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Die Erfindung betrifft ein Kippsegmentlager zur Lagerung einer Welle.
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Stand der Technik
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Kippsegmentlager (KSL) kommen vor allem ölgeschmiert bei niedrigen und mittleren Drehzahlen bzw. Umfangsgeschwindigkeiten bis ca. 100 m/s zum Einsatz. Für höhere Umfangsgeschwindigkeiten (bis ca. 200 m/s) können luftgeschmierte Kippsegmentlager eingesetzt werden, wenn die Anforderungen an die Tragkraft der Lager nicht zu hoch sind (bis ca. 0,7 N/mm2). Durch die geringere Viskosität der Luft im Vergleich zu Öl sind bei den luftgeschmierten Kippsegmentlagern die Schmierspalthöhen deutlich kleiner als bei den ölgeschmierten Lagern. Zum Teil liegen die Schmierspalthöhen in der Größenordnung von 10µm und sind damit um den Faktor 5 geringer als bei den ölgeschmierten Lagern. Die engeren Lagerspalte stellen hohe Anforderungen an die Sauberkeit der Luft.
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Aus der
DE 32 25 423 A1 ist des Weiteren ein Schwenkgelenklager bekannt, welches eine Gasturbine lagert. Das Schwenkgelenklager besteht aus einer Reihe von Schuhen, die im Winkel um die Welle angeordnet und durch Zapfen an der Innenfläche eines ringförmigen Schuhtragglieds schwenkbar gelagert sind. Das Schuhtragglied ist in einem äußeren Traggehäuse enthalten, welches stirnseitig durch zwei Stirnwände geschlossen ist. Die Stirnwände sind mit Dichtringen für Schmieröl versehen das unter Druck durch einen Lieferkanal im Traggehäuse zugeführt wird und eine ringförmige Kammer vollständig ausfüllt, in der die Schuhe angeordnet sind. Zwischen der Außenfläche des Schuhtragglieds und der darüber liegenden ringförmigen Innenfläche des Tragglieds befindet sich eine Reihe von Blattfedern die in gleichen Winkelabständen gehalten werden von Paaren von seitlich positionierenden Stiften die von dem Traggehäuse getragen werden. Die Breite jeder Blattfeder ist gleich der Länge des ringförmigen Schuhtragglieds. Das Schuhtragglied enthält auch eine Reihe von in Umfangsrichtung angeordneten axialen Ausnehmungen, die eine entsprechende Reihe von Schraubenfedern aufnehmen, die mit der Stirnwand des Traggehäuses zusammenarbeiten und das Schuhtragglied nachgiebig gegen die andere Stirnwand drücken.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung offenbart ein Kippsegmentlager mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Demgemäß ist ein Kippsegmentlager vorgesehen, aufweisend:
eine Lagerhülse,
mehrere Kippsegmente, wobei zwischen der Innenseite der Lagerhülse und dem gegenüberliegenden Kippsegment ein elastisches und/oder federndes Element, insbesondere Blattfederelement, dazwischen angeordnet ist.
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Vorteile der Erfindung
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Das Kippsegmentlager mit dem elastischen und/oder federnden Element, insbesondere Blattfederelement, hat den Vorteil, dass das Kippsegmentlager robuster gegen einen Partikeleintrag ist. Ein Partikeldurchgang zwischen einer durch das Kippsegmentlager gelagerten Welle und dem Kippsegmentlager kann so nicht zum Klemmen des Kippsegmentlagers bzw. eine zu starken, plötzlichen Reibmomentanstieg führen. Solche plötzlichen und starken Reibmomentanstiege könnten sonst in der Regel sehr schnell drehende Wellen zu Schwingungen anregen, die zum Ausfall des Lagers führen könnten.
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Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In einer Ausführungsform ist das elastische und/oder federnde Element, insbesondere Blattfederelement, in einer Aufnahme oder hier Blattfederelement-Aufnahme an der Innenseite der Lagerhülse gegenüberliegend der Rückseite des zugeordneten Kippsegments aufgenommen oder befestigt. Das Blattfederelement bewirkt aufgrund seiner federnden Wirkung, dass Partikel und insbesondere größere Partikel, die zwischen Welle und Kippsegment gelangen, nicht zu einem starken Anstieg der Reibung oder zum Blockieren der Welle führen.
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Die Aufnahme oder Blattfederelement-Aufnahme kann in einer Ausführungsform der Erfindung Schlitze oder Hinterschneidungen aufweisen zum Einführen oder Einklemmen des elastischen und/oder federnden Elements, z.B. Blattfederelements. Solche Schlitze in Form von z.B. Nuten oder schwalbenschanzförmigen Hinterschneidungen oder Nuten sind besonders einfach und kostengünstig in der Herstellung und ein Blattfederelement kann leicht damit an der Lagerhülse durch einen Monteur befestigt werden. So kann das Blattfederelement mit seinen Enden oder Endabschnitten einfach in einen jeweiligen Schlitz oder eine jeweilige Hinterschneidung eingeführt und darin verklemmt und so befestigt werden.
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Die Schlitze können in einer Ausführungsform der Erfindung z.B. waagerecht, schräg oder senkrecht in der Lagerhülse bzw. deren Innenwandung ausgebildet werden. Beispielsweise können solche Schlitze in Form von Nuten auf der Innenseite der Lagerhülse in die Lagerhülse gefräst werden.
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Die Lagerhülse kann in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung unterhalb des elastischen und/oder federnden Elements, z.B. Blattfederelements, eine zusätzliche Aussparung aufweisen. Diese Aussparung kann beispielweise als Nut oder Vertiefung, z.B. Bohrung, ausgebildet sein. Nuten oder Vertiefungen können auch sehr einfach durch Fräsen hergestellt werden, wobei die Erfindung auf die genannten Verfahren wie Bohren und Fräsen nicht beschränkt ist. Die Aussparung hat den Vorteil, dass ein Quetschfilm zwischen dem Blattfederelement und der Lagerhülse bereitgestellt werden kann, welcher eine Dämpfung erzeugt.
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Die Aussparung kann in einer Ausführungsform der Erfindung derart dimensioniert sein, beispielsweise hinsichtlich Durchmesser und/oder Tiefe einen vorbestimmten Quetschfilm unterhalb des elastischen und/oder federnden Elements, z.B. Blattfederelements zu erzeugen und eine damit verbundene Dämpfung.
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D. h., mit anderen Worten, dass durch diese Maßnahme eine Art Quetschfilm-Dämpfung, also eine Dämpfung durch Luftkompression bereitgestellt wird.
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An einer oder beiden Seite bzw. Längsseiten des Kippsegments kann in einer Ausführungsform der Erfindung an der Innenseite der Lagerhülse ein Anschlag vorgesehen werden. Dieser stellt eine Verdrehsicherung für das zugeordnete Kippsegment bereit. Dabei kann jedes Kippsegment jeweils auf beiden Längsseiten prinzipiell einen eigenen Anschlag aufweisen, so dass zwischen zwei benachbarten Kippsegmenten zwei Anschläge angeordnet sind, einmal für das eine Kippsegment und einmal für das andere Kippsegment. Stattdessen kann aber auch ein Anschlag gleichzeitig als Anschlag für zwei Kippsegmente fungieren. Dem entsprechend ist nur ein Anschlag zwischen zwei benachbarten Kippsegmenten vorgesehen und dient dabei für beide Kippsegmente als Anschlag. Aufgrund der vorgegebenen und festen Drehrichtung stößt in diesem Fall immer nur ein Kippsegment an dem Anschlag an.
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Der Anschlag kann in Ausführungsformen der Erfindung als separates Teil oder einstückig mit der Lagerhülse ausgebildet sein. Als separates Teil kann der Anschlag dabei beispielsweise bei Bedarf leicht ausgetauscht werden.
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Der Anschlag kann in einer Ausführungsform der Erfindung in einer Anschlag-Aufnahme in der Lagerhülse als separates Teil aufgenommen werden. Die Anschlag-Aufnahme kann beispielsweise als ein Schlitz z.B. in Form einer Nut in die Lagerhülse einfach eingefräst werden. Außerdem kann der Schlitz an wenigstens einem Ende Seite offen sein, so dass der Anschlag besonders einfach in den Schlitz eingeschoben werden kann.
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Ebenso kann in einer Ausführungsform der Erfindung der Anschlag auch aus der Lagerhülse herausgefräst sein und so eine besonders stabile Verbindung mit der Lagerhülse bereitgestellt werden, wobei eine zusätzliche Montage des Anschlags entfällt.
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Das elastischen und/oder federnden Elements, insbesondere Blattfederelement, und/oder der Anschlag können in Ausführungsformen der Erfindung aus Metall, Gummi und/oder einem faserverstärkten Kunststoff hergestellt sein. Blattfedern und Anschläge aus Metall eigenen sich beispielsweise für höhere Betriebstemperaturen.
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Des Weiteren ist das Kippsegmentlager ein luftgeschmiertes Kippsegmentlager gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Querschnittansicht eines Kippsegmentlagers;
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2 eine schematische Querschnittansicht eines Ausschnitts eines Kippsegmentlagers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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3 eine schematische Querschnittansicht eines Ausschnitts eines Kippsegmentlagers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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4 einen Ausschnitt der Innenseite der Lagerhülse des Kippsegmentlagers und des an der Innenseite der Lagerhülse befestigten Blattfederelements gemäß 2.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist eine schematische Querschnittansicht eines Beispiels für ein Kippsegmentlager 1 gezeigt, welches auf einer mit einer gestrichelten Linie angedeuteten Welle 4 angeordnet ist. Das Kippsegmentlager 1 weist dabei eine Lagerhülse 2 und beispielsweise fünf Kippsegmente 3 auf. Die einzelnen Kippsegmente 3 können um eine Berührlinie zwischen der Segmentrückseite und der Lagerhülse 2, welche senkrecht zu der Zeichenebene verläuft, kippen oder abwälzen.
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Kippsegmentlager 1 sind vom Prinzip her robuster gegen Partikeleintrag als Lager mit geschlossenen Laufflächen, weil in das Kippsegmentlager eintretende Partikel den Lagerspalt durch Freiräume zwischen den einzelnen Segmenten 3 wieder verlassen können.
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Kritisch ist jedoch der Fall, bei welchem Partikel zwischen Welle 4 und Kippsegment 3 gelangen. Bei luftgeschmierten Kippsegmentlagern sind durch die geringere Viskosität von Luft im Vergleich zu Öl die Schmierspalthöhen bei diesen luftgeschmierten Kippsegmentlagern deutlich kleiner als bei den ölgeschmierten Kippsegmentlagern. Zum Teil liegen die Schmierspalthöhen in der Größenordnung von 10µm und sind damit um den Faktor 5 geringer als bei den ölgeschmierten Kippsegmentlagern. Die engeren Lagerspalte stellen hohe Anforderungen an die Sauberkeit der Luft. Es ist daher zu vermeiden, dass Partikel in der Größenordnung der Lagerspalte in das Kippsegmentlager 1 gelangen, weil das Kippsegmentlager 1 ansonsten blockieren könnte. Zusätzlich ist es sinnvoll, das Kippsegmentlager so auszulegen, dass es robust gegen trotzdem in den Lagerspalt gelangende Partikel ist.
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In den 2, 3 und 4 ist ein Kippsegmentlager 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt.
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2 zeigt dabei eine schematische Querschnittansicht eines Ausschnitts des Kippsegmentlagers 1 in 1, welches eine Welle 4 lagert. Das Kippsegmentlager 1 weist eine Lagerhülse 2 mit mehreren Kippsegmenten 3 zur Lagerung einer Welle 4 auf, wobei in dem Ausschnitt in 2 eines der Kippsegmente 3 gezeigt ist. Je nach Länge der Lagerhülse 2 kann die Lagerhülse 2 auch als ein schmaler Ring oder ringförmige Lagerhülse ausgebildet sein.
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Des Weiteren zeigt 3 eine schematische Querschnittansicht eines Ausschnitts des Kippsegmentlagers 1 gemäß 2 mit zwei weiteren Ausführungsbeispielen für die Befestigung eines Blattfederelements 5 und eine weitere Variante für die Form des Blattfederelements 5.
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Außerdem zeigt 4 einen Ausschnitt der Innenseite der Lagerhülse 2 des Kippsegmentlagers 1 und des an der Innenseite der Lagerhülse 2 befestigten Blattfederelements 5 gemäß 2. Die Ansichten in den 2, 3 und 4 sind rein schematisch und stark vereinfacht. Des Weiteren sind die Dimensionierungen in den Darstellungen in den 2, 3 und 4 nicht maßstäblich. Insbesondere ist in 2 die Welle 4 zur Vereinfachung der Darstellung nicht maßstäblich sowie das Kippsegment 3 stark vereinfacht gezeigt. Die Erfindung wird anhand eines Blattfederelements 5 als einem Beispiel für ein elastisches und/oder federndes Element erläutert. Die Ausführungen zu den Figuren gelten aber entsprechend für jedes andere elastische und/oder federnde Element.
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Das erfindungsgemäße Kippsegmentlager 1 gemäß der 2, 3 und 4 ist luftgeschmiert.
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Zwischen der Rückseite des jeweiligen Kippsegments 3 und der Lagerhülse 2 wird ein Blattfederelement 5 vorgesehen. Das Blattfederelement 5 ist beispielweise aus Metall, beispielsweise einem Federstahl, einer Kupfer-Beryllium-Legierung usw., aus Gummi und/oder einem Faserverbundwerkstoffe, beispielsweise einem glasfaserverstärkten und/oder kohlefaserverstärktem Kunststoff, je nach Funktion und Einsatzzweck. Beispielsweise können Blattfederelemente aus Metall bei höheren Betriebstemperaturen und Blattfederelemente bzw. kompakte Pufferelemente aus Gummi beispielsweise bei niedrigeren Betriebstemperaturen und geringeren Belastungen eingesetzt werden.
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Das Blattfederelement 5 kann dabei flach, plattenförmig oder eben ausgebildet sein, wie in 2 und 4 gezeigt ist. Des Weiteren kann das Blattfederelement 5 eine beliebige für den Einsatz bei dem Kippsegmentlager 1 geeignete Form oder Kontur, vorzugsweise eine einfach herzustellende, Form oder Kontur wie z.B. die in 4 gezeigt viereckig Form oder Kontur, aufweisen. Ebenso kann das elastische und/oder federnde Element, insbesondere Blattfederelement 5, wenn es beispielsweise aus einem Metallblech, Gummi oder einem faserverstärkten Kunststoff ausgebildet ist auch statt ausschließlich flach oder plattenförmig ausgebildet zu sein auch gebogene oder abgeknickte Abschnitte aufweisen, wie in 3 angedeutet ist, um in einer entsprechenden Aufnahme bzw. Blattfederelement-Aufnahme 6 mit einem beispielsweise schrägen Schlitz 7 oder einem senkrechten Schlitz 8 aufgenommen zu werden.
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Das Blattfederelement 5 ist derart gewählt, dass es eine so hohe Steifigkeit aufweist, dass das Blattfederelement 5 gegenüber der radialen Steifigkeit des Kippsegmentlagers 1 und insbesondere entsprechender Komponenten der radialen Steifigkeit in einer Steifigkeitsmatrix des Kippsegmentlagers 1 im normalen Betrieb vernachlässigt werden kann. Mit anderen Worten die Steifigkeit des Blattfederelements 5 ist deutlich höher als die durch die Lagerauslegung und den Luftfilm des luftgeschmierten Kippsegmentlagers 1 bestimmte Steifigkeit.
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Wie in 2, 3 und 4 gezeigt ist, weist die Lagerhülse 2 auf ihrer Innenseite oder der den Kippsegmenten 3 gegenüberliegenden Seite eine Blattfederelement-Aufnahme 6 für das Blattfederelement 5 auf. An der Innenseite der Lagerhülse 2 kann die Blattfederelement-Aufnahme 6 dabei beispielsweise in Form von wenigstens einem Schlitz oder einer Hinterschneidung an gegenüberliegenden Seiten ausgebildet sein zum Einstecken und Einklemmen eines jeweiligen Endes des Blattfederelements 5 in den zugeordneten Schlitz bzw. die zugeordnete Hinterschneidung. Wie in 4 gezeigt ist, kann der jeweilige Einsteckschlitz oder die Hinterschneidung in Längsrichtung der Lagerhülse 2, beispielsweise parallel zu der Längs- oder Drehachse 9 des Kippsegmentlagers 3 ausgebildet sein. Der jeweilige Einsteckschlitz oder die jeweilige Hinterschneidung als Beispiele für Blattfederelement-Aufnahmen 6 kann sich des Weiteren beispielsweise entlang wenigstens eines Abschnitts oder, wie mit einer gestrichelten Linie in 4 angedeutet ist, über die gesamte Länge der Lagerhülse 2 erstrecken.
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Die Einsteckschlitze oder Hinterschneidungen als Beispiele für Blattfederelement-Aufnahmen 6 können des Weiteren waagerecht, wie in der Schnittansicht in 2 gezeigt ist, oder wie in 3 gezeigt senkrecht oder schräg verlaufend in der Lagerhülse 2 ausgebildet sein.
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Solche Einsteckschlitze oder Hinterschneidungen haben den Vorteil, dass sie einfach und kostengünstig hergestellt werden können, beispielsweise durch Fräsen usw..
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Die Blattfederelement-Aufnahme 6 zur Aufnahme des Blattfederelements 5 kann eine beliebige Form aufweisen die geeignet ist, das Blattfederelement 5 aufzunehmen und an der Lagerhülse 2 auf deren Innenseite zu befestigen.
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Unterhalb des Blattfederelements 5 an der Innenseite der Lagerhülse 2 ist des Weiteren eine zusätzliche Aussparung 10 vorgesehen, wie in 2 und 3 gezeigt und in 4 mit einer gepunkteten Linie angedeutet ist. Die Aussparung unterhalb des Blattfederelements bildet dabei einen externen Dämpfer.
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Die Aussparung 10 kann sich hierbei, wie in 4 gezeigt über die gesamte Länge der Lagerhülse 2 erstrecken und dem entsprechend an ihren beiden Enden offen sein, wie in 4 mit einer gepunkteten Linie angedeutet ist, oder auch beispielsweise als eine Vertiefung 11 in der Lagerhülse 2 ausgebildet sein, welche umlaufend geschlossen ist, wie mit einer gestrichelten Linie ebenfalls in 4 angedeutet ist. Die Vertiefung 11 kann sich dabei über wenigstens eine oder beide Längsseiten des Blattfederelements 5 hinaus erstrecken, wie in 4 gezeigt ist, oder mit den Längsseiten des Blattfederelements 5 bündig abschließen oder innerhalb des Blattfederelements 5 liegen.
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Die Aussparung 10 kann beispielweise als eine Nut oder eine kreisrunde Vertiefung, wie in 3 angedeutet ist, ausgebildet sein, da diese Formen besonders einfach beispielsweise mittels Fräsen oder Bohren hergestellt werden können. Die Erfindung ist jedoch weder auf diese Formen für die Aussparung 10 noch auf Fräsen und Bohren als Verfahren zum Herstellen der Aussparungen beschränkt. Die Aussparung 10 kann jede beliebige Form aufweisen die geeignet ist, dass die Aussparung 10 als externer Dämpfer fungiert.
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Die Aussparung 10 unterhalb des Blattfederelements 5 stellt einen Quetschfilm zwischen der Unterseite oder Rückseite des Blattfederelements 5 und der gegenüberliegenden Lagerhülse 2 bereit und wirkt somit als Dämpfer bzw. externer Dämpfer.
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Des Weiteren ist in Längsrichtung der Lagerhülse 2 auf beiden Seiten eines jeweiligen Kippsegments 3 ein Anschlag 12 vorgesehen, beispielsweise ein Metallelement 13, wie ein Metallplättchen oder ein Metallblech bzw. Metallblechstreifen. Ebenso kann der Anschlag 12, statt aus Metall, wie z.B. einem Federstahl, einer Kupfer-Beryllium-Legierung usw., aus Gummi und/oder einem Faserverbundwerkstoffe, beispielsweise einem glasfaserverstärkten und/oder kohlefaserverstärktem Kunststoff, je nach Funktion und Einsatzzweck bestehen.
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Jedes der Kippsegmente 3 weist dabei auf beiden Seiten jeweils einen eigenen Anschlag 12 auf. Jedoch ist es auch denkbar, dass wenn der Anschlag 12, z.B. das Metallplättchen, geeignet breit ist und die Kippsegmente 3 entsprechend nahe zueinander angeordnet sind, dass der Anschlag 12 gleichzeitig als Anschlag für zwei benachbarte Kippsegmente 3 fungiert.
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Der jeweilige Anschlag 12, wie das in den 2 und 3 angedeutete Metallplättchen kann dabei als separates Teil in einer Anschlag-Aufnahme 14, z.B. einem Schlitz in Form einer durchgehenden Nut, befestigt sein oder einteilig mit der Lagerhülse 2 ausgebildet sein, beispielsweise durch Ausfräsen der Anschläge in der Lagerhülse 2.
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Die Blattfederelemente 5 und ihre Blattfederelement-Aufnahmen 6 in der Lagerhülse 2, sowie die Anschlag-Aufnahmen 14 sind vorzugsweise möglichst einfach ausgebildet, so dass sie mit engen Maß- und Formtoleranzen herstellbar sind. Dazu weist das Blattfederelement 5 und ihre Blattfederelement-Aufnahme 6 in der Lagerhülse 2 eine möglichst einfache Geometrie auf. Beispielsweise kann das Blattfederelement 5 als viereckiges, insbesondere quadratisches oder rechteckiges, kreisförmiges oder ovales Blattfederelement 5 ausgebildet sein. Die Erfindung ist jedoch auf diese Formen oder Konturen für die Blattfederelemente 5 nicht beschränkt. Grundsätzlich kann das Blattfederelement jede Form oder Kontur aufweisen, die geeignet ist zum Anordnen zwischen dem Kippsegment und der Lagerhülse.
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Das zuvor mit Bezug auf die 2 bis 4 beschriebene erfindungsgemäße Kippsegmentlager hat den Vorteil, dass ein Eintreten von Partikeln in den Lagerspalt nicht zu einem Verklemmen der Welle führt und des Weiteren lediglich zu einem begrenzten kurzzeitigen Reibmomentanstieg. Die auf der Rückseite des Blattfederelements entstehende Kavität oder zusätzliche Aussparung übernimmt außerdem zusätzlich die Funktion eines externen Dämpfers durch Erzeugen eines Quetschfilms. Durch die Kavität oder Aussparung kann der Quetschfilm und damit die Dämpfung eingestellt werden.
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Die Anschläge für die Kippsegmente stellen des Weiteren eine Verdrehsicherung für die Kippsegmente bereit.
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Die zuvor beschriebene Erfindung kann für alle Kippsegmentlagertypen eingesetzt werden, bei denen das Kippen der einzelnen Kippsegmente durch Abwälzen auf der Innenseite der Lagerhülse erfolgt. Das erfindungsgemäße Kippsegmentlager, insbesondere radialelastische Kippsegmentlager, kann in einer Vielzahl von beispielsweise hochdrehenden Anwendungen eingesetzt werden, z.B. generell in thermischen Strömungsmaschinen, wie z.B. Turboladern, Kompressoren bzw. Verdichtern usw.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Die in den 2, 3 und 4 gezeigten Ausführungsbeispiele sind miteinander kombinierbar, insbesondere einzelne Merkmale davon.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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