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Die Erfindung betrifft ein Kippsegmentlager mit mindestens einem Kippsegment, das durch mindestens ein Festkörpergelenk relativ zu einem Gehäusekörper um eine Kippachse kippbar ist, um zwischen dem Kippsegment und einem Rotorkörper einen Lagerspalt zu erzeugen.
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Stand der Technik
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2017 202 740 A1 ist ein Kippsegmentlager mit einem Lagergrundkörper und zumindest einem Kippsegment bekannt, das über einen ein Festkörpergelenk bildenden Steg mit dem Lagergrundkörper verbunden ist. Das Festkörpergelenk ist dabei auf der dem Rotorkörper abgewandten Rückseite des Kippsegments angeordnet. Damit ist auch die Kippachse festgelegt, die somit auf der Rückseite des Kippsegments verläuft und damit nicht optimal angeordnet ist. Darüber hinaus ist die Herstellung des Kippsegmentlagers mit den auf der Rückseite des Kippsegments angeordneten Festkörpergelenken aufwendig und daher teuer. Weiterhin weist das Kippsegmentlager eine große Bauhöhe auf, so dass dessen Anordnung beispielsweise in einem Luftverdichter schwierig ist.
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Bei dem Rotorkörper handelt es sich zum Beispiel um einen Wellenabschnitt einer Welle. In vielen Bereichen der Technik müssen schnelldrehende Wellen gelagert werden. Solche Wellen werden beispielsweise in Luftverdichtern benötigt, wie sie insbesondere zur Verdichtung von Luft für aufgeladene Verbrennungsmotoren oder für Brennstoffzellensysteme Verwendung finden. Dabei sind auf, in oder an der Welle in der Regel weitere Bauteile montiert, beispielsweise Turbinenräder, Verdichterräder oder Magnete für elektrische Antriebe. Diese drehen sich ebenfalls mit sehr hoher Geschwindigkeit. Die Wellen können einteilig oder mehrteilig ausgeführt sein. Die Welle wird vorzugsweise durch mehrere Lagereinheiten gelagert, zum Beispiel zwei Radiallager und ein Axiallager. Die Lagereinheiten ermöglichen ein möglichst verlustarmes Rotieren, wenn im Betrieb Kräfte und Momente auf die Welle wirken. Zur Lagerung werden vorteilhaft gasgeschmierte Lager verwendet, da diese bei sehr hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten sehr geringe Reibung und damit nur wenig Lagerverluste aufweisen. Darüber hinaus kann bei einem gasgeschmierten Lager eine Öl- oder Fettschmierung entfallen. Das ist insbesondere bei Brennstoffzellenanwendungen von Vorteil, da hier die geförderte Verdichterluft ölfrei sein muss, um einen Brennstoffzellenstack nicht zu beschädigen.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Kippsegmentlager mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass die Kippachse des wenigstens einen Kippsegments optimal angeordnet werden kann, indem diese in Höhe des Kippsegments verläuft und somit im Bereich des Schwerpunkts des Kippsegments verlaufen kann. Außerdem ist die Herstellung des Kippsegmentlagers vereinfacht, indem dieses beispielsweise aus einem hohlzylinderförmigen Ausgangskörper hergestellt wird einerseits durch Trennen des wenigstens einen Kippsegments in Richtung der Drehachse von den ringförmigen Trägerelementen unter Beibehaltung der Festkörpergelenke und andererseits durch Trennen des Ausgangskörpers in Umfangsrichtung, wodurch das wenigstens eine Kippsegment gebildet wird.
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Im Anspruch 2 ist eine einfache Ausführung der Festkörpergelenke angegeben. Die Ausbildung gemäß Anspruch 7 und insbesondere gemäß Anspruch 8 hat den Vorteil, dass bei einer Erwärmung des Kippsegmentlagers die Kippachse des wenigstens einen Kippsegments radial nach außen verschoben wird, wodurch ein zumindest annähernd konstanter Lagerspalt zu dem sich ebenfalls erwärmenden Rotorkörper erhalten bleibt. Auch die Ausbildung gemäß Anspruch 9 oder 10 ermöglicht eine Verschiebung der Kippachse des wenigstens einen Kippsegments radial nach außen bei einer Erwärmung des Kippsegmentlagers.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Darstellung einer Anordnung mit einem Gehäusekörper, einem Kippsegmentlager und einem Rotorkörper;
- 2 das Kippsegmentlager aus 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel ohne den Gehäusekörper;
- 3 das Kippsegmentlager aus 2 in einem Querschnitt;
- 4 das Kippsegmentlager aus 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel in einem Längsschnitt; und
- 5 ein Trägerelement des Kippsegmentlagers in einem Querschnitt entlang Linie V-V in 4.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In den 1 bis 5 ist ein Kippsegmentlager 10 in verschiedenen Ansichten und Schnitten und gemäß unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellt. Zur Bezeichnung gleicher oder ähnlicher Teile werden in den 1 bis 5 die gleichen Bezugszeichen verwendet. Zunächst werden die Gemeinsamkeiten der Ausführungsbeispiele beschrieben. Danach wird auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen eingegangen.
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In den 1 bis 5 ist ein Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers 10 mit drei Kippsegmenten 12, 14 und 16 dargestellt. Es können jedoch auch weniger oder mehr als drei Kippsegmente vorgesehen sein. Radial innerhalb der Kippsegmente 12, 14, 16 ist ein Rotorkörper 18 um eine Drehachse 20 drehbar gelagert. Bei dem Rotorkörper 18 handelt es sich zum Beispiel um eine Welle oder um einen Wellenabschnitt einer Welle, vorzugsweise eines Luftverdichters eines Brennstoffzellensystems, wobei mit der Welle 18 wenigstens ein nicht dargestelltes Verdichterrad verbunden ist.
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Die Kippsegmente 12, 14, 16 sind mit seitlich neben diesen angeordneten ringförmigen Trägerelementen 30 und 32 über Festkörpergelenke 34 verbunden. Die Kippsegmente 12, 14, 16 und die Trägerelemente 30, 32 sind in einem Ringraum angeordnet, der zwischen dem Rotorkörper 18 und einem Gehäusekörper 36 ausgebildet ist. Der Gehäusekörper 36 begrenzt das Kippsegmentlager 10 radial außen und weist eine Bohrung 37 auf, in die das Kippsegmentlager 10 eingeschoben ist. Zwischen dem Rotorkörper 18 und den Kippsegmenten 12, 14, 16 bildet sich ein Lagerspalt 38 aus, wie in 5 angedeutet ist. Der Lagerspalt 38 kann kovergierend ausgebildet sein.
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Die Trägerelemente 30, 32 sind in Richtung der Drehachse 20 neben den Kippsegmenten 12, 14, 16 angeordnet und über jeweils ein Festkörpergelenk 34 mit jeweils einem Kippsegment 12, 14, 16 verbunden. Die Festkörpergelenke 34 sind als Torsionsgelenke ausgebildet und weisen jeweils einen Torsionssteg 40 auf, der sich etwa in Richtung der Drehachse 20 zwischen dem jeweiligen Kippsegment 12, 14, 16 und dem jeweiligen Trägerelement 30, 32 erstreckt. Die Torsionsstege 40 können eine beliebige Querschnittsform aufweisen, beispielsweise etwa rund oder eckig, beispielsweise quadratisch oder rechteckig. Durch die Größe des Querschnitts, die Querschnittsform und die Länge der Torsionsstege 40 kann deren Federcharakteristik, insbesondere deren Federsteifigkeit, gemäß den Erfordernissen festgelegt werden. Die Torsionsstege 40 sind in Umfangsrichtung gesehen zumindest annähernd in der Mitte des jeweiligen Kippsegments 12, 14, 16 angeordnet. In radialer Richtung bezüglich der Drehachse 20 verlaufen die Torsionsstege 40 zwischen den radial inneren Rändern und den radial äußeren Rändern der Kippsegmente 12, 14, 16 und vorzugsweise zumindest annähernd in der Mitte der radialen Erstreckung der Kippsegmente 12, 14, 16.
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Durch elastische Verdrehung der Torsionsstege 40 können die Kippsegmente 12, 14, 16 eine Verkippung um eine durch die an einem Kippsegment 12, 14, 16 einander jeweils gegenüberliegenden Torsionsstege 40 bestimmte Kippachse 42 ausführen. Die jeweilige Kippachse 42 verläuft dabei durch das jeweilige Kippsegment 12, 14, 16 hindurch und vorzugsweise zumindest annähernd im Bereich des Schwerpunkts des jeweiligen Kippsegments 12, 14, 16. Durch eine Verkippung um die Kippachsen 42 können sich die Kippsegmente 12, 14, 16 im Betrieb des Kippsegmentlagers 10 optimal an die Welle 18 anpassen.
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Vorzugsweise sind die Kippsegmente 12, 14, 16 über die Torsionsstege 40 einstückig mit den Trägerelementen 30, 32 ausgebildet. Die Kippsegmente 12, 14, 16 sind somit nicht zunächst als separate Teile gefertigt und nachträglich miteinander verbunden. Das Kippsegmentlager 10 kann aus einem hohlzylinderförmigen Ausgangskörper hergestellt werden, bei dem beispielsweise mittels eines Scheibenfräsers oder mittels Laserschneidens die ringförmigen Trägerelemente 30, 32 bis auf die verbleibenden Torsionsstege 40 von dem zwischen den Trägerelementen 30, 32 angeordneten Bereich des Ausgangskörpers getrennt werden. Ein Schleifen der die Lagerflächen für die Welle 18 bildenden Innenseite der Kippsegmente 12, 14, 16 und der Trägerelemente 30, 32 kann bereits beim Ausgangskörper erfolgen bevor die Trägerelemente 30, 32 und die einzelnen Kippsegmente 12, 14, 16 freigestellt werden. Dies ermöglicht eine Herstellung der Lagerflächen mit hoher Genauigkeit.
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Die einzelnen Kippsegmente 12, 14, 16 werden dadurch gebildet, dass in den zwischen den Trägerelementen 30, 32 angeordneten Bereich des Ausgangskörpers über dessen Umfang verteilt mehrere in Richtung der Drehachse 20 verlaufende Schlitze 22 eingebracht werden, beispielsweise wiederum mittels eines Scheibenfräsers oder mittels Laserschneidens, wodurch die in Umfangsrichtung voneinander getrennten Kippsegmente 12, 14, 16 gebildet werden. Der zwischen den Trägerelementen 30, 32 angeordnete Bereich des Ausgangskörpers kann in seinem Außenmantel mit Längsnuten 24 entsprechend der Anzahl der zu bildenden Kippsegmente 12, 14, 16 versehen sein, in denen dann die Schlitze 22 eingebracht werden.
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Bei einem in 2 und 3 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel verlaufen die Torsionsstege 40 etwa parallel zur Drehachse 20. Bei einem in 4 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel verlaufen die Torsionsstege 40 unter einem Winkel α bezüglich der Drehachse 20 geneigt, insbesondere derart, dass die an den Trägerelementen 30, 32 angeordneten Enden der Torsionsstege 40 näher an der Drehachse 20 angeordnet sind als die an den Kippsegmenten 12, 14, 16 angeordneten Enden der Torsionsstege 40. Die Torsionsstege 40 nähern sich somit ausgehend von den Kippsegmenten 12, 14, 16 zu den Trägerelementen 30, 32 hin der Drehachse 20 an. Bei einer Erwärmung des Kippsegmentlagers 10 erwärmen sich auch die Torsionsstege 40, wodurch diese sich ausdehnen. Hierbei werden die Kippsegmente 12, 14, 16 und deren Kippachse 42 radial nach außen bewegt. Bei einer Erwärmung dehnt sich auch die Welle 18 aus, wobei durch die infolge der Ausdehnung der Torsionsstege 40 radial nach außen bewegten Kippsegmente 12, 14, 16 der Lagerspalt 38 zumindest im Wesentlichen nicht verringert und annähernd konstant bleibt.
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In 5 ist das Kippsegmentlager 10 in einem Querschnitt gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel dargestellt. Hierbei ist vorgesehen, dass die beiden Trägerelemente 30, 32 nicht über ihren gesamten Umfang an der Bohrung 37 im Gehäusekörper 36 anliegen, sondern nur in definierten Anlagebereichen 50. Entsprechend der Anzahl der drei Kippsegmente 12, 14, 16 sind drei Anlagebereiche 50 gleichmäßig über den Umfang der Trägerelemente 30, 32 verteilt vorgesehen. Die Anlagebereiche 50 sind zu den Torsionsstegen 40 in Umfangsrichtung versetzt angeordnet, vorzugsweise in Umfangsrichtung zumindest annähernd mittig zwischen den Torsionsstegen 40. Die Anlagebereiche 50 können beispielsweise durch radiale Erhebungen 52 der Trägerelemente 30, 32 gebildet sein. Alternativ oder zusätzlich können die Anlagebereiche 50 auch durch radial nach innen ragende Erhebungen in der Bohrung 37 des Gehäusekörpers 36 gebildet sein.
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In den Umfangsbereichen der Torsionsstege 40 sind die Trägerelemente 30, 32 mit radialem Spiel bezüglich der Drehachse 20 in der Bohrung 37 des Gehäusekörpers 36 angeordnet. Bei einer Erwärmung der Trägerelemente 30, 32 können sich deren zwischen den Anlagebereichen 50 liegenden Umfangsbereiche, in denen die Torsionsstege 40 angeordnet sind, wie mit den Pfeilen 54 in 5 angedeutet innerhalb der Bohrung 37 im Gehäusekörper 36 radial nach außen bewegen. Hierbei werden auch die Torsionsstege 40 und mit diesen die Kippsegmente 12, 14, 16 radial nach außen bewegt, so dass bei einer Erwärmung der Welle 18 der Lagerspalt 38 mit zumindest annähernd gleicher Größe erhalten bleibt.
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Beim dritten Ausführungsbeispiel gemäß 5 können die Torsionsstege 40 wie beim ersten Ausführungsbeispiel gemäß den 2 und 3 etwa parallel zur Drehachse 20 verlaufend angeordnet sein oder wie beim zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 4 geneigt zur Drehachse 20 verlaufend angeordnet sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017202740 A1 [0002]
