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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein aerodynamisches Folienlager, umfassend einen Träger mit mehreren an Befestigungsabschnitten über Schweißverbindungen befestigten, segmentartigen und sich zu einer Ringform ergänzenden, metallenen Folienabschnitten, die jeweils über ein elastisches Element am Träger gelagert sind.
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Hintergrund der Erfindung
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Ein solches Folienlager dient der Lagerung von zumeist schnelldrehenden Wellen, auf denen keine allzu hohe Axiallast liegt. Bei entsprechend hoher Wellendrehzahl sind die einander gegenüberliegenden Flächen des Folienlagers und der Welle voneinander über einen Gas- oder Luftfilm beabstandet, das heißt, dass nur eine minimale Reibung und damit auch nur eine minimale Wärmeerzeugung selbst bei extrem hoher Drehzahl gegeben ist. Ein solches Folienlager dient üblicherweise der axialen Abstützung, ist also als Axiallager ausgeführt. Zum Einsatz kommt ein solches Folienlager beispielsweise in hochdrehenden Kompressoren, Turboladern und dergleichen.
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Ein solches Folienlager umfasst einen Träger, im Falle eines Axiallagers üblicherweise einen scheibenförmigen Träger, der zumeist aus Edelstahl ist. An dem scheiben-, mitunter aber auch ringförmigen Träger sind mehrere, zumeist sich radial erstreckende, vorspringende Befestigungsabschnitte vorgesehen, an denen über Schweißverbindungen segmentartige Folienabschnitte befestigt sind, wobei sich die mehreren Folienabschnitte in Umfangsrichtung zu einer Ringform ergänzen. Die Folienabschnitte sind aus Metall, bevorzugt aus Phosphorbronze. Sie sind jeweils über ein am Träger befestigtes elastisches, flächiges Element von unten her abgestützt respektive angefedert, wobei die Oberflächenebene des elastischen Elements höher ist als die Befestigungsebene an den Befestigungsabschnitten, so dass demzufolge die über die elastischen Elemente angefederten Abschnitte der Folienabschnitt näher zum rotierenden Bauteil liegen. Der grundsätzliche Aufbau eines solchen aerodynamischen Folienlagers ist bekannt.
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Rotiert das zu lagernde Bauteil nur relativ langsam, so dass sich kein tragender Gasfilm zwischen dem Folienlager und dem Bauteil aufbaut, so kommt es zu einer Berührung des Bauteils mit dem Folienlager respektive den Folienabschnitten, die üblicherweise auch als „top foil“ benannt werden. Aufgrund der gegebenen Bauteilrotation kommt es zwangsläufig zu Reibung zwischen den Bauteilen und den Folienabschnitten, was zu einer Wärmeerzeugung und zu Verschleiß führen kann.
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Aufgabe der Erfindung
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Ausgehend von den dargelegten Nachteilen des bekannten Standes der Technik liegt der Erfindung deshalb die Aufgabe zu Grunde, ein demgegenüber verbessertes Folienlager anzugeben.
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Beschreibung der Erfindung
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Folienlager der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Folienabschnitte zumindest abschnittsweise mit einer Verschleißschutzbeschichtung belegt sind.
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Erfindungsgemäß sind die Folienabschnitte zumindest in den Bereichen, die in Kontakt mit dem Bauteil, also beispielsweise der axialen Stirnfläche der rotierenden Welle, kommen können, mit einer Verschleißschutzbeschichtung versehen. Diese sorgt einerseits dafür, dass es zu einem verbesserten Abgleiten des rotierenden Bauteils auf den Folienabschnitten kommt, zum anderen verhindert die Verschleißschutzbeschichtung eine übermäßige Beanspruchung und einen daraus resultierenden übermäßigen Verschleiß an den Folienabschnitten, so dass das Folienlager trotz Kontakt der Lagerpartner geschützt ist und eine deutlich längere Lebensdauer aufweist.
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Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Oberfläche jedes Folienabschnitts zum rotierenden Bauteil konvex ausgebildet ist. Das heißt, dass die Oberfläche sich zum Bauteil hin wölbt, was dazu führt, dass der Spalt in seiner Breite konvergiert, also gesehen auf den Umfang breiter und schmäler wird. Bei einer Bauteilrotation wirkt, umfangsmäßig gesehen, im Bereich der Mitte jedes Folienabschnitts der höchste Druck, der zum Rand hin abfällt. Da sich bei einer konvex gewölbten Ausgestaltung der Folienabschnitte in diesem Bereich die Wölbung befindet bzw. hier der schmälste Spaltbereich ist, wird jeder Folienabschnitt über den hohen Druck niedergedrückt und geglättet, so dass sich der mittlere Bereich dem Randbereich angleicht, aber nicht niedriger liegt. Daher kann es aufgrund der im Betrieb ebenen Folienfläche nicht zu einem Kantenlauf kommen, was bei Folienabschnitten, die von Haus aus ebenflächig sind, aufgrund des wirkenden Drucks, der zu einem leichten Aufbiegen im Randbereich führen kann, der Fall sein kann. Die konvexe Ausbildung kann auf einfache Weise dadurch erreicht werden, dass das metallene Material der Folienabschnitte einen größeren Wärmedehnungskoeffizienten als das Verschleißschutzschichtmaterial aufweist, so dass sich die Folienabschnitte im Vergleich zum Verschleißschutzschichtmaterial nach der Beschichtung etwas stärker zusammenziehen und es zu der kontrollierten Aufwölbung kommt.
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Zweckmäßigerweise ist die gesamte Oberfläche jedes Folienabschnitts mit einer Verschleißschutzbeschichtung mit Ausnahme des oder der Bereiche, in dem oder denen die Schweißverbindung angebracht ist, beschichtet. Die Folienabschnitte sind, wie ausgeführt, über Schweißverbindungen, zumeist Punktschweißverbindungen, mit dem Befestigungsabschnitt des Trägers verbunden. Da, wie vorstehend beschrieben, die Ebene der Schweißverbindungen niedriger liegt als die über das elastische Element definierte Abstützebene der einzelnen Folienabschnitte, kommen demzufolge die Bereiche, in denen die Schweißverbindungen gesetzt sind, nicht in Kontakt mit dem rotierenden Bauteil, so dass dort keine Verschleißschutzbeschichtung aufzubringen ist. Darüber hinaus kann, je nach verwendeter Verschleißschutzbeschichtung, eine solche auch das Setzen der Schweißverbindungen beeinträchtigen oder unmöglich machen, so dass es aus diesem Grund zweckmäßig ist, in diesen Befestigungsbereichen keine Verschleißschutzbeschichtung aufzubringen.
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Die Verschleißschutzbeschichtung selbst ist zweckmäßigerweise eine Kohlenstoffbeschichtung, insbesondere eine DLC-Beschichtung (DLC = diamond-likecarbon). Hierbei handelt es sich um eine amorphe Kohlenstoffschicht, die geeignet ist, Verschleiß und Reibung zu minimieren. Denkbar ist aber auch die Verwendung anderer Kohlenstoffschichten wie CVD-Diamantschichten oder Graphitschichten. Grundsätzlich ist eine solche Verschleißschutzbeschichtung auf Kohlenstoffbasis sehr hart und bietet einen extrem guten Verschleißschutz, bei gleichzeitiger Verringerung der Reibung.
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Neben dem Folienlager selbst betrifft die Erfindung ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Folienlagers der vorbeschriebenen Art. Dieses Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass
- a) - entweder ein Metallfolienring mit einer Verschleißschutzbeschichtung belegt und der beschichtete Metallfolienring in einzelne Folienabschnitte geschnitten wird,
- - oder dass aus einem Metallfolienring geschnittene Folienabschnitte mit einer Verschleißschutzbeschichtung belegt werden,
- b) - wobei entweder vor dem Beschichten durch Maskierung Bereiche am Metallfolienring oder den Folienabschnitten definiert werden, in denen keine Beschichtung erfolgt, wonach die geschnittenen Folienabschnitte am Träger positioniert und durch Ausbilden von Schweißverbindungen in den Bereichen mit einem Träger verbunden werden,
- - oder an den vollflächig beschichteten Folienabschnitten in den Bereichen, in denen die Schweißverbindungen gebildet werden sollen, die Verschleißschutzbeschichtung lokal entfernt wird, wonach die Folienabschnitte am Träger positioniert werden und durch Ausbilden von Schweißverbindungen in den Bereichen mit einem Träger verbunden werden,
- - oder die vollflächig beschichteten Folienabschnitte am Träger positioniert und in den Bereichen, in denen die Schweißverbindungen gebildet werden sollen, die Verschleißschutzbeschichtung lokal entfernt wird, wonach die Folienabschnitte durch Ausbilden von Schweißverbindungen in den Bereichen mit dem Träger verbunden werden, oder
- - oder die Folienabschnitte aus einem länglichen, mit der Verschleißschutzbeschichtung belegten Träger ausgeschnitten und, gegebenenfalls nach lokalem Entfernender Verschleißbeschichtung, durch Ausbilden von Schweißverbindungen in den Bereichen mit einem Träger verbunden werden.
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Es sind demzufolge verschiedene Herstellungsvarianten denkbar, die jedoch allesamt einerseits die Ausbildung entsprechender Folienabschnitte mit der Verschleißschutzbeschichtung vorsehen respektive ermöglichen, und zum anderen die sichere Befestigung der Folienabschnitte über geeignete Schweißverbindungen an dem Träger. Als Verschleißschutzbeschichtung wird erfindungsgemäß eine Kohlenstoffbeschichtung, insbesondere eine DLC-Beschichtung aufgebracht.
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Die Verschleißschutzbeschichtung kann, wie vorstehend beschrieben, entweder mittels einer Maskierung aufgebracht werden, das heißt, dass der oder die Bereiche im jeweiligen Folienabschnitt, in denen die eine oder die mehreren Schweißverbindungen gesetzt werden, von der Beschichtung ausgenommen werden. Alternativ dazu kann auch eine vollflächige Beschichtung erfolgen, wobei die Verschleißschutzschicht nachfolgend in den Bereichen, wo die Schweißverbindungen gesetzt werden sollen, entfernt wird. Diese Entfernung kann beispielsweise mittels eines Lasers erfolgen, das heißt, dass mittels eines hinreichenden energiereichen Laserstrahls die Verschleißschutzbeschichtung entfernt wird. Alternativ kann auch eine hohe elektrische Spannung und damit ein hohes elektrisches Feld zwischen einem Spannungserzeuger und dem metallenen Folienabschnitt oder der Metallfolie verwendet werden, wobei das Feld so hoch gewählt wird, dass es zu einem Durchschlag durch die isolierende Verschleißschutzbeschichtung kommt, die hierbei abgebrannt und damit entfernt wird.
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Als Verschleißschutzschichtmaterial wird bevorzugt ein solches verwendet, das einen niedrigeren Wärmedehnungskoeffizienten als das Metall der Folienabschnitte aufweist, so dass es, da sich das Metall etwas stärker zusammenzieht als das Verschleißschutzschichtmaterial, nach der Abscheidung zu einem Aufwölben der Folienabschnitte, gleich wie diese nun konkret hergestellt werden, kommt.
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Als Schweißverbindung werden bevorzugt Punktschweißverbindungen gesetzt, wobei pro Folienabschnitt wenigstens zwei, bevorzugt jedoch drei oder, bei entsprechend großen Folienlagern, auch mehr als drei Punktschweißverbindungen gesetzt werden können.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:
- 1 eine Teilaufsicht auf ein erfindungsgemäßes Folienlager mit teilweise montierten Folienabschnitten,
- 2 eine geschnittene Prinzipansicht eines Folienlagers aus 1,
- 3 eine Prinzipdarstellung zur Erläuterung einer ersten Herstellungsvariante für die Folienabschnitte,
- 4 eine Darstellung zweier Möglichkeiten zur Entfernung der Verschleißschutzbeschichtung,
- 5 ein Diagramm zur Erläuterung des Montagevorgangs der Folienabschnitt gemäß einer zweiten Variante,
- 6 eine Darstellung zur Erläuterung der Herstellung der Folienabschnitte gemäß einer dritten Variante,
- 7 eine Prinzipdarstellung eines gewölbten Folienabschnitts,
- 8 eine Prinzipdarstellung eines Folienlagers mit einem solchen Folienabschnitt in Ruhestellung, und
- 9 das Folienlager aus 8 im Betrieb.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Folienlager 1, umfassend einen Träger 2, beispielsweise einen Edelstahlring, an dem mehrere Befestigungsabschnitte 3, die radial verlaufen und axial aus der Trägerebene vorspringen, vorgesehen sind, siehe hierzu auch 2. Etwas in Umfangsrichtung entfernt bzw. versetzt zu jedem Befestigungsabschnitt 3 ist ein flächiges elastisches Element 4 am Träger 2 angeordnet.
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Vorgesehen sind des Weiteren mehrere Folienabschnitte 5 aus einer Metallfolie, vorzugsweise Phosphorbronze, wobei jeder Folienabschnitt 5 an jeweils einem Befestigungsabschnitt 3 über Schweißverbindungen 6, vorzugsweise Punktschweißverbindungen, befestigt ist, siehe hierzu 1 bezüglich der Punktschweißverbindungen, wie auch 2. Die Folienabschnitte 5 sind segmentartig und ergänzen sich, wenn alle montiert sind, zu einer Ringform. Da sie sich in Umfangsrichtung erstrecken, übergreifen sie zwangsläufig auch das jeweilige elastische Element 4, dessen obere Ebene etwas höher liegt als die Befestigungsebene am Befestigungsabschnitt 3, wie 2 zeigt. Das heißt, dass die Folienabschnitte 5 in Umfangsrichtung einen etwas niedrigeren Bereich im Befestigungsbereich am Befestigungsabschnitt 3 aufweisen und von dort aus in Umfangsrichtung ansteigen bis zu dem angehobenen Bereich oberhalb des elastischen Elements 4.
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Im Betrieb ist ein rotierendes Bauteil 7 benachbart zu dem Folienlager 1 angeordnet, das um eine Rotationsachse D rotiert und axial beabstandet vom Folienlager 1 ist. Während der Rotation des Bauteils 7, die durch den Pfeil P in 2 dargestellt ist, relativ zum positionsfesten Folienlager 1 baut sich ein tragendes Gas- oder Luftpolster 8 zwischen den Folienabschnitten 5 und der Stirnfläche 9 des Bauteils 7 auf, so dass dieses axial hierüber gelagert und abgestützt ist.
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Bei niedriger Drehzahl und leichter Axiallast auf dem Bauteil 7, beispielsweise einer Welle, kommt es nicht zum Aufbau des tragenden Gas- oder Luftpolsters 8, so dass es zu einem Kontakt zwischen der Stirnfläche 9 und der Oberfläche der Folienabschnitte 5 zumindest im über die elastischen Elemente 4 angehobenen Bereich kommen kann. Um hier einen übermäßigen Verschleiß zu vermeiden ist, jeder Folienabschnitt 5 zumindest abschnittsweise mit einer Verschleißbeschichtung 10 versehen, bei der es sich um eine Kohlenstoffschicht, insbesondere eine DLC-Schicht handelt. Diese Verschleißschutzbeschichtung 10 ist nahezu vollflächig aufgebracht, lediglich der Bereich, in dem die Befestigung über die Schweißverbindungen zu den Befestigungsabschnitten 3 erfolgen soll, ist nicht beschichtet. Kommt es nun zu einem Kontakt zwischen der Stirnfläche 9 des Bauteils 7 und den Folienabschnitten 5, so schützt die Verschleißschutzbeschichtung 10 die Folienabschnitte 5 vor übermäßigem Verschleiß, da sie extrem hart ist, gleichzeitig aber auch die Reibung verringert.
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Bezüglich der Herstellung der Folienabschnitte 5 sind unterschiedliche Möglichkeiten denkbar.
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3 zeigt eine erste Variante hierfür. Ausgehend von einem Metallfolienring 11 (Teilbild a)) wird dieser zunächst vollflächig mit der Verschleißschutzbeschichtung 10 belegt, siehe Teilbild b). Anschließend wird der beschichtete Metallfolienring in die einzelnen Folienabschnitte 5 aufgetrennt, wobei jeder Folienabschnitt vollflächig beschichtet ist, siehe Teilbild c). Anstelle eines Metallfolienrings 11 kann auch ein länglicher Metallstreifen verwendet werden, der mit der Verschleißschutzbeschichtung 10 belegt wird und aus dem die einzelnen gekrümmten Folienabschnitts 5 herausgestanzt werden.
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Schließlich wird im nächsten Schritt d) die Verschleißschutzbeschichtung 10 lokal entfernt, um Bereiche 12 auszubilden, in denen sodann die Schweißverbindungen 6 angebracht werden.
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4 zeigt zwei Varianten, um die Verschleißschutzbeschichtung 10 zu entfernen. Gemäß dem in Figur links gezeigten Beispiel a) wird ein Laser 13 verwendet, mit dem die Verschleißschutzbeschichtung 10 abgenommen wird, so dass in den Bereichen 12 wieder die Metallfolie blank liegt.
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In 4 rechts gezeigten Beispiel b) wird ein Spannungserzeugungsmittel 14 verwendet, das benachbart zu dem Folienabschnitt 5 positioniert wird, und über das eine hohe Spannung respektive ein starkes elektrisches Feld zu der Metallfolie hin aufgebaut wird, bis es zu einem Durchschlag kommt, der die Verschleißschutzbeschichtung 10 in den Bereichen 12 entfernt.
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Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Verschleißschutzbeschichtung 10 vor der eigentlichen Montage der Folienabschnitte 5 an dem Träger 2 lokal zur Bildung der Bereiche 12 entfernt.
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5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Entfernung erst nach dem Positionieren am Träger 2 erfolgt. Wie 5 zeigt, werden, siehe Schritt a) zunächst die einzelnen Folienabschnitte 5 am Träger 2 angeordnet und positioniert, so dass sie mit ihren jeweiligen Enden, wo die Befestigungsbereiche ausgebildet werden sollen, am jeweiligen Befestigungsabschnitt 3 anliegen. Die Endposition ist im Teilbild b) gezeigt.
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Sodann wird, siehe Schritt c), beispielsweise gemäß einer der vorstehend beschriebenen Varianten die Verschleißschutzbeschichtung 10 entfernt, so dass die entsprechenden Bereiche 12 ausgebildet werden.
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In diesen wird sodann im Schritt d) mittels eines Schweißgeräts 15 die jeweilige Punktschweißverbindung des Bereichs 12 zum Befestigungsabschnitt 3 erwirkt.
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6 zeigt schließlich eine weitere Alternative zur Herstellung eines Folienabschnitts 5. Im Schritt a) wird ein Folienabschnitt 5 mit einer Maske 16 maskiert, und zwar in dem Bereich, in dem nachfolgend die Schweißverbindung ausgebildet werden soll. Der restliche Bereich wird, siehe Schritt b) mit der Verschleißschutzbeschichtung 10 versehen, während der Bereich 12, da vorher maskiert, unbeschichtet ist.
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Jede der verschiedenen Verfahrensvarianten hat ihre Vorteile. So ermöglicht die in 3 gezeigte Verfahrensvariante, bei der der Metallfolienring vollflächig beschichtet wird und erst anschließend geschnitten wird, eine sehr einfache Beschichtung, da nur ein Bauteil zum Beschichten ist. Das beschichtete Bauteil muss sodann jedoch geschnitten werden, wobei sicherzustellen ist, dass die Verschleißschutzbeschichtung 10 nicht verletzt wird.
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Die nachträgliche Entfernung der Verschleißschutzbeschichtung 10 über die in 4 gezeigten Varianten hat darüber hinaus den Vorteil, dass die Verschleißschutzbeschichtung 10 nur in den Bereichen entfernt wird, wo tatsächlich die Schweißverbindung erfolgen soll, nicht aber in Bereichen, die nicht verschweißt werden. Dieser Vorteil wird insbesondere in Ansehung der 4 deutlich.
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Die Variante gemäß 6 hat schließlich den Vorteil, dass, da die Beschichtung erst an den geschnittenen, maskierten Folienabschnitten 5 aufgebracht wird, die Verschleißschutzbeschichtung 10 nicht durch einen Schneidprozess beeinträchtigt wird.
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7 zeigt einen Folienabschnitt 5 in konvex gewölbter Form, wobei die Wölbung zu Darstellungszwecken übertrieben gezeigt ist. Er weist eine Verschleißbeschichtung 10 auf. Die konvexe Form entsteht, da die Verschleißschutzbeschichtungsmaterial einen niedrigeren Wärmedehnungskoeffizienten als das Metall des Folienabschnitts aufweist. Da die Verschleißbeschichtung bei erhöhter Temperatur aufgebracht wird, zieht sich beim Abkühlen das Metall stärker als das Beschichtungsmaterial zusammen, so dass es zu einem Aufwölben in Längs- und etwas auch in Querrichtung kommt. Die Wölbung befindet sich also im Wesentlichen im mittleren Flächenbereich und fällt zu den Längs- und Seitenrändern hin ab. Eine solche kontrollierte Wölbung ist z.B. bei Verwendung von Folienabschnitten aus Edelstahl und einer DLC-Beschichtung möglich.
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Wie in 8 gezeigt, nimmt aufgrund der Wölbung die Spaltbreite zwischen dem Bauteil 7 und der Oberfläche des Folienabschnitts 5 konvergierend ab und zu. Der minimale Spalt ist in Umfangsrichtung etwa in der Mitte des freien Folienabschnittsbereichs gegeben. In eben diesem Bereich ist aber auch die Zone 17 des höchsten Drucks innerhalb des Gas- oder Luftpolsters 8, was dazu führt, dass der aufgewölbte Bereich in die Ebene des Randbereichs niedergedrückt wird und folglich der Folienabschnitt eingeebnet wird, siehe 9. Der Rand stellt sich nicht auf, es dass es nicht zu einem Kantenlauf kommen kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Folienlager
- 2
- Träger
- 3
- Befestigungsabschnitte
- 4
- elastisches Element
- 5
- Folienabschnitt
- 6
- Schweißverbindungen
- 7
- rotierendes Bauteil
- 8
- Gas- oder Luftpolster
- 9
- Stirnfläche
- 10
- Verschleißschutzbeschichtung
- 11
- Metallfolienring
- 12
- Bereiche
- 13
- Laser
- 14
- Spannungserzeugungsmittel
- 15
- Schweißgerät
- 16
- Maske
- 17
- Zone
- D
- Rotationsachse
