DE102019101974A1

DE102019101974A1 - Gleitlager mit additiv gefertigten Strukturen

Info

Publication number: DE102019101974A1
Application number: DE102019101974.5A
Authority: DE
Inventors: Hanno Wegner
Original assignee: MAN Energy Solutions SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2019-01-28
Filing date: 2019-01-28
Publication date: 2020-07-30
Also published as: CN111503135B; CN111503135A; US20200240468A1; US11300157B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gleitlager (1) zum Lagern einer Welle (2) mit einem Lagerkörper (3) und einem Lagerring (4), der aus einer Vielzahl von Kippsegmenten (5) ausgebildet ist, wobei die Vielzahl von Kippsegmenten (5) an dem Lagerkörper (3) kippbar gelagert ist und mit einer Gleitfläche (8) der Welle (2) einen geschmierten Lagerspalt (9) ausbildet, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Kippsegment (5) und / oder der Lagerkörper zumindest eine innenliegende funktionale Struktur zur Ausbildung eines Stützbereichs (6) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gleitlager zum Lagern einer Welle. Dieses kann mit einem Lagerkörper und einer einzelnen oder einer Vielzahl von Gleitflächen ausgebildet sein, oder mit einem Lagerring, der aus einer Vielzahl von Kippsegmenten ausgebildet ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung des Lagerkörpers und der Kippsegmente.
Radial- und Axialgleitlager werden z. B. als Kippsegmentlager in verschiedenen Maschinen für Anwendungen bei sehr hohen Drehzahlen oder Axialbelastungen eingesetzt, um den hohen rotationsdynamischen Anforderungen gerecht zu werden. Hauptanwendungen sind Turbinen, Getriebe, Turboverdichter, Ventilatoren und Elektromotoren. Im Stand der Technik wird hierfür die Grundgeometrie des Lagerkörpers und der Kippsegmente ausschließlich mit trennenden Fertigungsverfahren (Trennverfahren), wie Zerspanen oder Funkenerodieren, hergestellt. Auf diese Weise ist zwar die Außengeometrie des Lagerkörpers und der Kippsegmente frei gestaltbar, die Innengeometrie lässt sich mit den üblichen Fertigungsverfahren jedoch nur in einem sehr begrenzten Maße und/oder mit sehr hohem Kosten- und Bearbeitungsaufwand an die entsprechenden Anforderungen anpassen. Somit wird ein konventionelles Kippsegment als Vollmaterial mit verschiedenen kleinen Bohrungen zum Positionieren und zur Temperaturmessung hergestellt. Ein konventioneller Lagerkörper wird verschiedenen Bohrungen und Funktionsflächen hergestellt.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung vorbesagte Nachteile zu überwinden und einen Lagerkörper oder ein Kippsegmentlager bzw. ein Verfahren zur Herstellung von Lagerkörpern oder von Kippsegmenten für ein Gleitlager zum Lagern einer Welle bereit zu stellen, die hohen mechanischen Anforderungen standhalten.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird daher ein Gleitlager zum Lagern einer Welle mit einem Lagerkörper und einem Lagerring, der aus einer Vielzahl von Kippsegmenten ausgebildet ist, vorgeschlagen. Die Vielzahl von Kippsegmenten ist an dem Lagerkörper kippbar gelagert und bildet mit einer Gleitfläche der Welle einen geschmierten Lagerspalt aus. Überdies weist mindestens ein Kippsegment oder / und der Lagerkörper zumindest eine innenliegende funktionale Struktur (abweichend von einem Vollmaterial) zur Ausbildung eines Stützbereichs auf. Vorteilhaft daran ist, dass dieses neue Kippsegmentkonzept bzw. Lagerkörperkonzept eine teilweise hohle und mit spezifischer Stützstruktur versehene Innenkontur mindestens eines Kippsegments bzw. des Lagerkörpers vorsieht, die auch sehr komplex ausgebildet sein kann. Dadurch ist die Lagerdämpfung über mindestens ein Kippsegment des mittels gezielter Änderung des Strömungswiderstands und der Materialdämpfung des Segments sowie den Reibvorgängen im Kippsegment einstellbar. Ferner kann durch gezielte Struktursteifigkeiten des Stützbereichs in mindestens ein Kippsegment und / oder des Lagerkörpers die Lagersteifigkeit eingestellt werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass der innenliegende Stützbereich einen Hohlraum oder eine Vielzahl von Hohlräumen oder nach außen offenen Strukturen aufweist. Durch die Ausbildung von einem Hohlraum oder mehreren Hohlräumen in dem innenliegenden Stützbereich kann die Lagersteifigkeit sowie die Lagerdämpfung durch mindestens ein Kippsegment und / oder des Lagerkörpers geeignet und den Anforderungen an das Lager entsprechend angepasst werden.
In einer erfindungsgemäßen Weiterbildung des vorliegenden Gleitlagers ist ferner vorgesehen, dass mindestens ein Kippsegment und /oder der Lagerkörper zumindest teilweise mittels einer additiven Fertigung hergestellt ist. Vorteilhaft daran ist, dass mindestens ein Kippsegment und / oder der Lagerkörper je nach Anforderungen entweder komplett mittels der additiven Fertigung hergestellt werden kann oder aber auch nur die innenliegende funktionale Struktur auf einen Rohling aus Vollmaterial hinzugefügt werden kann, wodurch Material, Zeit und der Herstellungsaufwand reduziert werden kann.
Vorzugsweise ist das Gleitlager so ausgebildet, dass der Stützbereich eine wabenartige Struktur besitzt.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem Stützbereich längs- und oder querverlaufende Stützstege ausgebildet sind, die vorzugsweise durch Verbindungstege miteinander verbunden sind, so dass eine spezifische Stützstruktur entsteht. Denkbar ist es, statt der Ausbildung von Hohlräumen auch ein anderes Material in die Zwischenräume durch additives Verfahren einzubringen.
Ferner ist eine Ausführung günstig, bei der der Stützbereich bogenförmige Stützstege aufweist.
Auf diese Weise lässt sich die innenliegende funktionale Struktur ganz individuell an die jeweiligen Anforderungen des Gleitlagers anpassen. Die Verschiedenen Ausgestaltungsformen des Stützbereichs decken somit eine Vielzahl an Anwendungsbereichen und deren Anforderungen an das Kippsegment und den Lagerkörper ab.
In einer weiteren vorteilhaften Variante ist vorgesehen, dass die Kippsegmente an einer Außenfläche, die mit der Gleitfläche der Welle den geschmierten Lagerspalt ausbildet, mit einer Gleitschicht beschichtet sind. Vorteilhaft daran ist, dass mittels der Gleitschicht eine optimale Schmierung des Gleitlagers gewährleistet wird und somit unnötige Reibungsverluste vermieden werden.
Das erfindungsgemäße Gleitlager ist in einer Ausführungsvariante ausgebildet, dass zueinander benachbarte Kippsegmente zwischen sich einen Spalt ausbilden, der zur Leitung eines Schmiermittels geeignet ist. Auf diese Weise ist eine konventionelle Schmierung des Gleitlagers während des Betriebs gewährleistet.
Erfindungsgemäß wird ferner ein Verfahren zur Herstellung mindestens eines Kippsegments und / oder des Lagerkörpers für ein Gleitlager vorgeschlagen, bei dem mindestens ein Kippsegment und / oder der Lagerkörper zur Ausbildung des Stützbereichs mittels additiver Fertigung insbesondere mittels 3D-Druck hergestellt wird.
Die additive Fertigung bzw. ein 3D-Druck oder der schichtweise Aufbau in Sinterverfahren stellt eine optimale Möglichkeit bereit ein entsprechendes Kippsegment und oder den Lagerkörper herzustellen, da der Herstellungsprozess nur den Randbedingungen der Herstellung der additiven Fertigung unterliegt und auf diese Weise mindestens ein Kippsegment und / oder der Lagerkörper entsprechend komplex ausgebildet sein kann. Die Zugänglichkeit von Werkzeugen zur Innengeometrie hat keinen Einfluss mehr und mindestens ein Kippsegment und / oder der Lagerkörper erhält innenliegende funktionale Strukturen entsprechend der Anforderungen.
Vorzugsweise ist das Material zur additiven Fertigung des Kippsegments und des Lagerkörpers Metall oder enthält Metallanteile.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

1 eine Schnittansicht eines Kippsegments mit einer innenliegenden funktionalen Struktur,
2 eine Seitenansicht eines Gleitlagers mit einem Kippsegment mit einer innenliegenden funktionalen Struktur.

Die 1 zeigt eine Schnittansicht durch ein Kippsegment 5 mit einer innenliegenden funktionalen Struktur zur Ausbildung eines Stützbereichs 6. Der innenliegende Stützbereich 6 weist eine Vielzahl von Hohlräumen 7 auf, die eine wabenartige Struktur ausbilden. An der Außenfläche 10 des Kippsegments 5 ist diese mit einer Gleitschicht 11 beschichtet. Ferner weist das Kippsegment 5 entlang seiner Längserstreckung in etwa mittig einen Übergang von dem innenliegenden Stützbereich 6 zu einem Bereich, in dem das Kippsegment 5 als Vollmaterial ausgebildet ist, auf.
In der 2 ist eine Seitenansicht eines Gleitlagers 1 mit Kippsegmenten 5 mit einer innenliegenden funktionalen Struktur 6 dargestellt. Das Gleitlager 1 ist auf eine Welle 2 montiert. Ferner weist das Gleitlager 1 einen Lagerkörper 3 und einen Lagerring 4 auf. Der Lagerring 4 besteht aus fünf Kippsegmenten 5, die an dem Lagerkörper 3 kippbar gelagert sind und jeweils mit der Gleitfläche 8 der Welle 2 einen geschmierten Lagerspalt 9 ausbilden.
Die Kippsegmente 5 des Gleitlagers 1 sind an ihrer jeweiligen Außenfläche 10 mit einer Gleitschicht 11 beschichtet. Die jeweilige Außenfläche 10 bildet ferner mit der Gleitfläche 8 der Welle 1 den geschmierten Lagerspalt 9 aus. Außerdem bilden jeweils die zueinander benachbarten Kippsegmente 5 zwischen sich einen Spalt 12 aus. Im Bereich eines jeden Spalts 12 besitzt der Lagerkörper 3 eine Ausnehmung 13.

Claims

Gleitlager (1) zum Lagern einer Welle (2) mit einem Lagerkörper (3) und einem Lagerring (4), der aus einer Vielzahl von Kippsegmenten (5) ausgebildet ist, wobei die Vielzahl von Kippsegmenten (5) an dem Lagerkörper (3) kippbar gelagert ist und mit einer Gleitfläche (8) der Welle (2) einen geschmierten Lagerspalt (9) ausbildet, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Kippsegmente (5) und / oder der Lagerkörper (3) zumindest eine innenliegende funktionale Struktur zur Ausbildung eines Stützbereichs (6) aufweist.
Gleitlager (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der innenliegende Stützbereich (6) einen Hohlraum (7) oder eine Vielzahl von Hohlräumen (7) oder eine nach außen offenen Struktur (7) aufweist.
Gleitlager (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Kippsegment (5) zumindest teilweise mittels einer additiven Fertigung hergestellt ist.
Gleitlager (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerkörper zumindest teilweise mittels einer additiven Fertigung hergestellt sein kann.
Gleitlager (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützbereich (6) eine wabenartige Struktur besitzt.
Gleitlager (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Stützbereich (6) längs und oder querverlaufende Stützstege ausgebildet sind, die vorzugsweise durch Verbindungstege miteinander verbunden sind.
Gleitlager (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützbereich (6) bogenförmige Stützstege aufweist.
Gleitlager (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kippsegmente (5) an einer Außenfläche (10), die mit der Gleitfläche (8) der Welle (1) den geschmierten Lagerspalt (9) ausbildet, mit einer Gleitschicht (11) beschichtet sind.
Gleitlager (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zueinander benachbarte Kippsegmente (5) zwischen sich einen Spalt (12) ausbilden, der zur Leitung eines Schmiermittels geeignet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Kippsegments (5) für ein Gleitlager (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Kippsegment (5) und / oder der Lagerkörper zur Ausbildung des Stützbereichs (6) mittels additiver Fertigung insbesondere mittels 3D-Druck hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Material zur additiven Fertigung mindestens eines Kippsegments und / oder des Lagerkörpers Metall ist oder Metallanteile enthält.