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Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung eines Rotors.
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Gleitlageranordnungen zur Lagerung eines Rotors, nämlich zur Lagerung einer rotierenden Welle des Rotors in einem Gehäuse, sind aus der Praxis grundsätzlich bekannt. So verfügen Gleitlageranordnungen über gehäuseseitige Gleitlagersegmente, die eine dem Rotor zugewandte Gleitfläche aufweisen. Die Gleitlagersegmente sind mit einem dem Rotor abgewandten Abschnitt im Gehäuse gelagert.
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Der Fachartikel „Zur Entwicklung einfacher Axial-Gleitlager für hohe Belastungen, K. Spiegel und J. Fricke, Sonderdruck aus Schmiertechnik und Tribologie, 16. Jahrgang, Nr. 5/69, S. 214 bis 222, Jahr 1969“ offenbart ein Axial-Gleitlager, das gehäuseseitig entweder durch eine Wälzlagerkugel oder durch eine Tellerfeder oder durch eine Bunascheibe abgestützt ist. Durch solche kippbeweglichen, nachgiebigen bzw. elastischen Unterlagen können Fertigungstoleranzen ausgeglichen werden, um eine gleichmäßige Belastung im Lager zu gewährleisten. Die Bunascheibe ist dabei aus einem gummielastischen Werkstoff gefertigt.
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Es besteht Bedarf an Gleitlageranordnungen, die als Axiallager sowie als Radiallager ausgeführt sein können, bei welchen einzelne Gleitlagersegmente noch gleichmäßiger beansprucht werden, um einen Verschleiß einzelner Lagersegmente der Lageranordnung so gering wie möglich zu halten.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine neuartige Lageranordnung eines Rotors zu schaffen.
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Die Aufgabe wird nach einem ersten Aspekt der Erfindung durch eine Lageranordnung nach Anspruch 1 gelöst. Hiernach verfügt die Lageranordnung über gehäuseseitige Gleitlagersegmente, die eine der Welle zugewandte Gleitfläche aufweisen. Ferner verfügt die Lageranordnung über zwischen den gehäuseseitigen Gleitlagersegmenten und dem Gehäuse angeordnete Winkeleinstellelemente. Eine dem jeweiligen Gleitlagersegment zugewandte Oberfläche des jeweiligen Winkeleinstellelements ist nach einer ersten Alternative kugelabschnittartig konvex und nach einer zweiten Alternative kalottenabschnittartig konkav konturiert. Eine dem jeweiligen Winkeleinstellelement zugewandte Oberfläche des jeweiligen Gleitlagersegments ist nach der ersten Alternative kalottenabschnittartig konkav und nach der zweiten Alternative kugelabschnittartig konvex konturiert. Ein Mittelpunkt der dem jeweiligen Winkeleinstellelement zugewandten Oberfläche des jeweiligen Gleitlagersegments und ein Mittelpunkt der dem jeweiligen Gleitlagersegment zugewandten Oberfläche des jeweiligen Winkeleinstellelements sind horizontal zueinander versetzt sind, um eine horizontale Exzentrizität bereitzustellen.
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Mit der Lageranordnung nach dem ersten Aspekt der Erfindung ist eine besonders vorteilhafte Abstützung der gehäuseseitigen Gleitlagersegmente am Gehäuse möglich. Letztendlich kann hierdurch eine gleichmäßige Belastung der einzelnen Gleitlagersegmente gewährleistet werden, um so einen möglichst geringen Verschleiß einzelner Lagersegmente der Lageranordnung sicherzustellen.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung des ersten Aspekts sind der Mittelpunkt der Oberfläche des jeweiligen Gleitlagersegments und der Mittelpunkt der Oberfläche des jeweiligen Winkeleinstellelements auch vertikal zueinander versetzt, um eine vertikale Exzentrizität bereitzustellen. Ein Radius der dem jeweiligen Winkeleinstellelement zugewandten Oberfläche des Gleitlagersegments und ein Radius der dem jeweiligen Gleitlagersegment zugewandten Oberfläche des Winkeleinstellelements sind vorzugsweise unterschiedlich groß. Mit dieser vorteilhaften Weiterbildung kann der Verschleiß einzelner Lagersegmente der Lageranordnung weiter reduziert werden.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung des ersten Aspekts sind zwischen den Winkeleinstellelementen und dem Gehäuse federelastische Einstellelemente angeordnet. Mit dieser vorteilhaften Weiterbildung des ersten Aspekts ist eine weitere Verschleißreduzierung der Lageranordnung möglich, insbesondere kommt diese Weiterbildung bei besonders steifen Gehäusen zum Einsatz. Es ist auch möglich, dass die Winkeleinstellelemente an sich federelastisch ausgebildet sind.
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Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Lageranordnung nach Anspruch 7 gelöst. Hiernach verfügt die Lageranordnung über gehäuseseitige Gleitlagersegmente, die eine der Welle zugewandte Gleitfläche aufweisen. Ferner verfügt die Lageranordnung über zwischen den gehäuseseitigen Gleitlagersegmenten und dem Gehäuse angeordnete federelastische Einstellelemente. Das jeweilige federelastische Einstellelement weist eine Federsteifigkeit auf, dass eine Anströmung des jeweiligen Gleitlagersegments ein initiales Verkippen desselben zulässt.
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Auch die Lageranordnung nach dem zweiten Aspekt der Erfindung erlaubt eine gleichmäßige Belastung von Gleitlagersegmenten und demnach eine Verschleißreduzierung der Lageranordnung.
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Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
- 1 einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Lageranordnung eines Rotors nach dem ersten Aspekt der Erfindung;
- 2 ein Detail der 1;
- 3 einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Lageranordnung eines Rotors nach dem zweiten Aspekt der Erfindung;
- 4 einen Querschnitt einer weiteren erfindungsgemäßen Lageranordnung eines Rotors nach dem ersten Aspekt der Erfindung.
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Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung eines Rotors, die der Lagerung einer Welle des Rotors dient. Beim Rotor kann es sich zum Beispiel um den Rotor einer Windkraftanlage handeln.
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1 zeigt einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Lageranordnung 10 nach einem ersten Aspekt der Erfindung. So zeigt 1 die Lageranordnung 10 im Bereich eines gehäuseseitigen Gleitlagersegments 11. Das Gleitlagersegment 11 verfügt über eine der zu lagernden Welle 12 zugewandte Gleitfläche 13. Über den Umfang der Welle 12 sind mehrere der in 1 gezeigten Gleitlagersegmente 11 verteilt, wobei die Anzahl der über den Umfang der Welle 12 verteilten Gleitlagersegmente 11 insbesondere zwischen drei und zwölf beträgt.
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Das in 1 gezeigte Gleitlagersegment 11 ist mit einem der Gleitfläche 13 abgewandten Abschnitt 14 am Gehäuse 15 gelagert, wobei zwischen dem Gleitlagersegment 11 und dem Gehäuse 15 ein Winkeleinstellelement 16 angeordnet ist.
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In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine dem Gleitlagersegment 11 zugewandte Oberfläche 17 des Winkeleinstellelements 16 kalottenabschnittartig konkav konturiert, eine dem Winkeleinstellelement 16 zugewandte Oberfläche 18 des Gleitlagersegments 11 ist kugelabschnittartig konvex konturiert. 2 visualisiert dabei Mittelpunkte 19, 20 dieser sich gegenüberliegenden Oberflächen 17, 18 von Gleitlagersegment 11 und Winkeleinstellelement 16, wobei 2 entnommen werden kann, dass der Mittelpunkt 19 der dem Winkeleinstellelement 16 zugewandten Oberfläche des Gleitlagersegments 11 und der Mittelpunkt 20 der dem Gleitlagersegment 11 zugewandten Oberfläche 17 des Winkeleinstellelements 16 in horizontaler Richtung zueinander versetzt sind, um eine horizontale Exzentrizität e bereitzustellen.
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Im gezeigten, bevorzugten Ausführungsbeispiel der 2 sind dabei diese Mittelpunkte 19, 20 zur Bereitstellung der horizontalen Exzentrizität e nicht nur horizontal zueinander versetzt, sondern vielmehr auch zur Bereitstellung einer vertikalen Exzentrizität E in vertikaler Richtung. Die Oberflächen 17 und 18 weisen dabei unterschiedliche Radien r und R auf, wobei es sich beim Radius R in dem gezeigten Ausführungsbeispiel um den Radius der kalottenabschnittartig oder konkav konturierten Oberfläche 17 des Winkeleinstellelements 16 und bei dem Radius r um den Radius des kugelabschnittartig konvex konturierten Oberfläche 18 des Gleitlagersegments 11 handelt.
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Im in 1, 2 gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispiel einer Lageranordnung nach dem ersten Aspekt der Erfindung besteht demnach zwischen den Mittelpunkten 19, 20 der einander zugewandten Flächen 17 und 18 von Gleitlagersegment 11 und Winkeleinstellelement 16 eine horizontale Exzentrizität e und eine vertikale Exzentrizität E, ferner sind die Radien r und R unterschiedlich.
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2 zeigt als weitere geometrische Kenngrößen der Lageranordnung
10 einen Radius T einer theoretischen Berührfläche der Oberflächen
17 und
18 für den Fall, in welchem der Radius R dem Radius r und e=0 entsprechen würde. Ferner zeigt
2 eine Radius t des Berührkreises zwischen den Oberflächen
17 und
18. Ferner zeigt
2 einen Winkel α, den eine sich durch die Mittelpunkte
19 und
20 der Oberflächen
17 und
18 erstreckenden Gerade mit einer Vertikalen bzw. Normalen einschließt. Es gelten dabei folgende geometrische Zusammenhänge:
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Als besonders bevorzugt hat sich herausgestellt, wenn für das Verhältnis der Radien r und R sowie für das Verhältnis der Radien t und T folgende Bedingungen eingehalten werden:
und/oder
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Wie bereits ausgeführt, ist im gezeigten Ausführungsbeispiel die dem Gleitlagersegment 11 zugewandte Oberfläche 17 des Winkeleinstellelements 16 kalottenartig konkav mit dem Radius R konturiert, die dem Winkeleinstellelement 16 zugewandte Oberfläche 18 des Gleitlagersegments 11 ist kugelabschnittkonvex mit dem Radius r konturiert. Im Unterschied hierzu ist es auch möglich, dass die dem Gleitlagersegment 11 zugewandte Oberfläche 17 des Winkeleinstellelements 16 kugelabschnittartig konvex mit dem Radius r und die Oberfläche 18 des Gleitlagersegments 11, die dem Winkeleinstellelement 16 zugewandt ist, kalottenabschnittartig konkav mit dem Radius R konturiert ist. Auch in diesem Fall besteht dann zwischen den Mittelpunkten 19 und 20 der sich gegenüberliegenden Oberflächen 17 und 18 von Gleitlagersegment 11 und Winkeleinstellelement 16 zumindest eine horizontale Exzentrizität e und vorzugsweise zusätzlich eine vertikale Exzentrizität E mit unterschiedlichen Radien r und R dieser Oberflächen.
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Die Oberfläche 18 des Gleitlagersegments 11, die dem Winkeleinstellelement 16 zugewandt ist, ist vorzugsweise metallisch ausgeführt. Die Oberfläche 17 des Winkeleinstellelements 16, die dem Gleitlagersegment 11 zugewandt ist, besteht vorzugsweise aus einem ölbeständigen, metallischen oder nicht-metallischen Werkstoff, zum Beispiel aus Bronze oder PEEK (Polyetheretherketon), oder aus einem Faserverbundwerkstoff. Dann, wenn das Winkeleinstellelement 16 zumindest teilweise aus einem Faserverbundwerkstoff besteht, ist dasselbe an sich federelastisch .
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Beim Ausführungsbeispiel der 1 und 2 handelt es sich um ein Radiallager. Die oben beschriebenen Details können jedoch auch bei einem Axialgleitlager zum Einsatz kommen.
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Das Gleitlagersegment 11 kann auf dem Winkeleinstellelement 16 gleiten und Winkelfehler, Verformungen des Gehäuses 15 ausgleichen und einen optimalen Anstellwinkel zur Erreichung eines hydrodynamischen Tragdruckaufbaus sicherstellen.
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4 zeigt einen Ausschnitt aus einer Lageranordnung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel des ersten Aspekts der Erfindung, und zwar wiederum einen Ausschnitt aus der Lageranordnung 10 im Bereich eines Gleitlagersegments 11, welches über ein Winkeleinstellelement 16 in einem Gehäuse 15 kippbar gelagert ist. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel der 1 und 2 ist jedoch im Ausführungsbeispiel der 4 die dem Gleitlagersegment 11 zugewandte Oberfläche 17 des Winkeleinstellelements 16 kugelabschnittartig konvex konturiert und die dem Winkeleinstellelement 16 zuwandte Oberfläche 18 des Gleitlagersegments 11 kalottenabschnittartig konkav konturiert. Hinsichtlich der Wahl der geometrischen Größen e, E, r, R, t und T kann für das Ausführungsbeispiel der 4 auf die obigen Ausführungen zum Ausführungsbeispiel der 1 und 2 verwiesen werden.
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Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass es sich bei der in 4 gezeigten Lageranordnung 10 nicht um eine Radiallageranordnung, wie in 1, sondern vielmehr um eine Axiallageranordnung handelt. Auch eine derartige Axiallageranordnung verfügt über mehrere Gleitlagersegmente 11, die sich mit ihren Gleitflächen 13 wellenseitig abstützen, nämlich an einem zusammen mit der Welle rotierenden, nicht gezeigten Wellenflansch der sich durch die Ausnehmung 21 des Gehäuses 15 4 erstreckenden Welle.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der 4 ist zwischen dem Gehäuse 15 und dem Winkeleinstellelement 16 ein federelastisches Einstellelement 22 angeordnet. Die-ses federelastische Element 22 besteht vorzugsweise aus einem Faserverbundwerkstoff oder aus einem Polyurethan-Werkstoff mit einer Federsteifigkeit zwischen 105 (100.000) N/mm und 108 (100.000.000) N/mm.
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Im Ausführungsbeispiel der 4, bei welchem das gezeigte Gleitlagersegment 11 ein Axialgleitlagersegment ist, ist demnach zwischen dem Gehäuse 15 und dem Winkeleinstellelement 16, auf welchem sich das Gleitlagersegment 11 abstützt, das federelastische Einstellelement 22 positioniert. Dieses federelastische Einstellelement 22 sorgt dafür, dass durch Einfedern des Gleitlagersegments 11 eine gleichmäßige Verteilung der Belastung auf mehrere Gleitlagersegmente 11 möglich ist. Durch ein derartiges Einfedern wird das federelastische Einstellelement 22 gestaucht. Hierdurch wird das federelastische Einstellelement 22 solange im Durchmesser an seiner Mantelfläche zunehmen, bis ein Zwischenraum zwischen dem federelastischen Einstellelement 22 und Gehäuse 15 gefüllt ist. Die Federsteifigkeit steigt kontinuierlich an.
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Bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Axiallagergleitsegment 11 im Gehäuse 15 über einen Formschluss zwischen einem am Abschnitt 14 des Gleitlagersegments 11 ausgebildeten Halteelement 23 und einem Haltering 24 gehalten. Der Haltering 24 und das Halteelement 23 sorgen dafür, dass im unbelasteten Zustand der Ladeanordnung das Gleitlagersegment 11, das Winkeleinstellelement 16 und das federelastische Einstellelement 22 nahezu spielfrei aufeinanderliegen.
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Auch bei dem Radiallager der 1 kann zwischen dem Winkeleinstellelement 16 und dem Gehäuse 5 ein federelastisches Einstellelement 22 positioniert sein.
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3 zeigt einen Ausschnitt aus einer Lageranordnung 30 nach einem zweiten Aspekt der hier vorliegenden Erfindung, wobei es sich bei der Lageranordnung 30 der 3 sowohl um eine Radiallageranordnung als auch um eine Axiallageranordnung handeln kann. Die Lageranordnung 30 verfügt über mehrere Gleitla-gersegmente 31. Die Gleitlagersegmente 31 dienen der Lagerung einer Welle 32 eines Rotors, wozu die Gleitlagersegmente 31 dem Rotor zugewandte Gleitflächen 33 aufweisen.
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Über einen der Gleitfläche 33 des Gleitlagersegments 31 abgewandten Abschnitt 34 ist das Gleitlagersegment 31 in einem Gehäuse 35 gelagert, wobei zwischen dem Gehäuse 35 und den gehäuseseitigen Gleitlagersegmenten 31 jeweils ein federelastisches Element 36 positioniert ist, welches im gezeigten Ausführungsbeispiel in einem Tragring 37 aufgenommen ist. Auf den Tragring 37 kann auch verzichtet werden. Das federelastische Element 36 liegt am gehäuseseitigen Gleitlagersegmente 31 flach mit einer zylindrischen oder hohlzylindrischen Fläche an.
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Das federelastische Element 36 verfügt über eine definierte Federsteifigkeit. Mit einer dem Gleitlagersegment 31 zugewandten Oberfläche 38 liegt das federelastische Einstellelement 36 direkt an einer zugewandten Oberfläche 39 des Gleitlagersegments 31 an. Die Federsteifigkeit des federelastischen Einstellelements 36 ist derart ausgeführt, dass eine Anströmung des Gleitlagersegments 31 ein initiales Verkippen desselben zulässt. Dieses initiale Verkippen des Gleitlagersegments 31 ist von Vorteil, um einen hydrodynamischen, trennenden Schmierfilm zwischen dem Gleitlagersegment 31 und der Welle 32 entstehen zu lassen.
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Hierzu verfügt das federelastische Element 36, welches vorzugsweise aus einem Faserverbundwerkstoff oder aus einem Polyurethan-Werkstoff besteht, vorzugsweise über eine Federsteifigkeit zwischen 105 N/mm und 108 N/mm. Ein Einfederweg des Gleitlagersegments 31 beträgt bei maximaler Segmentbelastung nicht mehr als 3 mm.
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Wie bereits ausgeführt, kann zusätzlich oder alternativ zur Federsteifigkeit auch die Topografie bzw. Konturierung der Gleitfläche
33 gezielt eingestellt werden. Dann, wenn es sich bei dem Gleitlagersegment
31 um ein Radialgleitlagersegment handelt, ist die Gleitfläche
33 deselben vorzugsweise derart ausgestaltet, dass für den Durchmesser D an der Gleitfläche
33 des Gleitlagersegments
31 und den Durchmesser d der Welle
32 folgende Beziehung gilt:
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Lageranordnung
- 11
- Gleitlagersegment
- 12
- Welle
- 13
- Gleitfläche
- 14
- Abschnitt
- 15
- Gehäuse
- 16
- Winkeleinstellelement
- 17
- Oberfläche
- 18
- Oberfläche
- 19
- Mittelpunkt
- 20
- Mittelpunkt
- 21
- Ausnehmung
- 22
- federelastisches Einstellelement
- 23
- Haltelement
- 24
- Haltering
- 30
- Lageranordnung
- 31
- Gleitlagersegment
- 32
- Welle
- 33
- Gleitfläche
- 34
- Abschnitt
- 35
- Gehäuse
- 36
- federelastisches Einstellelement
- 37
- Tragring
- 38
- Oberfläche
- 39
- Oberfläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Belastungen, K. Spiegel und J. Fricke, Sonderdruck aus Schmiertechnik und Tribologie, 16. Jahrgang, Nr. 5/69, S. 214 bis 222, Jahr 1969 [0003]