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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kippsegmentlagers, ein Kippsegmentlager und eine Anordnung mit wenigstens einem Kippsegmentlager.
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Aus dem Stand der Technik sind zwei grundsätzlich unterschiedliche Herstellverfahren für Kippsegmentlager bekannt, wobei die Kippsegmentlager jeweils aus einem ringförmigen Außenkörper und in Bezug auf den ringförmigen Außenkörper radial innenliegenden Kippsegmenten bestehen, und wobei die Kippsegmente auf der dem Außenkörper abgewandten Seite jeweils eine Innenkontur aufweisen, die mit einer zu lagernden Welle zusammenwirkt. Bei dem ersten Herstellverfahren wird das Kippsegmentlager aus einem einstückigen bzw. monolithisch ausgebildeten Körper hergestellt, wobei die einzelnen Kippsegmente durch Ausbilden von Spalten bzw. Freiräumen aus dem monolithischen Körper freigestellt bzw. ausgebildet werden. Die schwenkbare Lagerung der Kippsegmente am Außenkörper erfolgt jeweils über einen stegförmigen Verbindungsbereich, der das Kippsegment (monolithisch) mit dem Außenkörper verbindet. Das Ausbilden der Spalte bzw. Freiräume zum Ausbilden der Kippsegmente erfolgt beispielsweise durch Drahterodieren, sodass sehr kleine Spalte zwischen dem Außenkörper und den Kippsegmenten realisiert werden können. Dadurch ergibt sich auch ein relativ guter Wärmeübergang bei einer Wärmeentwicklung im Bereich der Kippsegmente zu dem Außenring. Nachteilig dabei sind die relativ hohen Herstellkosten, da das Drahterodieren zum Ausbilden der Kippsegmente einen relativ langen Zeitraum in Anspruch nimmt, und somit pro Zeiteinheit nur relativ wenige Kippsegmentlager hergestellt werden können.
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Darüber hinaus sind alternativ mehrteilig ausgebildete Kippsegmentlager bekannt, bei denen die Kippsegmente aus jeweils separaten Bauteilen hergestellt werden, die kipp- bzw. schwenkbar innerhalb eines ebenfalls separat gefertigten (ringförmigen) Außenkörpers angeordnet sind. Nachteilig bei diesem Herstellverfahren des Kippsegmentlagers ist es, dass eine der Lagerung einer Welle dienende Innenkontur an den Kippsegmenten aufgrund der Toleranzkette der verschiedenen Bauteile nur sehr schwierig mit hoher Genauigkeit im µm-Bereich herstellbar ist. Weiterhin stößt dieses Prinzip der Ausbildung des Kippsegmentlagers an seine Grenzen, wenn es auf eine exakte Position der Welle ankommt. Auch sind bei dem zuletzt genannten Herstellverfahren üblicherweise relativ große Radialspalte zwischen den Kippsegmenten und dem Außenkörper vorhanden, sodass der Wärmeübergang bzw. die Wärmeabfuhr aus dem Bereich der Lagerstelle relativ ungünstig ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Kippsegmentlagers mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass es eine sehr genaue Ausbildung der als Lagerung einer Welle dienenden Innenkontur an den Kippsegmenten und somit die Lagerung von Wellen ermöglicht, wobei das Verfahren gleichzeitig eine wirtschaftlich vorteilhafte, mit relativ geringen Kosten und Aufwand verbundene Herstellung der Kippsegmentlager ermöglicht. Darüber hinaus bietet es die Möglichkeit einer sehr guten Wärmeabfuhr aus den Lagerstellen der Kippsegmente durch relativ kleine Spalte zu dem Außenkörper.
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Dem erfindungsgemäßen Herstellverfahren gemäß dem Anspruch 1 liegt die Idee zugrunde, den Außenkörper und die Kippsegmente, ähnlich weit wie bei dem oben genannten zweiten Herstellverfahren gemäß dem Stand der Technik, separat herzustellen, den Außenkörper und die Kippsegmente anschließend durch separate Verbindungselemente miteinander zu verbinden, und erst anschließend sowohl die Außenkontur am Außenkörper, als auch die Innenkonturen an den Kippsegmenten auszubilden, wobei die jeweilige Außen- bzw. Innenkontur jeweils unter Berücksichtigung (Aufspannung) der jeweils zuvor ausgebildeten Innen- bzw. Außenkontur erfolgt. Dadurch, dass die relevanten Konturen (Außenkontur am Außenkörper und Innenkonturen an den Kippsegmenten) jeweils in Abhängigkeit von der zuerst ausgebildeten Kontur erfolgt, ist insbesondere eine hochgenaue, konzentrische Anordnung der Konturen zueinander möglich.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Kippsegmentlagers sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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Um eine einfache und genaue Fertigung der Innenkonturen an den Kippsegmenten zu ermöglichen, ist es in einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens vorgesehen, dass die Kippsegmente an einem monolithisch ausgebildeten, insbesondere ringförmigen Segmentkörper ausgebildet werden, und dass die Kippsegmente nach dem Ausbilden der Innenkonturen für die Kippsegmente durch radiales Auftrennen des Segmentkörpers ausgebildet werden. Eine derartige Ausbildung der Kippsegmente, bei der diese zum Ausbilden der Innenkonturen an einem gemeinsamen Segmentkörper angeordnet sind, ermöglicht es insbesondere, den entsprechenden Segmentkörper besonderes gut und einfach zu positionieren bzw. einzuspannen und damit beispielsweise den Schleifprozess zur Ausbildung der Innenkonturen besonders einfach und effektiv durchführen zu können.
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Um zwischen den Innenkonturen an den Kippsegmenten und dem Außenumfang der Welle im Lagerbereich einen in der Größe sich verengenden Radial- bzw. Lagerspalt zu ermöglichen, sodass sich bei Verwendung beispielsweise eines Gases als Schmiermedium ein Druckpolster zwischen der Innenkontur des Kippsegments und dem Außenumfang der Welle ausbilden kann, sieht es eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des Herstellverfahrens vor, dass die Verbindungselemente unter elastischer Vorspannung mit dem Außenkörper und den Kippsegmenten bzw. dem Segmentkörper gefügt werden, sodass die Kippsegmente nach dem radialen Auftrennen des Segmentkörpers zur Ausbildung bzw. Vereinzelung der Kippsegmente verkippen. Dadurch ist es möglich, die Innenkonturen für die Kippsegmente an dem Segmentkörper durch einen einzigen Radius bzw. Schleifvorgang auszubilden. Nach dem Auftrennen des Segmentkörpers zur Ausbildung der Kippsegmente vekippen diese um die Verbindungselemente, sodass sich zu der zu lagernden Welle ein in Umfangsrichtung verengender (Lager-) Spalt ergibt.
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Um die Verbindungselemente mit den Kippsegmenten bzw. dem ringförmigen Segmentkörper und dem Außenkörper fest und sicher zu verbinden, kommen insbesondere kraft- oder stoffschlüssige Verbindungen in Frage. Beispielsweise ist es denkbar, durch entsprechende Passungen Klemmverbindungen zwischen den Verbindungselementen und dem Außenkörper und/oder den Kippsegmenten herzustellen, oder aber z.B. mittels zusätzlicher Elemente die Verbindungselemente im Bereich des Außenkörpers zu fixieren, beispielsweise durch Schrauben, Stifte o.ä. Elemente. Alternativ können die Verbindungselemente auch durch Lötverbindungen oder Ähnliches am Außenkörper und/oder den Kippsegmenten festgelegt bzw. fixiert werden.
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In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Verbindungselemente, die einerseits eine hohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Kippsegmentlagers aufweist, und darüber hinaus ein einfaches Handling, eine einfache Herstellung und relativ geringe Kosten für die Verbindungselemente ermöglicht, ist es vorgesehen, dass die Verbindungselemente als Blechstreifen ausgebildet sind, und dass die Blechstreifen in senkrecht zu Stirnseiten des Außenkörpers und der Kippsegmente angeordneten (Aufnahme-) Schlitzen angeordnet sind.
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Wie bereits oben erläutert, ist es insbesondere zur Ausbildung eines entsprechenden Schmiermittelfilms bzw. Gaspolsters zwischen den Innenkonturen der Kippsegmente und dem Außenumfang der Welle im Bereich der Lagerung wesentlich, dass die Innenkonturen der Kippsegmente in Bezug zu einer Längsachse einen sich vorzugsweise stetig ändernden Abstand bzw. sich verengenden Radialspalt aufweisen.
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Wenn das Kippsegmentlager beispielsweise bei Wellen Verwendung findet, die vorzugsweise in eine einzige Drehrichtung gedreht werden, kann es darüber hinaus von Vorteil sein, wenn die Verbindungselemente in Umfangsrichtung der Kippsegmente betrachtet außermittig angeordnet sind.
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Die Erfindung umfasst auch eine Anordnung mit einem soweit beschriebenen erfindungsgemäßen Kippsegmentlager und einer mit den Innenkonturen der Kippsegmente zusammenwirkenden Welle. Vorzugsweise ist eine derartige Anordnung dazu ausgebildet, ein gasförmiges Medium als Schmiermedium zwischen dem Außenumfang der Welle und den Innenkonturen der Kippsegmente zu verwenden. Insbesondere bei gasförmigen Medien als Schmiermedium ist es möglich, dass sehr geringe (radiale) Lagerspalte zwischen der Welle und den Innenkonturen der Kippsegmente ausgebildet werden.
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So sieht es eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Anordnung daher vor, dass der Lagerspalt zwischen der Welle und den Innenkonturen der Kippsegmente weniger als 10µm beträgt. Eine derartige Ausbildung ermöglicht es, auch mit relativ geringem Überdruck des gasförmigen Mediums ein Druckpolster zwischen den Innenkonturen der Kippsegmente und dem Außenumfang der Welle auszubilden.
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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 bis 6 in jeweils vereinfachter Draufsicht die Herstellung eines erfindungsgemäßen Kippsegmentlagers während unterschiedlicher Fertigungsschritte.
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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 6 ist eine Anordnung 100 mit einem Kippsegmentlager 10 dargestellt, das der drehbaren Lagerung einer lediglich in der 6 gezeigten Welle 1 um deren Drehachse 2 dient. Dabei ist zwischen dem Kippsegmentlager 10 und der Welle 1 bei der Verwendung von Gas als Lager- bzw. Schmiermedium ein Lagerspalt 5 von vorzugsweise weniger als 20µm ausgebildet. Das Kippsegmentlager 10 besteht aus einem ringförmigen Außenkörper 11 mit einer beispielhaft kreisförmig bzw. rund ausgebildeten Außenkontur 12 sowie mehreren, beispielhaft drei, radial innerhalb einer Innenbohrung 13 des Außenkörpers 11 angeordneten Kippsegmenten 15 bis 17, wobei jedes der Kippsegmente 15 bis 17 mit einem als Blechstreifen 18 ausgebildeten Verbindungselement 19 mit dem Außenkörper 11 verbunden ist, um ein elastisches Kippen der Kippsegmente 15 bis 17 zu dem Außenkörper 11 in der Ebene der Blechstreifen 18 zu ermöglichen.
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Die Herstellung des Kippsegmentlagers 10 wird anhand der Figurenfolge der 1 bis 6 wie folgt erläutert: Entsprechend der 1 wird zunächst in einem ersten Fertigungsschritt der Außenkörper 11 mit der Innenbohrung 13 und drei, im Wesentlichen radial angeordneten Schlitzen 21 hergestellt, wobei die Schlitze 21 vorzugsweise über die gesamte Höhe des Außenkörpers 11, die senkrecht zur Zeichenebene der Figuren verläuft, ausgebildet werden. Weiterhin werden die Kippsegmente 15 bis 17 dadurch ausgebildet, dass ein ringförmiger Segmentkörper 22 hergestellt wird, bei dem die drei Kippsegmente 15 bis 17 in Umfangsrichtung betrachtet zunächst unmittelbar aneinander anschließen bzw. bei dem die Kippsegmente 15 bis 17 monolithisch miteinander verbunden sind. An dem Segmentkörper 22 werden darüber hinaus ebenfalls Schlitze 23 zur Aufnahme der Blechstreifen 18 bzw. Verbindungselemente 19 ausgebildet, die ebenfalls bevorzugt über die gesamte Höhe des Segmentkörpers 22 verlaufen.
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Anschließend wird entsprechend der 2 der Segmentkörper 22 radial innerhalb der Innenbohrung 13 des Außenkörpers 11 positioniert, derart, dass die Schlitze 21 des Außenkörpers 11 und die Schlitze 23 des Segmentköpers 22 zueinander ausgerichtet werden. Dabei ist zwischen der Außenkontur 24 des Segmentkörpers 22 und der Innenbohrung 13 des Außenkörpers 11 ein radial umlaufender Spalt 25 ausgebildet.
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Danach wird entsprechend der 3 der Außenkörper 11 mit dem Segmentkörper 22 durch Einbringen der Blechstreifen 18 in die Schlitze 21 und 23 verbunden. Dabei kann es vorgesehen sein, dass die Blechstreifen 18 unter elastischer Vorspannung montiert werden. In diesem Fall sind die Schlitze 21, 23 bei der Montage der Blechstreifen 18 in Umfangsrichtung etwas versetzt oder gekippt zueinander angeordnet.
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Dann erfolgt entsprechend der 4 zunächst beispielhaft das Ausbilden der Außenkontur 12, insbesondere durch Schleifen. Nachdem die Außenkontur 12 (hochgenau) gefertigt wurde, wird entsprechend der 5 beispielhaft anschließend eine Innenkontur 26 an dem Segmentkörper 22 ausgebildet.
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Für den Fall, dass die Blechstreifen 18 nicht unter elastischer Vorspannung zwischen den Schlitzen 21 und 23 angeordnet wurden, erfolgt die Ausbildung der Innenkontur 26 an dem Segmentkörper 22 insbesondere dadurch, dass eine Innenkontur 26 ausgebildet wird, die zu der Drehachse 2 in einem Bereich, der anschließend jeweils ein Kippsegment 15 bis 17 ausbildet, einen sich kontinuierlich ändernden Abstand aufweist, insbesondere derart, dass sich der Abstand zwischen der Innenkontur 26 des jeweiligen Kippsegments 15 bis 17 zur Drehachse 2 in Umfangsrichtung eines Kippsegments 15 bis 17 betrachtet von einem Endbereich des Kippsegments 15 bis 17 von einem Maximalwert zu einem Minimalwert ändert bzw. umgekehrt.
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Für den Fall, dass die Blechstreifen 18 unter elastischer Vorspannung in den Schlitze 21 und 23 angeordnet wurden, ist es insbesondere auch denkbar, eine einzige kreisrunde Innenkontur 26 an dem Segmentkörper 22 auszubilden, was den Schleifprozess ggf. vereinfacht.
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Ergänzend wird erwähnt, dass es auch denkbar ist, die Blechstreifen 18 unter elastischer Vorspannung zwischen den Schlitzen 21 und 23 anzuordnen und die Innenkontur 26 mit einem sich ändernden Abstand zur Drehachse 2 auszubilden, wie dies oben erläutert wurde.
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Zuletzt werden entsprechend der 6 durch radiales Auftrennen bzw. Ausbilden von Schlitzen 28 im Bereich des Segmentkörpers 22 die einzelnen Kippsegmente 15 bis 17 aus dem Segmentkörper 22 ausgebildet. Für den Fall, dass die Blechstreifen 18, wie oben erläutert, unter elastischer Vorspannung in die Schlitze 21 und 23 eingebracht wurden, verkippen nach Ausbildung der Schlitze 28 die Kippsegmente 15 bis 17 derart, dass sich ein ändernder Abstand zwischen den Innenkonturen 26 der Kippsegmente 15 bis 17 zur Drehachse 2 einstellt.
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Das soweit beschriebene Verfahren kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. So ist es beispielsweise denkbar, in Abänderung des oben beschriebenen Sachverhalts zunächst die Innenkontur 26 an dem Segmentkörper 22 und anschließend erst die Außenkontur 12 an dem Außenkörper 11 auszubilden. Auch ist es denkbar, dass zur Ausbildung eines sich zur Welle 1 sich ändernden bzw. verringernden Lagerspalts die Blechstreifen 18 zunächst ohne elastische Vorspannung in die Schlitze 21 und 23 eingebracht werden, und dass die Kippsegmente 15 bis 17 nach dem Ausbilden der Schlitze 28 anschließend um die Blechstreifen 18 verschwenkt werden, wobei eine plastische Verformung der Blechstreifen 18 durch Wärmebehandlung und Abbau von Spannungen bei geschwenkten Kippsegmenten 15 bis 17 stattfindet.
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Weiterhin wird erwähnt, dass es zur Zuführung von Schmiermedium, insbesondere von Gas erforderlich sein kann, Zuführbohrungen o.ä. Geometrien insbesondere in dem Bereich der Kippsegmente 15 bis 17 auszubilden, wie dies an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist und daher im Rahmen der Beschreibung nicht dargestellt bzw. erläutert wurde. Vorteilhafterweise werden derartige Geometrien bzw. Bohrungen bereits im Rahmen der Fertigung des Segmentkörpers 22 erzeugt, sie können jedoch auch später ausgebildet werden.
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Zuletzt wird erwähnt, dass die Herstellung der Kippsegmente 15 bis 17 anhand eines einstückig ausgebildeten Segmentkörpers 22 beschrieben wurde, aus dem die einzelnen Kippsegmente 15 bis 17 durch Ausbilden der Schlitze 28 erzeugt wurden. Es ist jedoch im Rahmen der Erfindung auch grundsätzlich möglich, auf einen derartigen Segmentkörper 22 zu verzichten und die Kippsegmente 15 bis 17 einzeln herzustellen. Die Kippsegmente 15 bis 17 werden dann mit dem Außenkörper 11 über die Blechstreifen 18 verbunden. Anschließend erfolgt das Ausbilden der Innenkontur 26 an den Kippsegmenten 15 bis 17.
