Fundamental investigation of non-contact bearings based on ultrasonic levitation aiming for high load capacity with compact design (EN)
Final Report Abstract
Im Rahmen des Projekts wurden grundlegende Fragestellungen zu Ultraschall-Levitationslagern beantwortet. Mit Hilfe der gewonnen Ergebnisse ist eine gesamtheitliche Betrachtung und Auslegung von Ultraschall-Levitationslagern möglich. Ausgehend von den Reynolds-Gleichungen wurden die ausschlaggebenden Einflussgrößen auf die Levitationskraft aufgezeigt. Hierbei wurde gezeigt, dass die Betriebsfrequenz des Ultraschallschwingers keinen signifikanten Einfluss auf die Levitationskraft hat. Um die Tauglichkeit der Ultraschalllevitation für den Einsatz in schnellbewegten Führungen zu belegen, wurden sowohl theoretische als auch experimentelle Untersuchungen herangezogen. Dabei konnte gezeigt werden, dass Lateralbewegung die Levitationskraft im betrachteten Betriebsbereich nicht signifikant beeinflusst. Zum dynamischen Verhalten von Ultraschall-Levitationslagern wurde eine systemübergreifende Betrachtung durchgeführt. Beginnend mit der elektrischen Ansteuerung und Reglung wurden die Autoresonante und Fremderregte Ansteuerung hingehend des Einschwingverhaltens des Ultraschallschwingers untersucht. In diesem Zusammenhang hat sich die Autoresonante Ansteuerung als vorteilhaft erwiesen. Neben dem Einschwingverhalten des Ultraschallschwingers beeinflusst der Aufbau des tragenden Luftfilms im Spalt die Dynamik des Ultraschall-Levitationslagers. Hierzu wurde der Einfluss der Sqzeeze-Zahl auf den Aufbau des Schmierfilms dargestellt. Mittels der ermittelten Modelle wurde eine Lagereglung umgesetzt, die die Position einer Spindel im Stillstand und bei Rotation einstellt. Hierbei sind Verschiebungen der Spindel von wenigen Mikrometern möglich. Abschließend wurden neuartige Ultraschallschwingerkonstruktionen betrachtet. Hierbei ist es gelungen die Baugröße deutlich zu reduzieren, indem ein sogenannter Langevin-Ultraschallschwinger gefaltet wurde. Demzufolge konnte die Baulänge halbiert werden. Darüber hinaus konnte durch die Kombination der Ultraschall- und der Magnetlevitation ein wesentlicher Nachteil von Ultraschall- Levitationslagern umgangen werden. Durch Wegfallen des zuvor benötigten Lagerumgriffs, wird ein Klemmen des Lagers aufgrund thermischer Dehnung vermieden.
Publications
- A Hybrid Ultrasonic Squeeze Film and Magnetic Levitation Actuator for Machine Guideways. In: Ultrasonics Symposium (IUS), IEEE International (pp. 485-487), 2013
Mojrzisch, S.; Ille, I.; Wallaschek, J.; Denkena, B.
(See online at https://dx.doi.org/10.1109/ULTSYM.2013.0126) - An ultrasonic levitation journal bearing able to control spindle center position. In: Mechanical Systems and Signal Processing, 36(1), 168-181, 2013
Zhao, S.; Mojrzisch, S.; Wallaschek, J.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2012.05.006) - On ultrasonic squeeze film levitation: modeling and feedback control of ultrasonic bearing systems. In: Proc. SPIE 8688, San Diego (USA) 2013
Mojrzisch, S.; Twiefel, J.
(See online at https://dx.doi.org/10.1117/12.2010257) - Transient amplitude behavior analysis of nonlinear power ultrasonic transducers with application to ultrasonic squeeze film levitation. In: Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 24(6), 745-752, 2013
Mojrzisch, S.; Wallaschek, J.
(See online at https://dx.doi.org/10.1177/1045389X12463460)
