-
Die Erfindung betrifft ein Kippsegmentlager mit mindestens einem Kippsegment, das durch mindestens ein Festkörpergelenk relativ zu mindestens einem Trägerelement um eine Kippachse kippbar ist, um zwischen dem Kippsegment und einem in diesem um eine Drehachse drehbar gelagerten Rotorkörper einen Lagerspalt zu erzeugen. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kippsegmentlagers.
-
Stand der Technik
-
Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2017 202 740 A1 ist ein Kippsegmentlager mit einem Lagergrundkörper und zumindest einem Kippsegment bekannt, das über einen ein Festkörpergelenk bildenden Steg mit dem Lagergrundkörper verbunden ist. Das Kippsegment, das Festkörpergelenk und der Lagergrundkörper sind dabei einstückig und aus dem selben Material hergestellt. Die Anforderungen an die verschiedenen Teile des Kippsegmentlagers sind dabei unterschiedlich, so dass die Auswahl des Materials kompromissbehaftet ist und nicht für alle Anforderungen optimal sein kann.
-
Bei dem Rotorkörper handelt es sich zum Beispiel um einen Wellenabschnitt einer Welle. In vielen Bereichen der Technik müssen schnelldrehende Wellen gelagert werden. Solche Wellen werden beispielsweise in Luftverdichtern benötigt, wie sie insbesondere zur Verdichtung von Luft für aufgeladene Verbrennungsmotoren oder für Brennstoffzellensysteme Verwendung finden. Dabei sind auf, in oder an der Welle in der Regel weitere Bauteile montiert, beispielsweise Turbinenräder, Verdichterräder oder Magnete für elektrische Antriebe. Diese drehen sich ebenfalls mit sehr hoher Geschwindigkeit. Die Wellen können einteilig oder mehrteilig ausgeführt sein. Die Welle wird vorzugsweise durch mehrere Lagereinheiten gelagert, zum Beispiel zwei Radiallager und ein Axiallager. Die Lagereinheiten ermöglichen ein möglichst verlustarmes Rotieren, wenn im Betrieb Kräfte und Momente auf die Welle wirken. Zur Lagerung werden vorteilhaft gasgeschmierte Lager verwendet, da diese bei sehr hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten sehr geringe Reibung und damit nur wenig Lagerverluste aufweisen. Darüber hinaus kann bei einem gasgeschmierten Lager eine Öl- oder Fettschmierung entfallen. Das ist insbesondere bei Brennstoffzellenanwendungen von Vorteil, da hier die geförderte Verdichterluft ölfrei sein muss, um einen Brennstoffzellenstack nicht zu beschädigen.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Das erfindungsgemäße Kippsegmentlager mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass das jeweilige Material für Kippsegment, Festkörpergelenk und Trägerelement optimal für die jeweilige Anforderung gewählt werden kann. Das Verfahren gemäß Anspruch 9 ermöglicht auf einfache Weise eine Herstellung eines solchen Kippsegmentlagers.
-
In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben. Die Ausbildung gemäß Anspruch 2 ermöglicht eine optimale Materialauswahl für das mindestens eine Kippsegment. Die Ausbildung gemäß Anspruch 3 ermöglicht eine optimale Materialauswahl für das mindestens eine Festkörpergelenk. Die Ausbildung gemäß Anspruch 4 ermöglicht auf einfache Weise eine Verbindung der verschiedenen Materialien. Die Ausbildung gemäß Anspruch 5 ermöglicht eine vorteilhafte Anordnung der Kippachse des mindestens einen Kippsegments. Die Ausbildung gemäß Anspruch 7 ermöglicht einen einfachen Aufbau des Kippsegmentlagers. Die Ausbildung gemäß Anspruch 8 ermöglicht ebenfalls eine einfache Herstellung des Kippsegmentlagers und im Anspruch 9 ist ein entsprechendes Verfahren angegeben.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
-
Figurenliste
-
Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Darstellung einer Anordnung mit einem Gehäusekörper, einem Kippsegmentlager und einem Rotorkörper;
- 2 das Kippsegmentlager aus 1 in perspektivischer Darstellung ohne den Gehäusekörper;
- 3 das Kippsegmentlager aus 2 in einem Längsschnitt gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
- 4 einen Ausgangskörper zur Herstellung des Kippsegmentlagers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel in einer Draufsicht; und
- 5 den Ausgangskörper von 4 in einer Seitenansicht und einer Verdeutlichung einer Aufrollbewegung.
-
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
-
In den 1 bis 5 ist ein Kippsegmentlager 10 in verschiedenen Ansichten und Schnitten und gemäß unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellt. Zur Bezeichnung gleicher oder ähnlicher Teile werden in den 1 bis 5 die gleichen Bezugszeichen verwendet. Zunächst werden die Gemeinsamkeiten der Ausführungsbeispiele beschrieben. Danach wird auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen eingegangen.
-
In den 1 bis 5 ist ein Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers 10 mit drei Kippsegmenten 12, 14 und 16 dargestellt. Es können jedoch auch weniger oder mehr als drei Kippsegmente vorgesehen sein. Radial innerhalb der Kippsegmente 12, 14, 16 ist ein Rotorkörper 18 um eine Drehachse 20 drehbar gelagert. Bei dem Rotorkörper 18 handelt es sich zum Beispiel um eine Welle oder um einen Wellenabschnitt einer Welle, vorzugsweise eines Luftverdichters eines Brennstoffzellensystems, wobei mit der Welle 18 wenigstens ein nicht dargestelltes Verdichterrad verbunden ist.
-
Die Kippsegmente 12, 14, 16 sind mit seitlich neben diesen angeordneten ringförmigen Trägerelementen 30 und 32 über Festkörpergelenke 34 verbunden. Die Kippsegmente 12, 14, 16 und die Trägerelemente 30, 32 sind in einem Ringraum angeordnet, der zwischen dem Rotorkörper 18 und einem Gehäusekörper 36 ausgebildet ist. Der Gehäusekörper 36 begrenzt das Kippsegmentlager 10 radial außen und weist eine Bohrung 37 auf, in die das Kippsegmentlager 10 eingeschoben ist. Zwischen dem Rotorkörper 18 und den Kippsegmenten 12, 14, 16 bildet sich ein Lagerspalt 38 aus. Der Lagerspalt 38 kann kovergierend ausgebildet sein.
-
Die Trägerelemente 30, 32 sind in Richtung der Drehachse 20 neben den Kippsegmenten 12, 14, 16 angeordnet und über jeweils ein Festkörpergelenk 34 mit jeweils einem Kippsegment 12, 14, 16 verbunden. Die Festkörpergelenke 34 können als Torsionsgelenke ausgebildet sein und weisen jeweils einen Torsionssteg 40 auf, der sich etwa in Richtung der Drehachse 20 zwischen dem jeweiligen Kippsegment 12, 14, 16 und dem jeweiligen Trägerelement 30, 32 erstreckt. Die Torsionsstege 40 können eine beliebige Querschnittsform aufweisen, beispielsweise etwa rund oder eckig, beispielsweise quadratisch oder rechteckig. Durch die Größe des Querschnitts, die Querschnittsform und die Länge der Torsionsstege 40 kann deren Federcharakteristik, insbesondere deren Federsteifigkeit, gemäß den Erfordernissen festgelegt werden. Die Torsionsstege 40 sind in Umfangsrichtung gesehen zumindest annähernd in der Mitte des jeweiligen Kippsegments 12, 14, 16 angeordnet. In radialer Richtung bezüglich der Drehachse 20 verlaufen die Torsionsstege 40 zwischen den radial inneren Rändern und den radial äußeren Rändern der Kippsegmente 12, 14, 16 und vorzugsweise zumindest annähernd in der Mitte der radialen Erstreckung der Kippsegmente 12, 14, 16.
-
Durch elastische Verdrehung der Torsionsstege 40 können die Kippsegmente 12, 14, 16 eine Verkippung um eine durch die an einem Kippsegment 12, 14, 16 einander jeweils gegenüberliegenden Torsionsstege 40 bestimmte Kippachse 42 ausführen. Die jeweilige Kippachse 42 verläuft dabei durch das jeweilige Kippsegment 12, 14, 16 hindurch und vorzugsweise zumindest annähernd im Bereich des Schwerpunkts des jeweiligen Kippsegments 12, 14, 16. Durch eine Verkippung um die Kippachsen 42 können sich die Kippsegmente 12, 14, 16 im Betrieb des Kippsegmentlagers 10 optimal an die Welle 18 anpassen.
-
Erfindungsgemäß sind die Kippsegmente 12, 14, 16 aus einem anderen Material hergestellt als die Festkörpergelenke 34 und die Trägerelemente 30, 32. Vorzugsweise sind die Kippsegmente 12, 14, 16 aus einem Material mit hoher Härte oder zumindest hoher Oberflächenhärte auf deren dem Rotorkörper 18 zugewandten Oberflächen hergestellt. Die Kippsegmente 12, 14, 16 sind beispielsweise aus Metall, insbesondere Stahl oder Hartmetall hergestellt. Erfindungsgemäß sind die Festkörpergelenke 34 aus einem Material mit hoher Schwingfestigkeit hergestellt, da diese im Betrieb des Kippsegmentlagers 10 schwingend belastet werden. Die Festkörpergelenke 34 können aus Metall, beispielsweise Stahl oder Federstahl hergestellt sein. Die Trägerelemente 30, 32 sind aus einem Material mit hoher Festigkeit hergestellt, da über die diese die Lagerbelastung auf den Gehäusekörper 36 übertragen wird. Die Trägerelemente 30, 32 können beispielsweise aus Stahl hergestellt sein, der vorzugsweise derart gewählt ist, dass dieser eine möglichst geringe Fressneigung beim Einpressen des Kippsegmentlagers 10 in den Gehäusekörper 36 aufweist.
-
Bei einem in 3 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist das Kippsegmentlager 10 aus mehreren in Richtung der Drehachse 20 nebeneinander angeordneten ringförmigen Körpern aufgebaut. Die seitlichen Enden des Kippsegmentlagers 10 bilden die beiden ringförmigen Trägerelemente 30, 32. Mittig zwischen den beiden Trägerelementen 30, 32 sind die Kippsegmente 12, 14, 16 angeordnet, die ausgehend von einem geschlossenen ringförmigen hohlzylinderförmigen Körper dadurch gebildet sind, dass in diesen in Richtung der Drehachse 20 verlaufende Schlitze 50 eingebracht sind, wodurch die einzelnen teilringförmigen Kippsegmente 12, 14, 16 in Umfangsrichtung voneinander getrennt sind. Die Wandstärken der Trägerelemente 30, 32 sowie der Kippsegmente 12, 14, 16 können gleich oder unterschiedlich sein. Zwischen den Kippsegmenten 12, 14, 16 und den Trägerelementen 30, 32 sind die Festkörpergelenke 34 angeordnet.
-
Vorzugsweise weisen die Festkörpergelenke 34 an ihren den Trägerelementen 30, 32 zugewandten Seiten Randbereiche 52 auf, die wie die Trägerelemente 30, 32 ringförmig um die Drehachse 20 verlaufen. An ihren den Kippsegmenten 12, 14, 16 zugewandten Seiten weisen die Festkörpergelenke 34 entsprechend den Kippsegmenten 12, 14, 16 sich teilringförmig um die Drehachse 20 erstreckende Randbereiche 54 auf. Die Randbereiche 54 der Festkörpergelenke 34 erstrecken sich vorzugsweise über denselben Umfangsbereich wie das jeweilige Kippsegment 12, 14, 16. Die Festkörpergelenke 34 können ausgehend von einem geschlossenen ringförmigen Körper hergestellt werden indem in diesen schlitzförmige Öffnungen 51 eingebracht werden um die Torsionsstege 40 voneinander und von den Randbereichen 52, 54 zu trennen. Diese Öffnungen können beispielsweise mittels Laserschneiden oder mittels eines Scheibenfräsers eingebracht werden.
-
Die den Kippsegmenten 12, 14, 16 gegenüberliegenden Randbereiche 54 der Festkörpergelenke 34 sind stoffschlüssig mit den Kippsegmenten 12, 14, 16 verbunden und die den Trägerelementen 30, 32 gegenüberliegenden Randbereiche 52 der Festkörpergelenke 34 sind stoffschlüssig mit den Trägerelementen 30, 32 verbunden. Die stoffschlüssigen Verbindungen sind vorzugsweise als Schweißverbindungen ausgeführt. Durch die ringförmigen Randbereiche 52, 54 der Festkörpergelenke 34 stehen für deren stoffschlüssige Verbindungen ausreichend große Flächen zur Verfügung und die Verbindungen sind nicht direkt an den Torsionsstegen 40 angeordnet, so dass hohe Kerbspannungen vermieden werden.
-
In den 4 und 5 ist das Kippsegmentlager 10 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem der grundsätzliche Aufbau gleich ist wie beim ersten Ausführungsbeispiel. Das Kippsegmentlager 10 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist ausgehend von einem in 4 dargestellten ebenen Ausgangskörper 60 hergestellt. Der Ausgangskörper 60 weist eine Längserstreckung auf und in Richtung der Längserstreckung gesehen mehrere nebeneinander angeordnete Bereiche, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen und die stoffschlüssig miteinander verbunden sind, beispielsweise verschweißt. Die äußersten Seitenbereiche des Ausgangskörpers 60 bilden die Trägerelemente 30, 32 und die mittleren Bereiche des Ausgangskörpers 60 bilden die Kippsegmente 12, 14, 16. Die zwischen den Seitenbereichen und den mittleren Bereichen des Ausgangskörpers 60 liegenden Zwischenbereiche bilden die Festkörpergelenke 34.
-
Zur Trennung der Kippsegmente 12, 14, 16 untereinander und von den Festkörpergelenken 34 und zur Trennung der Festkörpergelenke 34 von den Trägerelementen 30, 32 werden in den Ausgangskörper 60 Öffnungen 62 eingebracht, beispielsweise mittels eines Stanzverfahrens. Die die Festkörpergelenke 34 bildenden Zwischenbereiche des Ausgangskörpers 60 weisen vorzugsweise nach dem Einbringen der Öffnungen 62 zu den mittleren Bereichen und zu den Seitenbereichen hin in Längsrichtung durchgehende Randbereiche 64, 66 auf, über die die Verbindung mit den Kippsegmenten 12, 14, 16 und den Trägerelementen 30, 32 erfolgt. Somit ist eine ausreichend große Fläche für die Verbindung der Festkörpergelenke 34 vorhanden und hohe Kerbspannungen werden vermieden.
-
Vom Ausgangskörper 60 wird ein Streifen mit einer definierten Länge abgetrennt und dieser Streifen wird anschließend wie in 5 durch den Pfeil verdeutlicht aufgerollt, so dass dieser den das Kippsegmentlager 10 bildenden hohlzylinderförmigen Körper formt. Nach dem Aufrollen kann der Ausgangskörper 60 an dessen Stoßlinie verbunden werden, beispielsweise stoffschlüssig, insbesondere mittels einer Schweißverbindung.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102017202740 A1 [0002]