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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Kippsegmentlager sowie ein Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Kippsegmentlagers.
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Aus dem Turbomaschinenbau sind ölgeschierte Kippsegmentlager bekannt, die einen Betrieb von schnelllaufenden Rotoren ermöglichen. Ein derartiges Kippsegmentlager weist Kippsegmente auf, die separat von einem äußeren Lagerkörper bzw. Außenring gefertigt werden und an der der Welle abgewandten Seite eine Außenkontur aufweisen, die ein Verkippen bzw. Schwenken des Kippsegments an der Innenkontur des Außenrings ermöglicht. Dazu ist die Außenkontur des Kippsegments mit einer balligen Kontur versehen. Weiterhin weist die der Welle zugewandte Lauffläche eine derartige Kontur auf, dass sich der zwischen der Lauffläche und der Welle ergebende radiale Lagerspalt in einer in Umfangsrichtung des Kippsegments verlaufenden Richtung ändert bzw. verengt. Dadurch wird in dem Spalt ein unter Druck stehender Schmiermittelfilm erzeugt, der eine reibungsarme Lagerung der Welle in den Kippsegmenten ermöglicht. Insbesondere bei schnelllaufenden Maschinen, bei denen die zu lagernde Welle beispielsweise im Lagerbereich eine Umfangsgeschwindigkeit mehr als 100 m/s aufweist, ist eine hochgenaue Fertigung des Kippsegmentlagers sowie eine hochgenaue Positionierung zweier, der radialen Lagerung der Welle dienender Kippsegmentlager erforderlich.
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Weiterhin sind aus dem Stand der Technik monolithisch ausgebildete Kippsegmentlager bekannt, bei denen die Kippsegmente über stegförmige Verbindungen einstückig mit dem Außenkörper bzw. Außenring verbunden sind. Auch hierbei ist es bekannt, zur Ausbildung eines sich verengenden Radialspalts zwischen der Lauffläche der Kippsegmente und der zu lagernden Welle die Laufflächen durch Schleifen mit einem entsprechend sich ändernden Abstand zur Drehachse der Welle auszubilden. Bei dieser Ausführungsform des Kippsegmentlagers ist die angesprochene Ausbildung der Laufflächen mit ihrer komplexen Geometrie relativ aufwendig bzw. teuer.
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Zuletzt ist es weiterhin bekannt, anstelle von Öl bzw. einem flüssigen Schmiermedium unter Druck stehendes Gas bzw. Druckluft bei einem Kippsegmentlager zu verwenden.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Kippsegmentlager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass es bei einer relativ einfachen Herstellbarkeit eine hochgenaue Fertigung der Laufflächen der Kippsegmente und der Anordnung der Kippsegmente zum Außenkörper bzw. zum Außenring ermöglicht. Dadurch wird insbesondere ein vorteilhafter Einsatz in schnelllaufenden Maschinen ermöglicht, bei denen beispielsweise zwei in einem Abstand zueinander angeordnete Kippsegmentlager mit geringen Toleranzen zueinander ausgerichtet angeordnet werden müssen.
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Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, bei einem monolithisch ausgebildeten Kippsegmentlager die Laufflächen zur Lagerung einer Welle an den Kippsegmenten mit einem einzigen konstanten, und daher relativ einfach herzustellenden bzw. zu fertigenden Radius auszubilden, und es durch eine plastische Verformung der Verbindungselemente zwischen den Kippsegmenten und dem Außenkörper bzw. dem Außenring zu ermöglichen, dass sich in gewünschter Art und Weise zur Welle ein in Umfangsrichtung der Lauffläche betrachtet radial verengender Spalt ausbildet, der es ermöglicht, dass sich zwischen der Lauffläche und der zu lagernden Welle das Schmiermittel, insbesondere in Form eine Gaspolsters, ansammelt bzw. verdichtet.
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Konkret schlägt es die Erfindung vor, dass die Kippsegmente jeweils über eine stegförmige Verbindung monolithisch mit dem Außenring des Kippsegmentlagers verbunden sind, wobei die Kippsegmente auf der dem Außenring abgewandten Seite jeweils eine einen konstanten Radius aufweisende Lauffläche besitzen, und wobei die Laufflächen der Kippsegmente einen Abstand zur Längsachse des Außenrings bzw. zur Drehachse der Welle aufweisen, der sich von einem ersten in Umfangsrichtung des Kippsegments angeordneten Endabschnitt in Richtung des anderen Endabschnitts zumindest bereichsweise vergrößert oder verkleinert.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kippsegmentlagers sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Kippsegmente, bei der diese in Umfangsrichtung eine gleichmäßige Festigkeit bzw. Steifigkeit aufweisen, ist es vorgesehen, dass die Kippsegmente eine konstante Dicke (in radialer Richtung) aufweisen, wobei zwischen den Kippsegmenten und einer Innenfläche des Außenrings in den Bereichen außerhalb der stegförmigen Verbindungen radial um die Längsachse des Außenrings umlaufende Spalte ausgebildet sind, die sich in Umfangsrichtung der Kippsegmente kontinuierlich vergrößern oder verkleinern.
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Weiterhin ist es zum Ausgleich von Toleranzen bzw. Rundlauffehlern der Welle der Vorteil, wenn die Kippsegmente und die stegförmigen Verbindungen elastisch kippbar zum Außenring angeordnet sind.
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Eine weitere, besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der geringste Abstand der Lauffläche zur Längsachse des Außenrings derart an den Außendurchmesser einer zu lagernden Welle angepasst ist, dass die Kippsegmente bereichsweise unter elastischer Vorspannung an die Welle anlegbar sind. Dadurch wird ein besonders hoher Druck des Schmiermediums im Bereich des Spalts zwischen der Lauffläche und der Welle erzeugt bzw. der Verlust an Schmiermedium im Bereich der Lauffläche minimiert.
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Insbesondere bei Anwendungen, bei denen die zu lagernde Welle zumindest im Wesentlichen in lediglich einer Drehrichtung betrieben wird, ist es von Vorteil, wenn die stegförmige Verbindung in Umfangsrichtung des Kippsegments betrachtet außermittig angeordnet ist.
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Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Herstellen eines soweit beschriebenen Kippsegmentlagers, wobei das erfindungsgemäße Verfahren zumindest folgende Schritte aufweist: In einem ersten Schritt wird an einem Rohteil um eine Längsachse des Rohteils eine Außenkontur und eine Innenbohrung ausgebildet. Anschließend erfolgt das Ausbilden mehrerer, um die Längsachse radial umlaufender Aussparungen in einem radialen Bereich zwischen der Außenkontur und einer Innenwand des Außenrings, wobei zwischen den Aussparungen die stegförmigen Verbindungen ausgebildet werden bzw. stehen bleiben. Anschließend erfolgt das Ausbilden der einzelnen Kippsegmente durch Auftrennen eines zwischen den Aussparungen und der Innenbohrung ausgebildeten Kippsegmentrings. Zuletzt erfolgt ein plastisches Deformieren der stegförmigen Verbindungen, sodass die Kippsegmente um die stegförmigen Verbindungen verkippt sind.
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In bevorzugter Ausgestaltung des soweit beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass das plastische Deformieren der stegförmigen Verbindungen durch einen Wärmeeintrag in die Verbindungen und einem Abbau von Wärmespannungen erfolgt in einem Zustand, in dem die Kippsegmente um die Verbindungen verkippt sind. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass die Kippsegmente zunächst um die stegförmigen Verbindungen elastisch oder plastisch verkippt werden, wodurch in den stegförmigen Verbindungen Spannungen erzeugt werden, die die Kippsegmente in ihre ursprüngliche Stellung zurückfedern wollen. Um diese Spannungen abzubauen und die plastische Deformation bzw. die verkippte Anordnung der Kippsegmente zu ermöglichen, erfolgt anschließend die angesprochene Wärmbehandlung. Die Wärmebehandlung ist vorzugsweise ausschließlich in dem Bereich der stegförmigen Verbindungen vorgesehen.
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In bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens ist es darüber hinaus vorgesehen, dass das Verkippen der Kippsegmente derart ausgeführt wird, dass der geringste Abstand der Laufflächen der Kippsegmente zu der Längsachse des Außenrings geringer ist als der Radius einer durch das Kippsegmentlager zu lagernden Welle.
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Um ein rationelles bzw. geringe Herstellkosten erforderndes Herstellverfahren zu gewährleisten, ist es darüber hinaus von Vorteil, wenn das Ausbilden des Außenumfangs an dem Außenring und/oder der Innenbohrung und/oder der Nuten und/oder der Kippsegmente aus dem Innenring durch ein spanendes Arbeitsverfahren erfolgen/erfolgt, das zumindest Schleifen umfasst.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
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Diese zeigt in:
- 1 ein monolithisch ausgebildetes Rohteil zur Ausbildung eines Kippsegmentlagers in einem ersten Fertigungsschritt,
- 2 das Rohteil gemäß 1 in einem zweiten Fertigungsschritt,
- 3 einen Ausschnitt aus dem Rohteil gemäß 2 in vergrößerter Darstellung,
- 4 eine Darstellung von Kippsegmenten und deren Anordnung zu einer zu lagernden Welle und
- 5 eine Darstellung zur Erläuterung der Ausbildung sich verjüngender Spalte zwischen den Kippsegmenten und einer Hilfswelle während der Herstellung des Kippsegmentlagers.
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Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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In der 2 ist ein monolithisch ausgebildetes Kippsegmentlager 10 dargestellt, wie es der Lagerung einer lediglich in der 4 erkennbaren Welle 1 dient, die einen Durchmesser D1 aufweist. Die Welle 1 dreht sich um eine Drehachse 2, wobei die Umfangsgeschwindigkeit der Welle 1 im Bereich der Lagerung beispielsweise mehr als 100m/s betragen kann.
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Das Kippsegmentlager 10 weist einen Außenring 11 mit einer insbesondere kreisförmigen Außenkontur 12 auf. Radial innerhalb einer umlaufenden Innenwand 13 des Außenrings 11 sind beispielhaft drei, in gleichmäßigen Winkelabständen um eine Längsachse 14 des Außenrings 11 angeordnete kreissegmentförmige Kippsegmente 15 bis 17 vorgesehen. Die Längsachse 14 des Außenrings 11 fluchtet im Einbauzustand der Welle 1 mit deren Drehachse 2.
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Die Kippsegmente 15 bis 17 weisen in Umfangsrichtung betrachtet eine gleichmäßige Dicke d auf und sind über jeweils ein stegförmiges Verbindungselement 18, das am Außenumfang des jeweiligen Kippsegments 15 bis 17 angeordnet ist, mit der Innenwand 13 des Außenrings 11 monolithisch verbunden. Zwischen den einzelnen Kippsegmenten 15 bis 17 sind in Bezug zur Längsachse 11 radial verlaufende Spalte 19 ausgebildet. Weiterhin sind rein beispielhaft die Verbindungselemente 18 in Bezug auf die Umfangsrichtung der Kippsegmente 15 bis 17 außermittig angeordnet. Auf der den Verbindungselementen 18 abgewandten Seite weisen die Kippsegmente 15 bis 17 jeweils eine Lauffläche 26 auf, die dazu ausgebildet ist, die Welle 1 drehbar zu lagern, insbesondere unter Verwendung eines gasförmigen, unter Druck stehendem Medium, vorzugsweise Druckluft.
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Die Herstellung eines soweit beschriebenen Kippsegmentlagers 10 erfolgt gemäß der 1 zunächst dadurch, dass an einem Rohteil 20 die Außenkontur 12 und eine Innenbohrung 27 ausgebildet bzw. erzeugt werden, wobei die einen Radius R aufweisende Innenbohrung 28 später die Laufflächen 26 an den Kippelementen 15 bis 17 ausbildet. Dabei ist es vorgesehen, dass der Radius R der Innenbohrung 27 beispielsweise 20µm größer ist als der Radius der zu lagernden Welle 1. Anschließend werden zur Ausbildung eines Kippsegmentrings 21 drei kreisförmig um die Längsachse 14 umlaufende Aussparungen 22 bis 24, beispielsweise durch Drahterodieren, erzeugt, wobei Abschnitte stehen bleiben, die die Verbindungselemente 18 ausbilden.
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Anschließend werden entsprechend der 2 die Spalte 19 an dem Kippsegmentring 21 erzeugt, sodass die Kippsegmente 15 bis 17 aus dem Kippsegmentring 21 ausgebildet werden.
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In der 3 ist das in der 2 dargestellte Kippsegmentlager 10 ausschnittsweise vergrößert dargestellt. Insbesondere erkennt man, dass in diesem Zustand zwischen dem Kippsegment 15 und dem Außenring 11 ein Radialspalt 25 zunächst eine gleichmäßige Weite w aufweist.
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Entsprechend der 4 ist es zur Lagerung der Welle 1 zwischen den Laufflächen 26 der Kippsegmente 15 bis 17 zur Optimierung eines Gas- bzw. Druckluftpolsters vorgesehen, dass sich die Weite w des Radialspalts 25, in Umfangsrichtung des jeweiligen Kippsegments 15 bis 17 betrachtet, stetig verkleinert oder vergrößert. Um dies zu ermöglichen, werden die einzelnen Kippsegmente 15 bis 17, wie dies beispielhaft anhand der 3 an dem Kippsegment 15 dargestellt ist, durch einseitige Kraftbeaufschlagung in radialer Richtung mit einer Kraft F derart beaufschlagt, dass die Kippsegmente 15 bis 17 um das jeweilige Verbindungselement 18 gekippt bzw. geschwenkt wird, sodass sich ein sich in Umfangsrichtung in der Größe verändernder Radialspalt 25 entsprechend der 4 einstellt. In diesem Zustand sind in dem Verbindungselement 18 Spannungen vorhanden, die bei einer Reduktion der Kraft F ein Zurückfedern des jeweiligen Verbindungselements 15 bis 17 in die in der 3 gezeigte Position bewirken.
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Um diese Spannungen abzubauen bzw. eine bleibende plastische Deformation der Verbindungselemente 18 zu erzeugen, sodass sich die Weite w des Radialspalts 25 entsprechend der 4 in gewünschter Art und Weise zur Welle 1 hin verändert, wird anschließend vorzugsweise lediglich der Bereich des jeweiligen Verbindungselements 18 einer Wärmebehandlung unterzogen, derart, dass die durch die Kraft F in dem Verbindungselement 18 erzeugten Spannungen in dem Gefüge des Verbindungselements 18 abgebaut werden. Nach dem Ende der Wärmebehandlung und der Reduktion der Kraft F weist der Radialspalt 25 somit zur Welle 1 in gewünschter Art und Weise eine sich verringernde bzw. vergrößernde Weite w (je nach Umfangsrichtung betrachtet) auf.
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Es kann auch wünschenswert sein, dass die Kippsegmente 15 bis 17 mit ihren Laufflächen 26 in einem Zustand, in der die Welle 1 nicht gedreht wird, bereichsweise am Außenumfang der Welle 1 anliegt bzw. die Weite w des Radialspalts 25 im Einbauzustand der Welle 1 Null beträgt. Dadurch kann bei der Drehung der Welle 1 ein hoher Druck des Gaspolsters in dem Radialspalt 25 erzeugt werden und die Leckageverluste über den Radialspalt 25 werden verringert. Hierzu kann es entsprechend der Darstellung der 5 vorgesehen sein, dass eine Hilfswelle 30 verwendet wird, deren Durchmesser D30 um bis zu 200µm kleiner ist als der Durchmesser d1 der Welle 1, die im Einbauzustand des Kippsegmentlagers 10 gelagert werden soll. Auch hier wird durch Kraftbeaufschlagung der Kippsegmente 15 bis 17 mit der Kraft F eine zunächst elastische Deformation der Verbindungselemente 18 (nicht dargestellt) erzeugt. In dem in der 5 dargestellten Zustand erfolgt, wie oben beschrieben, eine Wärmebehandlung der Verbindungselemente 18, um die Eigenspannungen in dem Gefüge der Verbindungselemente 18 abzubauen, sodass anschließend nach Reduktion der Kraft F die Kippsegmente 15 bis 17 weiterhin am Außenumfang der Hilfswelle 30 anliegen. Dadurch wird bei Verwendung der Welle 1 zumindest bei Stillstand der Welle 1 eine bereichsweise Anlage der Laufflächen 26 am Außenumfang der Welle 1 sichergestellt.
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Das soweit beschriebene Kippsegmentlager 10 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
