern, von denen es zwei Haupttypen gibt: aerodynamische (selbsttätige) und aerostatische (extern zugeführte Luft). Beide funktionieren auf ähnliche Weise und nutzen einen dünnen Film aus Druckluft (oder Gas), der wie ein Schmiermittel wirkt, einen kleinen Spalt zwischen den Komponenten erzeugt und sie reibungsfrei zueinander bewegen lässt. Der einzige Unterschied ist, dass ein aerodynamisches Lager die Umgebungsluft nutzt, um zu funktionieren. Ich werde gleich erklären, wie.

Eine sehr wichtige Luftlager-Anwendung

Arten von Luftlagern

Im Prinzip sind aerodynamische und aerostatische Lager also ähnlich. Tatsächlich sind sie meinen Wochenend-Tanzbewegungen sehr ähnlich. Aber anstatt ein oder zwei Drinks verwenden diese Lager Luft, um eine reibungslose Bewegung der Komponenten zu ermöglichen…  

Wie sie das tun, variiert. Es gibt also verschiedene Arten von Luftlagern. Es ist jedoch erwähnenswert, dass sie nicht immer austauschbar sind. 

Wenn wir sie nach Funktion gruppieren, gibt es:

1. Luftlager für lineare Bewegung, die Komponenten in ein oder zwei Richtungen stützen. (z. B. Koordinatenmessgeräte (KMGs))
2. Planare Luftlager, die Komponenten auf einer ebenen Fläche stützen (z. B. Positionierungssysteme)
3. Rotierende Luftlager, die eine Drehbewegung zwischen Teilen unterstützen (z. B. Radial- oder Axialluftlager – diese können auch sowohl aerodynamisch als auch aerostatisch sein!)
4. „Kombinierte“ Luftlager, die sowohl radiale als auch axiale Lasten unterstützen (z. B. ausgeklügelte Gyroskope oder Turbinen) 

Man kann sie auch nach der Art der Lufteinleitung/Filmpflege gruppieren:

1. Blendenluftlager leiten Luft durch kleine Löcher in den Lagerluftspalt ein. Diese sind einfacher herzustellen, da sie aus einem Material gefertigt werden können.
2. Folienluftlager haben eine geriffelte Folie an der Innenseite des Lagers, was sie stabiler macht.
3. Poröse Luftlager verwenden poröse Materialien wie Kohlenstoff oder Bronze, um Luft über die Lagerfläche zu verteilen, wodurch sie stabiler und steifer sind.
4. Spiralluftlager haben gekrümmte Rillen, um den Luftfilm zu stabilisieren und funktionieren bei hohen Geschwindigkeiten besser.
5. Pendelplattenluftlager haben einzelne Platten, die sich an die Position und Last der Welle anpassen.

Natürlich gibt es auch viele verschiedene Variationen und Kombinationen davon (einschließlich Rollen-, Kegel- und modulare Luftlager). Die Liste könnte endlos sein. Verschiedene Designs bieten unterschiedliche Tragfähigkeits-, Geschwindigkeits- und Stabilitätsmerkmale. So können Sie den Typ wählen, der am besten zu Ihrer Anwendung passt. 

Aerodynamische Lager vs. traditionelle Lager

Jetzt wissen wir, was sie sind, und Sie fragen sich vielleicht, warum man sie traditionellen Lagern vorziehen sollte. Die Antwort ist ziemlich einfach. Luftlager sind, größtenteils, wie meine Essenspaketkäufe: kontaktlos. Kein Kontakt bedeutet keine Reibung, und keine Reibung bedeutet keine (oder viel weniger) Ineffizienzen.

Traditionelle Lager hingegen haben Kontakt. Sie haben Kugellager. Und diese Reibung raut nicht nur ihre Bewegung auf, sondern bedeutet auch, dass sie ausgetauscht und gewartet werden müssen.

Im besten Fall ist das lästig. Aber bei kleinen, fummeligen und schwer zugänglichen Anwendungen ist die Wartung Ihrer Lager noch mühsamer. Aerodynamische Lager verhindern dies.

Nun, beantworten wir die Frage, die uns allen auf den Lippen liegt:

Wie funktionieren aerodynamische Lager?

Stellen Sie sich vor: Sie fahren auf der M6. Es ist kalt. Grau. Und wie an einem typischen Sommertag im Norden Englands beginnt es zu regnen. Heftig. Bald ist die M6 mit Wasser bedeckt. Und während Sie fahren, spüren Sie, wie Ihr Auto zu rutschen beginnt. Sie haben Aquaplaning, richtig?

Wenn Sie Wasser durch Luft ersetzen, würden Sie nicht nur schweben, sondern auch die Funktionsweise eines aerodynamischen Lagers nachahmen.

Wir wissen jetzt, dass diese Lager selbsttätig sind, das heißt, sie erzeugen ihre eigene Druckluft und somit ihren eigenen Luftfilm. Aber wie geschieht dies?  

Nehmen wir als Beispiel eine sich drehende Welle. Es gibt drei Phasen. 

Phase 1: Ruhe

Im Ruhezustand berührt die Welle wahrscheinlich die Lagerfläche (wenn nicht, gibt es einen winzigen Spalt). Der Abstand ist nun asymmetrisch. Wenn sich die Welle zu drehen beginnt, zieht ihre Bewegung Luft in den Spalt zwischen Welle und Lagerfläche.

Phase 2: Wackeln

Wenn Luft eingesaugt wird, ändert sich der Druck. Dadurch entsteht der schmierende dünne Luftfilm und hebt die Welle an. (Zur Erinnerung: verschiedene Designs passen an, wie der Luftstrom und der Druck über die Lagerfläche verteilt werden)

Phase 3: Schweben

Schnellere Drehgeschwindigkeiten bedeuten, dass die Druckluft ... nun ja, stärker unter Druck steht und das Lager schwerere Lasten tragen kann. Das Lager ist selbststabilisierend, wodurch ein Stabilitäts-"Puffer" entsteht. Wenn sich die Welle zur Lagerfläche bewegt und der Abstand schrumpft, erhöht sich der Luftdruck und bringt die Welle in ihre neutrale Position zurück.

Randbemerkung: Steve Mould erklärt das gut, hier.

Die Vorteile aerodynamischer Lager

Diese drei Phasen bescheren uns einige ziemlich coole Vorteile. Zum Beispiel: 

Es gibt minimale Reibung. Die Welle schwebt. Das bedeutet sanftere Bewegungen, weniger Wärmeentwicklung (bessere thermische Stabilität) und höhere Effizienz.

Sie halten länger. Da es keinen Kontakt gibt, ist der Verschleiß begrenzt, sodass sie weniger Wartung erfordern und zuverlässiger werden.

Sie sind schnell. Wiederum bedeutet kein Kontakt, dass sie sehr schnell drehen können, ohne zu überhitzen oder zu brechen. 

Sie sind sauber. Luft ist das Schmiermittel. Kein Öl oder Fett. Daher sind sie hervorragend für Anwendungen geeignet, bei denen Sauberkeit wirklich wichtig ist.

Sie sind präzise. Der dünne Luftfilm ermöglicht enge Toleranzen und eine stabile Positionierung. 

Sie sind leise. Kein (oder sehr wenig) Kontakt bedeutet, dass sie sehr wenig Lärm machen.

Sie sind selbststabilisierend. Der Luftfilm passt sich an, wenn sich Last oder Geschwindigkeit ändern, so dass Luftlager unter wechselnden Bedingungen gut funktionieren.

Es ist nicht alles leise, reibungslose Freude

Aerodynamische Lager sind cool. Aber sie sind nicht perfekt. 

Ja, Drehzahl und resultierende Belastbarkeit steigen harmonisch an. Aber im Vergleich zu traditionellen Lagern sind aerodynamische Lager keine Konkurrenz. Traditionelle Lager können höhere Lasten tragen.

Zweitens kann sich bei niedrigen Drehzahlen der Luftfilm möglicherweise nicht vollständig entwickeln. Wenn es Kontakt zwischen der Welle und dem Lager gibt, kommt es zu Schäden. Wenn Sie kontinuierlich starten und stoppen, könnten Sie die Komponenten weiter beschädigen.

Drittens und letztens ist Präzision wichtig. Engere Toleranzen sind noch wichtiger. Um den kleinen Luftspalt aufrechtzuerhalten, muss der Spalt zwischen Lager und Welle stimmen. Dies erfordert Geschick und hochpräzise Fertigung.

Die Geschichte der Luftlager

Wir wissen, was sie sind, wie sie funktionieren und wie sie sich von anderen Lagern unterscheiden. Aber woher kommen sie?

Loch um Loch

Nun, alles begann im frühen 19. Jahrhundert, im Jahr 1812. Robert Wills untersuchte, wie kleine Löcher den Luftstrom zur Lastaufnahme steuern konnten. Es war noch sehr früh, aber dies war im Wesentlichen der Beginn des Blendenluftlagers.

Flüssigkeit leistete Gas einen guten Dienst

Später in diesem Jahrhundert entwickelte Osbourne Reynolds, ein britischer Physiker, die heute als Reynolds-Gleichung bekannte Formel. Diese beschrieb die Druckverteilung in einem Flüssigkeitsfilm und wurde zu den mathematischen Grundlagen für das Verständnis von flüssigkeitsgeschmierten Lagern (und später auch Gaslagern). Googeln Sie es, wenn Sie sich trauen… es ist eine riesige partielle Differentialgleichung. *Schluckt*

Entwicklungsreibung

1897 begann Albert Kingsbury mit extern unter Druck gesetzten Luftgleitlagern zu experimentieren. Obwohl die Arbeit wichtig war, zeigte Kingsbury auf, wie präzise die Komponenten sein mussten und dass die damalige Fertigung dies nicht durchgängig leisten konnte.

Versuchen Sie, eine Bohrung und eine Welle mit 1800er-Ausrüstung an einen gleichmäßigen Spalt von 0,0005 Zoll anzupassen.

Hebt ab

Im 20. Jahrhundert, genauer gesagt 1904, patentierte George Westinghouse ein Axiallager, das Luft für eine vertikale Dampfturbine nutzte. Dies ist wohl das erste praktische luftlagerähnliche Design in der Industriemaschinerie.

Fließende Lagermetalle

Ein Jahr später entwickelte Anthony George Malden (AGM) Michell die Reynold-Gleichung und fand einen Weg, seitliches Leckage zu berücksichtigen. Zuvor galt die Gleichung nur für ebene Flächen – wo das Verhalten zwischen zwei unendlichen zweidimensionalen Druckfeldern lag.

Eines von Michells Lagerpatenten (US1315735A) | Quelle: Google Patents

Michells Entwicklungen berücksichtigten reale Einschränkungen und machten sie letztendlich nützlicher. Diese Entwicklungen halfen Michell wahrscheinlich, das Michell-Lager zu patentieren, das eine Reihe von schwenkbaren Lagermetallen hatte, um Ölfilmen bei der Lastaufnahme zu helfen.

Gleich und doch anders

1907 kehrte Albert Kingsbury zurück. Die Fertigung hatte sich verbessert, und er konnte sein heute bekanntes Axiallager (ein hydrodynamisches, ölgeschmiertes Lager) entwickeln.

Wie Michells Lager hatte auch Kingsburys Lager eine Reihe von Bögen zur Lastaufnahme. Als er jedoch ein Patent anmeldete, wurde dieses wegen Michells Arbeit abgelehnt. Nachdem er jedoch nachgewiesen hatte, dass seine Arbeit zuerst begonnen hatte, wurde sein Patent erteilt.

Kingsburys Patent von 1910: US947242 | Quelle: Google Patents

Kurz darauf, im Jahr 1912, fand Kingsburys Lager seine erste Anwendung – im Kraftwerk Holtwood. Es ist anscheinend immer noch voll in Betrieb!

Es ist groovy, Baby

Nach dem Zweiten Weltkrieg verbesserten sich Technologie, Materialien und Fertigungsmöglichkeiten. Neu gewonnene Präzision gab den Lagern den Raum, den sie zum Atmen – und zum Gedeihen – brauchten. Die Forschung ging weiter. Und Luftlager wurden immer besser, einschließlich neuer Theorien, wie das Nutendesign die Stabilität des Luftfilms verbessern könnte.

Die Forschung der US National Laboratories trug dazu bei, Luftlager in neuen Anwendungen zu implementieren, einschließlich hochpräziser Werkzeugmaschinen. Sie entwickelten auch einige der ersten porösen Luftlager.

Tatsächlich kam 1965 Check Mate, die erste Koordinatenmessmaschine (KMM), die Luftlager verwendete, auf den Markt. Diese verwendete poröse Luftlager, wobei das poröse Material Kohlenstoff war. Einige der Check Mate-Maschinen sind angeblich noch heute in Gebrauch.

Der wohl größte Erfolg kam jedoch von IBM. In den 60er Jahren verwendeten sie Luftlagerspindeln für die Herstellung ihrer ersten Generation von Festplatten.

Die Welt am Laufen halten

Als wir uns der heutigen Zeit näherten, begannen Unternehmen, ihre eigenen Luftlager zu entwickeln, wobei sich mehrere auf bestimmte Branchen und Anwendungen konzentrierten (z. B. entwickelte die Sheffield Corporation in den 80er Jahren ihr eigenes poröses Luftlager für KMMs). Andere begannen, Luftlager zu standardisieren und sie für Leute wie Sie und mich leicht verfügbar zu machen.

Die Finite-Elemente-Analyse (FEA) und andere computergestützte Entwicklungen halfen, das Verhalten von Luftfilmen zu modellieren, Beschichtungen und mechanische Eigenschaften zu verbessern, damit Luftlager mehr leisten und aushalten konnten.

Anwendungen von Luftlagern

Es wird wahrscheinlich nicht überraschen, dass die Verwendung von aerodynamischen und aerostatischen Lagern fortgesetzt wurde. Wir finden diese reibungsfreien Faszinationen in mehr Branchen als je zuvor. Zum Beispiel:

Luft- und Raumfahrt

Heute werden sie in Hilfsaggregaten (APUs) (der kleinen Gasturbine, die Strom liefert, wenn die großen Triebwerke nicht laufen), Gyroskopen und Turboladern eingesetzt. Ihre kontaktlose Bauweise ermöglicht es ihnen, über längere Zeiträume zu arbeiten und präzise Informationen (wie den Flugwinkel) zu liefern – und bei Turbinen mit hohen Geschwindigkeiten zu arbeiten.

Elektronik

Die Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Geräuscharmut von Luftlagern führen dazu, dass sie häufig in Festplatten und optischen Laufwerken eingesetzt werden. Sie können über längere Zeiträume hohe Drehzahlen erreichen und benötigen dafür vergleichsweise weniger Energie!

Turbomaschinen

Kompressoren, Turbinen und Turboexpander verwenden eine Reihe von Luftlagern, damit auch sie mit hohen Geschwindigkeiten und minimaler Reibung arbeiten können – und nicht regelmäßig ausgetauscht werden müssen. Traditionelle Lager haben Probleme mit Verschleiß, Reibung und regelmäßiger Schmierung. Luftlager nicht, was sie zu einer guten Wahl macht.

Maschinenbau

Wie wir gesehen haben, kommen Luftlager in Koordinatenmessmaschinen zum Einsatz. Sie werden auch in anderen Inspektionsgeräten wie Dreh- und Spindelinspektoren verwendet. Da sie kontaktlos sind, fällt kein Schmutz ab, was sie für Reinraumumgebungen geeignet macht. So können beispielsweise Wafer (nicht der köstliche Keks-Snack) für Halbleiter hergestellt werden.

Zwei verschiedene KMMs – Luftlager helfen, den Arm zu bewegen

Energie

Es überrascht nicht, dass ein hoher Wirkungsgrad auch im Energiesektor wünschenswert ist. Mikroturbinen und Brennstoffzellensysteme bieten mehr Leistung für ihr Geld und reduzieren die Umweltbelastung, da Luftlager reibungsfrei sind.

Reibungsloser, zappeliger Spaß

Aerodynamische Lager sind nicht nur sehr nützlich, sondern auch sehr spaßig zum Spielen. Denn einst haben wir etwas ziemlich Gefährliches hergestellt. Es war nicht scharf wie ein Skalpell. Und es sprang dich nicht an, wenn du es herunterdrücktest…

Das war es definitiv nicht

Um Finger und Augen zu schonen, haben wir uns stattdessen für etwas Lustigeres, Zappeliges und Familienfreundlicheres entschieden: Den MetMo Piston.

In all seiner Pracht!

Es ist wie das Klicken eines Kugelschreibers. Nur macht es keinen Lärm, dreht sich, springt und startet natürlich. Dieser ist nicht auf unserem Kickstarter erhältlich und kann jetzt in unserem Shop gekauft werden. Allerdings sind die Läufe begrenzt. Wenn Sie einen bekommen möchten, schauen Sie sich um und sehen Sie hier nach, ob sie auf Lager sind.

Das war's also mit den reibungslosen Betreibern unserer wunderbaren Ingenieurswelt. Ich hoffe, Sie haben das Lesen genossen.