DE102017213487B4

DE102017213487B4 - Lagereinheit für ein Maschinenteil

Info

Publication number: DE102017213487B4
Application number: DE102017213487.9A
Authority: DE
Inventors: Alexander Elter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-08-03
Filing date: 2017-08-03
Publication date: 2021-11-04
Anticipated expiration: 2037-08-04
Also published as: DE102017213487A1

Abstract

Lagereinheit für ein Maschinenteil (104), insbesondere für eine Welle (104), mit- einem Lagerelement (12) zur beweglichen Lagerung des Maschinenteils (104), wobei das Lagerelement (12) einen Lagerkörper (16) aufweist, welcher einen Faser-Kunststoff-Verbund mit zumindest eine Faserschicht (20) mit Fasern (22) aufweist und ferner ausgebildet ist, bei einer Beaufschlagung mit einer Kraft in eine erste Faserschichtrichtung (34) eine reversible Verformung in eine zweite Faserschichtrichtung (36) aufgrund einer Veränderung einer Faserorientierung der Fasern (22) auszuführen, und- einer Krafteinheit (14), welche ausgebildet ist, den Lagerkörper (16) mit der Kraft in die erste Faserschichtrichtung (34) zu beaufschlagen, um mittels der reversiblen Verformung des Lagerkörpers (16) eine definierte Lagerspaltweite (30) zwischen dem Lagerelement (12) und dem Maschinenteil (104) einzustellen.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Lagereinheit für ein Maschinenteil, insbesondere für eine Welle, eine Lagereinrichtung sowie ein Verfahren zum Einstellen einer definierten Lagerspaltweite zwischen einem Lagerelement und einem beweglich gelagerten Maschinenteil, insbesondere einer beweglich gelagerten Welle.
Es gibt dynamische und statische Fluidlager. Beide Lagertypen bestehen zumindest aus einer Welle und einer Lagerhülse, wobei Letztere in einem Gehäuse aufgenommen ist. Insbesondere bei aerodynamischen Lagern mit hochdrehenden Wellen von mehr als 100.000 U/min kommt es zu einer nennenswerten Reibleistung in den Lagern, wodurch sich Welle, Lagerhülse und Gehäuse erwärmen. Um ungleichmäßige thermische Dehnungen zwischen den Bauteilen auszugleichen, sind normalerweise ein Ausgleichs- und Dämpfungselement nötig, das thermisch leitfähig ist, sodass sich der Lagerspalt bzw. die Lagerspaltweite zwischen Welle und Lager nicht oder nur geringfügig ändert.
Generell ist eine geringe Lagerspaltweite bzw. ein geringes Spiel anzustreben. Vor allem bei niedrig viskosen Schmierstoffen hängt die Tragfähigkeit des Fluids (oder des Gases) - bzw. der Arbeitspunkt, ab welchem hydrodynamische oder aerodynamische Effekte auftreten - von der Lagerspaltweite bzw. Lagerspalthöhe ab. Ein über den gesamten temperaturabhängigen Arbeitsbereich geringer bzw. definierter Spalt ist erstrebenswert. Ebenso muss sichergestellt sein, dass unterschiedliche Wärmeausdehnungen nicht zu einem Fressen des Lagers und dem damit einhergehenden Ausfall führen.
Die WO 2004/105457 A2 offenbart ein Gleitlager mit einem faserverstärkten Hybrid-Verbundwerkstoff, um die Reibung zwischen dem Gleitlager und einer Welle zu minimieren.
Die DE 10 2006 043 065 B3 offenbart ein Gleitelement mit einer Gleitschicht auf Basis eines faserverstärkten Kunststoffes mit einer Kunststoffmatrix und einem Kunststofffaden als Verstärkungselement, um die Reibung zwischen dem Gleitelement und einer Welle zu minimieren.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Lagereinheit für ein Maschinenteil, insbesondere für eine Welle, mit einem Lagerelement zur beweglichen Lagerung des Maschinenteils, wobei das Lagerelement einen Lagerkörper aufweist, welcher einen Faser-Kunststoff-Verbund mit zumindest eine Faserschicht mit Fasern aufweist und ferner ausgebildet ist, bei einer Beaufschlagung mit einer Kraft in eine erste Faserschichtrichtung eine reversible Verformung in eine zweite Faserschichtrichtung aufgrund einer Veränderung einer Faserorientierung der Fasern auszuführen, und einer Krafteinheit, welche ausgebildet ist, den Lagerkörper mit der Kraft in die erste Faserschichtrichtung zu beaufschlagen, um mittels der reversiblen Verformung des Lagerkörpers eine definierte Lagerspaltweite zwischen dem Lagerelement und dem Maschinenteil einzustellen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner eine Lagereinrichtung mit zumindest einem Gehäuse zum Aufnehmen der vorangehend beschriebenen Lagereinheit, der Lagereinheit zur Aufnahme eines Maschinenteils, insbesondere einer Welle, und des Maschinenteils, insbesondere der Welle.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist außerdem ein Verfahren zum Verfahren zum Einstellen einer definierten Lagerspaltweite zwischen einem Lagerelement und einem an dem Lagerelement beweglich gelagerten Maschinenteil, insbesondere einer beweglich gelagerten Welle, mit den Schritten:

- Bereitstellen eines Lagerelements mit einem Lagerkörper, wobei der Lagerkörper einen Faser-Kunststoff-Verbund mit zumindest eine Faserschicht mit Fasern aufweist und ferner ausgebildet ist, bei einer Beaufschlagung mit einer Kraft in eine erste Faserschichtrichtung eine reversible Verformung in eine zweite Faserschichtrichtung aufgrund einer Veränderung einer Faserorientierung der Fasern auszuführen, und
- Beaufschlagen des Lagerkörpers mit der Kraft in die erste Faserschichtrichtung mittels einer Krafteinheit, um mittels der reversiblen Verformung des Lagerkörpers eine definierte Lagerspaltweite zwischen dem Lagerelement und dem Maschinenteil einzustellen.

Die Lagereinheit kann ein Lager oder ein Teil eines Lagers, bspw. für eine Strömungsmaschine sein. Das Lagerelement kann als Radiallager oder als Axiallager ausgebildet sein. Das Lagerelement kann als Gleitlager oder als Gaslager ausgebildet sein. Es ist jedoch auch denkbar, dass das Lagerelement als Lagerplatte für eine lineare Lagerung ausgebildet ist. Das Lagerelement ist bevorzugt als Gleitlager bzw. Gleitlagerhülse ausgebildet. Demnach kann das Lagerelement an einer Oberfläche bzw. Innenfläche, welche dem Maschinenteil zugewandt ist, eine Funktionsoberfläche für den Gleitkontakt bzw. eine Gleitschicht aufweisen.
Die Fasern können ein Material aufweisen oder aus einem Material bestehen, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Kohlenstoff, Aramid, Glas, Kunststoff, Naturmaterial, insbesondere Basalt. Die Fasern einer Faserschicht können alle aus dem gleichen Material bestehen. Die Fasern einer Faserschicht können jedoch auch aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Die Fasern in der zumindest einen Faserschicht können unidirektional angeordnet sein. Demnach kann die zumindest eine Faserschicht eine unidirektionale Faserschicht sein.
Der Faser-Kunststoff-Verbund kann eine Vielzahl von Faserschichten aufweisen. Die Faserschichten können einen ausgeglichenen Winkelverbund aufweisen. Es ist vorteilhaft, wenn ein Faserwinkel der Fasern in der Faserschicht in Abhängigkeit von der Kraft, insbesondere einem Betrag der Kraft einstellbar ist. Der Faser-Kunststoff-Verbund weist bevorzugt vor der Beaufschlagung mit der Kraft einen ausgeglichenen Winkelverbund mit zumindest zwei Faserrichtungen mit einem Faserwinkel von größer 0° bis kleiner 90° bzw. kleiner -0° bis größer - 90°, insbesondere von größer oder gleich 15° bis kleiner oder gleich 75° bzw. kleiner oder gleich -15° bis größer oder gleich -75°, insbesondere von größer oder gleich 30° bis kleiner oder gleich 60° bzw. kleiner oder gleich -30° bis größer oder gleich 60°auf.
Der Lagerkörper ist ausgebildet, bei einer Beaufschlagung mit einer Kraft, d.h. bei Einwirkung einer äußeren Kraft, eine reversible Verformung auszuführen bzw. sich reversibel zu verformen. Die Kraft wirkt hierbei in eine erste Faserschichtrichtung. Die reversible Verformung erfolgt in eine zweite Faserschichtrichtung aufgrund einer definierten Veränderung einer Faserorientierung bzw. einer Schiebung des Faserwinkels der Fasern.
Unter dem Begriff „Faserschichtrichtung“ soll im Rahmen der Erfindung eine Richtung verstanden werden, welche entlang der Faserschicht weist. Bei einer ebenen Faserschicht ist die Faserschichtrichtung folglich kongruent zu der Faserschicht bzw. der Faserschichtebene. Bei einer gekrümmten und/oder kreisrunden bzw. hülsenförmigen Faserschicht weist die Faserschichtrichtung demnach tangential zu der Faserschicht, d.h. in Umfangsrichtung. Die erste Faserschichtrichtung und die zweite Faserschichtrichtung verlaufen bevorzugt quer, insbesondere senkrecht zueinander. Die erste Faserschichtrichtung kann eine Axialrichtung der Lagereinheit bzw. des Lagerkörpers sein. Die zweite Faserschichtrichtung kann eine Umfangrichtung der Lagereinheit bzw. des Lagerkörpers sein.
Bei der Verformung handelt es sich um eine reversible Verformung. Das heißt, mit anderen Worten, dass die Verformung umkehrbar ist. Hierbei kann sich der Lagerkörper bspw. nach Wegfall einer bestimmten Kraftbeaufschlagung bzw. Krafteinwirkung in seinen ursprünglichen Zustand wieder vollständig zurückformen. Demnach kann die Verformung im Wesentlichen genau für die Zeitspanne bestehen, während derer die Kraft von außen auf der Lagerkörper einwirkt. Denkbar ist jedoch auch, dass eine Verformung direkt einwirkt, so dass die Kraft eine Reaktion auf die Verformung wäre.
Die Krafteinheit ist ausgebildet, den Lagerkörper mit der Kraft in die erste Faserschichtrichtung zu beaufschlagen, d.h. eine Kraft auf den Lagerkörper in die erste Faserschichtrichtung zu übertragen. Die Krafteinheit ist thermisch und/oder mechanisch und/oder chemisch und/oder magnetisch und/oder elektrisch aktivierbar bzw. ansteuerbar bzw. betätigbar. Das heißt, mit anderen Worten, dass die Krafteinheit ausgebildet ist, auf eine thermische und/oder mechanische und/oder chemische und/oder magnetische und/oder elektrische Einwirkung zu reagieren, und eine definierte Kraft auf den Lagerkörper zu übertragen.
Die Kraft kann eine resultierende Kraft bzw. eine Kraftkomponente einer Kraft sein. Die Kraft ist insbesondere eine definierte Kraft, welche eine definierte Verformung des Lagerkörpers bewirkt. Die Kraft kann eine Druckkraft und/oder eine Zugkraft und/oder ein Moment sein. Die Kraft ist bevorzugt eine Druckkraft.
Die Krafteinheit kann ausgebildet sein, den Lagerkörper vor und/oder während und/oder nach einer Bewegung des Maschinenteils mit der Kraft zu beaufschlagen.
Die Bewegung des Maschinenteils kann insbesondere eine rotatorische Bewegung sein oder eine rotatorische Bewegungskomponente umfassen. Die Bewegung des Maschinenteils kann jedoch auch eine lineare Bewegung sein oder eine lineare Bewegungskomponente umfassen.
Unter einer Lagerspaltweite ist der Abstand zwischen den einen Lagerspalt begrenzenden Flächen zu verstehen. Im vorliegenden Fall ist die Lagerspaltweite der Abstand zwischen dem Lagerelement bzw. der Lauffläche, insbesondere der Gleit- und/oder Gaslagerlauffläche des Lagerelements und dem beweglich gelagerten Maschinenteil. Die Lauffläche kann hierbei eine Funktionsoberfläche für den Gleitkontakt bzw. eine Gleitschicht aufweisen. Die Lagerspaltweite kann vor, während und nach der Bewegung des Maschinenteils variieren. Ein anderes Fachwort für Lagerspaltweite ist auch Lagerspalthöhe. Der Lagerspalt kann je nach Ausgestaltung des Lagerelements und des Maschinenteils bspw. ringförmig oder gekrümmt oder flächig ausgebildet sein.
Die Einstellung der Spaltweite kann vor und/oder während und/oder nach der Bewegung des Maschinenteils erfolgen. Demnach kann die Spaltweite im Betrieb der Maschine eingestellt, bspw. konstant gehalten werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Spaltweite jedoch auch vor dem Einbau bzw. der Montage des Maschinenteils in oder an das Lagerelement eingestellt, bspw. vergrößert werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Spaltweite auch vor dem Ausbau bzw. der Demontage des Maschinenteils eingestellt, bspw. vergrößert werden.
Die Lagereinrichtung weist zumindest ein Gehäuse zum Aufnehmen der vorangehend beschriebenen Lagereinheit auf. Das Gehäuse kann zur Aufnahme der Lagereinheit eine Aussparung aufweisen. Die Lagereinheit kann reibschlüssigen und/oder kraftschlüssigen mit dem Gehäuse verbunden sein. Für die reibschlüssige und/oder kraftschlüssige Verbindung zwischen der Lagereinheit und dem Gehäuse kann die Lagereinheit dazu ausgeformt sein, um in das Gehäuse eingepresst zu werden. Das Gehäuse kann metallisch sein.
Durch die Verwendung eines Lagerkörpers mit Fasern, welche bei Krafteinwirkung die Faserorientierung bzw. den Faserwinkel definiert verändern, kann durch einen geeigneten Faserwinkel bzw. eine geeigneten Ausrichtung/Anordnung der Fasern, ein Lagerkörper bereitgestellt werden, welcher auf einfache und robuste Art und Weise aufgrund einer Beaufschlagung mit einer Kraft eine reversible Verformung in eine definierte Art und Weise ausführt. Hierbei kann bspw. ein hülsenförmiger Lagerkörper mit einer axial steifen und tangential bzw. resultierend radial nachgiebigen Kreisgeometrie ausgebildet werden, welcher bei Beaufschlagung mit einer axialen Druckkraft eine reversible Verformung bzw. reversible Ausdehnung des Innendurchmessers in radialer Richtung - analog zu dem Prinzip einer Extensionshülse - ausführt. Hierbei versucht der Faser-Kunststoff-Verbund aufgrund seiner Schubnachgiebigkeit und des eingestellten Faserwinkels der Kraft nachzugeben und ändert die Faserorientierung. Durch die Änderung der Faserorientierung tendenziell in Umfangsrichtung weitet sich bei vorgegebener Faserlänge der Innendurchmesser um einen bestimmten Betrag auf, ähnlich wie bei einer Extensionshülse, wodurch sich der Lagerkörper resultierend in radialer Richtung ausdehnt. Der Lagerkörper ändert aufgrund seiner anisotropen Ausgestaltung seine Abmessung in die dritte Raumrichtung nur marginal (Im Gegensatz zu einem isotropen Lagerkörper). Dieser Effekt kann dann bspw. genutzt werden um im Betrieb sicherzustellen, dass bspw. bei einer Temperaturerhöhung im Bauteil eine definierte Lagerspaltweite sichergestellt ist, insbesondere wenn unterschiedliche radiale thermische Ausdehnungen der Bauteile, insbesondere des Lagerelements und des Maschinenteils zu erwarten sind. Zudem kann beim Einbau bzw. Ausbau des Maschinenteils die Lagerspaltweite sehr einfach vergrößert werden, um den jeweiligen Vorgang zu erleichtern.
Es ist ferner vorteilhaft, wenn der Lagerkörper hülsenförmig ausgebildet und die zumindest eine Faserschicht sich umfänglich, d.h. in Umfangsrichtung des Lagerkörpers erstreckt, wobei die reversible Verformung eine reversible Vergrößerung eines Innendurchmessers des Lagerkörpers ist.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn das Lagerelement als Lagerhülse, insbesondere Gleitlagerhülse oder Gaslagerhülse, und das Maschinenteil als Welle ausgebildet sind, wobei die Krafteinheit axial, insbesondere beidseitig axial an dem Lagerelement angeordnet ist. Das heißt, mit anderen Worten, dass das Lagerelement von der Krafteinheit einseitig oder beidseitig flankiert wird. Die Krafteinheit umfasst bevorzugt mindestens zwei Ausdehnungselemente, welche beidseitig axial angrenzend an dem Lagerelement angeordnet sind. Durch diese Maßnahme kann die gesamte Lagereinheit in eine Aussparung eines Gehäuses angeordnet bzw. eingepresst werden, so dass die Krafteinheit zumindest in Axialrichtung weg von dem Lagerelement bewegungsgehemmt angeordnet ist. Demnach ist die Krafteinheit bzw. sind die Ausdehnungselemente in Axialrichtung lediglich in Richtung des Lagerelements bzw. Lagerkörpers beweglich angeordnet, um dieses mit einer Kraft beaufschlagen zu können. Durch eine Temperaturerhöhung in der Maschine dehnen sich die Ausdehnungselemente aus und üben eine Druckkraft auf das Lagerelement bzw. den Lagerkörper aus, wodurch ein sehr einfacher und robuster Aufbau realisierbar ist.
Außerdem ist es vorteilhaft, wenn die Krafteinheit ausgebildet ist, den Lagerkörper in Abhängigkeit von einer Temperatur der Lagereinheit und/oder des Maschinenteils mit der Kraft, insbesondere einer Druckkraft, zu beaufschlagen. Das heißt, mit anderen Worten, dass Krafteinheit ausgebildet ist, die Kraft, mit der sie den Lagerkörper beaufschlägt, in Abhängigkeit von einer Temperatur der Lagereinheit und/oder des Maschinenteils auszuwählen. Durch diese Maßnahme kann die eingangs beschriebene Problematik einer sich in unerwünschter Weise, insbesondere im Betrieb einer Maschine, aufgrund von Temperaturänderungen ändernden Spaltweite zwischen dem Lagerelement bzw. der Lauffläche, insbesondere der Gleit- und/oder Gaslagerlauffläche des Lagerelements und dem beweglich gelagerten Maschinenteil gelöst werden und damit die gewünschte definierte konstante Spaltweite eingestellt werden.
Hierbei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die Krafteinheit zur Beaufschlagung der Kraft zumindest ein Ausdehnungselement aufweist, welches ausgebildet ist, in Abhängigkeit von der Temperatur der Lagereinheit und/oder des Maschinenteils und/oder der Lagereinrichtung sein Volumen zu verändern, insbesondere bei einer Temperaturerhöhung sein Volumen zu vergrößern. Das Ausdehnungselement kann ein Material aufweisen oder aus einem Material bestehen, welches ein Metall oder ein Kunststoff ist. Durch diese Maßnahme können durch Einsatz geeigneter Materialien für die Krafteinheit sehr einfach und kostengünstig Änderungen in der Spaltweite, welche sich aufgrund von Temperaturänderungen ergeben, kompensiert und dadurch die gewünschte definierte konstante Spaltweite eingestellt werden.
Alternativ ist es vorteilhaft, wenn ein Steuergerät vorgesehen ist, das eingerichtet ist, um die Krafteinheit in Abhängigkeit von der Temperatur der Lagereinheit und/oder des Maschinenteils und/oder der Lagereinrichtung anzusteuern. Unter einem Steuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des Steuergeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind. Durch diese Maßnahme können ebenfalls sehr einfach Änderungen in der Spaltweite, welche sich aufgrund von Temperaturänderungen ergeben, kompensiert und dadurch die gewünschte definierte konstante Spaltweite eingestellt werden.
Es ist vorteilhaft, wenn der Lagerkörper und die Krafteinheit derart ausgebildet sind, dass im Zusammenwirken in einem Temperaturbereich von kleiner oder gleich 160°C, insbesondere kleiner oder gleich 140°C eine annähernd konstante Spaltweite einstellbar ist. Die Funktionsfähigkeit des Lagers ist begrenzt durch die Temperatureigenschaften der Fasern, bei Glasfasern bspw. durch die Glasübergangstemperatur, welche bei einem thermoplastischen PEEK bei etwa 160°C liegt. Bei einem heißhärtenden, duroplastischen Epoxidharz kann der limitierende Temperaturbereich in einer ähnlichen Größenordnung liegen, tendenziell eher 140°C. Demnach kann durch diese Maßnahme sichergestellt werden, dass über den gesamten temperaturabhängigen Arbeitsbereich die Funktionsfähigkeit gewährleistet ist.
Vorteilhaft ist es außerdem, wenn das Lagerelement ein Kompressionselement aufweist, welches insbesondere an einer Außenfläche des Lagerkörpers angeordnet ist. Das Kompressionselement kann als Kompressionsschicht oder als Kompressionshülse ausgebildet sein. Das Kompressionselement ist ausgebildet, Kräfte, welche insbesondere aufgrund der reversiblen Verformung des Lagerkörpers entstehen bzw. wirken, federnd aufzunehmen. Das Kompressionselement weist eine geeignete bzw. angepasste Nachgiebigkeit/Elastizität auf. Das Kompressionselement kann als homogener oder inhomogener Körper ausgebildet sein. Das Kompressionselement kann zusätzlich oder alternativ als Schaum oder Nichtschaum ausgebildet sein. Das Kompressionselement kann zusätzlich oder alternativ ein Material aufweisen oder aus einem Material bestehen, welches ein Metall oder Kunststoff ist. Der Kunststoff kann bevorzugt einen geringen Modul für eine geringe Steifigkeit aufweisen und somit bspw. ein Elastomer, insbesondere ein thermoplastisches Elastomer sein. Zusätzlich oder alternativ kann das Kompressionselement selbst, neben dem Material, eine entsprechende Form aufweisen, um die gewünschten angepassten Steifigkeitsverhältnisse zu erzielen und somit bspw. eine Art Wellengeometrie über seinen Umfang aufweisen.
Das Kompressionselement ist bevorzugt zwischen dem Lagerkörper und dem Gehäuse der Lagereinrichtung angeordnet. Das Kompressionselement kann hierbei in der Aussparung zwischen einer Innenfläche des Gehäuses und der Außenfläche des Lagerkörpers angeordnet sein. Hierdurch können in der Aussparung größere Verformungen des Lagerkörpers ermöglicht bzw. begünstigt werden, so dass eine höhere Flexibilität bzgl. der Einstellung der definierten Lagerspaltweite bereitgestellt werden kann.
Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

1 einen schematischen Querschnitt einer Lagereinrichtung mit einer Lagereinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel vor und nach einer Temperaturerhöhung; und
2a, b eine schematische Darstellung des Prinzips der Veränderung der Faserorientierung der Fasern; und
3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Einstellen einer definierten Lagerspaltweite gemäß einem Ausführungsbeispiel.

In 1 ist eine erfindungsgemäße Lagereinrichtung in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsziffer 100 versehen. Dargestellt sind zwei Vergleichsansichten der Lagereinrichtung 100 jeweils vor (obere Teilansicht) und nach (untere Teilansicht) einer Temperaturerhöhung. Aus Darstellungsgründen ist hierbei lediglich eine obere Symmetriehälfte gezeigt.
Die Lagereinrichtung 100 weist ein Gehäuse 102 und ein Maschinenteil 104 auf. Die Lagereinrichtung 100 weist ferner eine erfindungsgemäße Lagereinheit 10 auf.
Das Gehäuse 102 ist metallisch ausgebildet. Das Gehäuse 102 weist eine Aussparung 106 auf, in der die Lagereinheit 10 aufgenommen ist.
Das Maschinenteil 104 ist als Welle 104 ausgebildet. Das Maschinenteil 104 bzw. die Welle 104 ist von der Lagereinheit 10 aufgenommen. Das Maschinenteil 104 bzw. die Welle 104 ist an der Lagereinheit 10 beweglich gelagert.
Die Lagereinheit 10 weist ein Lagerelement 12 und eine Krafteinheit 14 auf. Das Lagerelement 12 und die Krafteinheit 14 sind in der Aussparung 106 des Gehäuses 102 eingespannt angeordnet. Das Lagerelement 12 und die Krafteinheit 14 sind angrenzend zueinander angeordnet.
In bzw. an dem Lagerelement 12 ist die Welle 104 beweglich gelagert. Das Lagerelement 12 ist hierbei als Lagerhülse 12 bzw. Gleitlagerhülse 12 ausgebildet.
Das Lagerelement 12 weist einen Lagerkörper 16. Der Lagerkörper 16 ist hülsenförmig ausgebildet. Der hülsenförmige Lagerkörper 16 weist einen Innendurchmesser 18 auf. Der Lagerkörper 16 weist ferner einen Faser-Kunststoff-Verbund auf. Der Faser-Kunststoff-Verbund weist wiederum Faserschichten 20 mit Fasern 22 auf. Der Faser-Kunststoff-Verbund weist einen ausgeglichenen Winkelverbund mit einem Faserwinkel 23 auf. Die Faserschichten 20 bzw. die Fasern 22 erstrecken sich umfänglich, d.h. in Umfangsrichtung des Lagerkörpers 16. Der Faserwinkel 23 der Fasern 22 ist in Abhängigkeit von einer Kraft einstellbar.
Das Lagerelement 12 weist ferner an einer Außenfläche des Lagerkörpers 16 ein Kompressionselement 24 auf. Das Kompressionselement 24 ist als Kompressionsschicht 24 ausgebildet. Die Kompressionsschicht 24 ist hierbei in der Aussparung 106 zwischen dem Lagerkörper 16 und dem Gehäuse 102 angeordnet. Die Kompressionsschicht 24 weist eine geeignete bzw. angepasste Nachgiebigkeit bzw. Elastizität auf, um in der Aussparung 106 größere Verformungen des Lagerkörpers 16 zu ermöglichen bzw. zu begünstigen, so dass eine höhere Flexibilität bereitgestellt werden kann.
Das Lagerelement 12 weist ferner an einer Innenfläche des Lagerkörpers 16 eine Gleitschicht 26 auf. Zwischen der Gleitschicht 26 und der Welle 104 ist ein Lagerspalt 28 mit einer Lagerspaltweite 30 ausgebildet.
Die Krafteinheit 14 weist zwei Ausdehnungselemente 32 auf. Die Ausdehnungselemente 32 sind jeweils beidseitig axial an dem Lagerelement 12 bzw. dem Lagerkörper 16 angeordnet. Die Ausdehnungselemente 32 sind ausgebildet, in Abhängigkeit von der Temperatur ihr Volumen zu verändern, insbesondere bei einer Temperaturerhöhung ihr Volumen in axialer Richtung zu vergrößern. Da die Ausdehnungselemente 32 zusammen mit dem Lagerelement 12 in der Aussparung 106 axial eingespannt sind, kann mittels der Krafteinheit 14 bzw. der Ausdehnungselemente 32 in Abhängigkeit von einer Temperatur der Lagereinheit 10 und/oder des Maschinenteils 104 und/oder der Lagereinrichtung 100 der Lagerkörper 16 mit einer definierten Kraft beaufschlagt werden.
Wie nun ferner aus den beiden Teilansichten der 1 ersichtlich ist, dehnt sich die Gleitschicht 26 bei einer Erhöhung der Temperatur in der Lagereinrichtung 100, bspw. während des Betriebs aus (untere Teilansicht). Dieser unerwünschte Effekt hätte eine Verkleinerung der Lagerspaltweite 30 und ggf. ein Fressen der Lagereinrichtung 100 zur Folge. Erfindungsgemäß dehnen sich jedoch die Ausdehnungselemente 32 der Krafteinheit 14 bei einer Temperaturerhöhung in der Lagereinrichtung 100 ebenfalls aus, wodurch der Lagerkörper 16 mit einer Druckkraft in eine erste Faserschichtrichtung 34 beaufschlagt wird. Die erste Faserschichtrichtung 34 weist hierbei in Axialrichtung des Lagerkörpers 16. Die Druckkraft führt wiederum zu einer Veränderung der Faserorientierung bzw. zu einer Vergrößerung des Faserwinkels 23 der Fasern 22. Die sich umfänglich erstreckenden Faserschichten 20 dehnen sich in eine zweite Faserschichtrichtung 36, nämlich in Umfangsrichtung 36 des Lagerkörpers 16 aus, ähnlich wie bei einer Extensionshülse. Die zweite Faserschichtrichtung 36 zeigt hierbei in die Blatt- bzw. Zeichnungsebene rein. Folglich resultiert durch die reversible axiale Stauchung des Lagerkörpers 16 eine reversible umfängliche Vergrößerung und damit eine radiale Aufweitung des Lagerkörpers 16. Hierdurch vergrößert sich der Innendurchmesser 18 der Lagerkörpers 16 um den Wert, um den sich die Gleitschicht 26 ausgedehnt hat, so dass die Lagerspaltweite 30 konstant gehalten wird. Eine Vergrößerung des Außendurchmessers des Lagerkörpers 16 wird von dem Kompressionselement 24 aufgenommen.
Wie einleitend erläutert, wäre es jedoch auch denkbar, die Ausdehnungselemente 32 gezielt zu aktivieren, um - bei einer konstanten Dicken der Gleitschicht 26 - den Innendurchmesser 18 des Lagerkörpers 16 und damit die Lagerspaltweite 30 zu vergrößern. Dieser Effekt könnte ausgenutzt werden, um den Einbau bzw. Ausbau der Welle 104 zu erleichtern.
In 2a, b ist das Prinzip der Verformung aufgrund der Veränderung der Faserorientierung bzw. des Faserwinkels 23 der Fasern 22 schematisch dargestellt. Hierbei ist der Lagerkörper 16 plattenförmig ausgebildet und weist - analog zu 1 - einen Faser-Kunststoff-Verbund mit Faserschichten 20 mit Fasern 22 auf.
2a zeigt einen unbelasteten Zustand des Lagerkörpers 16, in dem keine äußere Kraft auf den Lagerkörper 16 wirkt. Wird der Lagerkörper 16 nun mit einer Kraft in die erste Faserschichtrichtung 34 beaufschlagt, versucht der Faser-Kunststoff-Verbund aufgrund seiner Schubnachgiebigkeit und des eingestellten Faserwinkels 23 des ausgeglichenen Winkelverbunds der Kraft nachzugeben und ändert die Faserorientierung der Fasern 22 gemäß 2b. Hierbei ist ersichtlich, dass sich der Faserwinkel 23 der Fasern 22 um den Winkel 23' vergrößert hat. Dies führt wiederum dazu, dass der Lagerkörper 16 in die zweite Faserschichtrichtung 36 eine Verformung ausführt bzw. sich in diese Richtung ausdehnt.
3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 200 zum Einstellen einer definierten Lagerspaltweite zwischen einem Lagerelement und einem an dem Lagerelement beweglich gelagerten Maschinenteil, insbesondere einer beweglich gelagerten Welle. Das Verfahren 200 umfasst einen Schritt 202 des Bereitstellens eines Lagerelements, welches einen Faser-Kunststoff-Verbund mit zumindest einer Faserschicht aus Fasern aufweist und ferner ausgebildet ist, bei einer Beaufschlagung mit einer Kraft in eine erste Faserschichtrichtung eine reversible Verformung in eine zweite Faserschichtrichtung aufgrund einer Veränderung einer Faserorientierung der Fasern auszuführen. Das Verfahren 200 umfasst ferner einen Schritt 204 des Beaufschlagens des Lagerelements mit der Kraft in die erste Faserschichtrichtung mittels einer Krafteinheit, um mittels der reversiblen Verformung des Lagerelements eine definierte Lagerspaltweite zwischen dem Lagerelement und dem Maschinenteil einzustellen.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.

Claims

Lagereinheit für ein Maschinenteil (104), insbesondere für eine Welle (104), mit - einem Lagerelement (12) zur beweglichen Lagerung des Maschinenteils (104), wobei das Lagerelement (12) einen Lagerkörper (16) aufweist, welcher einen Faser-Kunststoff-Verbund mit zumindest eine Faserschicht (20) mit Fasern (22) aufweist und ferner ausgebildet ist, bei einer Beaufschlagung mit einer Kraft in eine erste Faserschichtrichtung (34) eine reversible Verformung in eine zweite Faserschichtrichtung (36) aufgrund einer Veränderung einer Faserorientierung der Fasern (22) auszuführen, und - einer Krafteinheit (14), welche ausgebildet ist, den Lagerkörper (16) mit der Kraft in die erste Faserschichtrichtung (34) zu beaufschlagen, um mittels der reversiblen Verformung des Lagerkörpers (16) eine definierte Lagerspaltweite (30) zwischen dem Lagerelement (12) und dem Maschinenteil (104) einzustellen.
Lagereinheit (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Faserwinkel (23) der Fasern (22) in der Faserschicht (20) in Abhängigkeit von der Kraft, insbesondere einem Betrag der Kraft einstellbar ist.
Lagereinheit (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Faserschichtrichtung (34) und die zweite Faserschichtrichtung (36) quer, insbesondere senkrecht zueinander verlaufen.
Lagereinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (22) in der zumindest einen Faserschicht (20) unidirektional angeordnet und/oder einen ausgeglichenen Winkelverbund aufweisen.
Lagereinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Faser-Kunststoff-Verbund des Lagerkörpers (16) vor der Beaufschlagung mit der Kraft einen ausgeglichenen Winkelverbund mit zumindest zwei Faserrichtungen mit einem Faserwinkel (23) von 0° bis +-90°, insbesondere von +-15° bis +-75°, insbesondere +-30° bis +-60° aufweist.
Lagereinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerkörper (16) hülsenförmig ausgebildet und die zumindest eine Faserschicht (20) sich umfänglich erstreckt, wobei die reversible Verformung eine reversible Vergrößerung eines Innendurchmessers des Lagerkörpers (16) ist.
Lagereinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagerelement (12) als Lagerhülse (12), insbesondere Gleitlagerhülse (12) oder Gaslagerhülse, und das Maschinenteil (104) als Welle (104) ausgebildet sind, wobei die Krafteinheit (14) axial, insbesondere beidseitig axial an dem Lagerelement (12) angeordnet ist.
Lagereinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Krafteinheit (14) thermisch und/oder mechanisch und/oder chemisch und/oder magnetisch und/oder elektrisch aktivierbar ist.
Lagereinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Krafteinheit (14) ausgebildet ist, den Lagerkörper (16) in Abhängigkeit von einer Temperatur, insbesondere einer Temperatur der Lagereinheit (10) und/oder des Maschinenteils (104) mit der Kraft zu beaufschlagen.
Lagereinheit (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Krafteinheit (14) zur Beaufschlagung der Kraft zumindest ein Ausdehnungselement (32) aufweist, welches ausgebildet ist, in Abhängigkeit von der Temperatur sein Volumen zu verändern, insbesondere bei einer Temperaturerhöhung sein Volumen zu vergrößern.
Lagereinheit (10) nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch ein Steuergerät, das eingerichtet ist, um die Krafteinheit (14) in Abhängigkeit von der Temperatur anzusteuern.
Lagereinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagerelement (12) ein Kompressionselement (24) aufweist, welches insbesondere an einer Außenfläche des Lagerkörpers (16) angeordnet ist.
Lagereinrichtung mit zumindest einem Gehäuse (102) zum Aufnehmen einer Lagereinheit (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, der Lagereinheit (10) zur Aufnahme eines Maschinenteils (104), insbesondere einer Welle (104), und des Maschinenteils (104), insbesondere der Welle (104).
Verfahren zum Einstellen einer definierten Lagerspaltweite (30) zwischen einem Lagerelement (12) und einem an dem Lagerelement (12) beweglich gelagerten Maschinenteil (104), insbesondere einer beweglich gelagerten Welle (104), mit den Schritten: - Bereitstellen (202) eines Lagerelements (12) mit einem Lagerkörper (16), wobei der Lagerkörper (16) einen Faser-Kunststoff-Verbund mit zumindest eine Faserschicht (20) mit Fasern (22) aufweist und ferner ausgebildet ist, bei einer Beaufschlagung mit einer Kraft in eine erste Faserschichtrichtung (34) eine reversible Verformung in eine zweite Faserschichtrichtung (36) aufgrund einer Veränderung einer Faserorientierung der Fasern (22) auszuführen, und - Beaufschlagen (204) des Lagerkörpers (16) mit der Kraft in die erste Faserschichtrichtung (34) mittels einer Krafteinheit (14), um mittels der reversiblen Verformung des Lagerkörpers (16) eine definierte Lagerspaltweite (30) zwischen dem Lagerelement (12) und dem Maschinenteil (104) einzustellen.