DE102021132454A1

DE102021132454A1 - Verfahren zur Herstellung von einem Statorlagerpartner für eine aerodynamische Lagervorrichtung sowie aerodynamische Lagervorrichtung

Info

Publication number: DE102021132454A1
Application number: DE102021132454.8A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Hilbinger; Juergen Schmidt; Andre Anger
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2021-10-04
Filing date: 2021-12-09
Publication date: 2023-04-06
Anticipated expiration: 2041-12-10
Also published as: DE102021132454B4; DE102021132438B4; DE102021132438A1

Abstract

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer aerodynamischen Lagervorrichtung vorzuschlagen, welches eine hohe Fertigungsqualität erlaubt.Es wird ein Verfahren zur Herstellung von einem Statorlagerpartner für eine aerodynamische Lagervorrichtung vorgeschlagen, wobei der Statorlagerpartner 4 einen Grundköper 13, mindestens einen Folienabschnitt 6 mit einer Folienfläche 7 zur Ausbildung eines Zwischenspalts 9 zwischen einer Läuferfläche 8 von einem Läuferlagerpartner 2 der aerodynamischen Lagervorrichtung 1 und der Folienfläche 7 bei einer Rotation des Läuferlagerpartners 2 relativ zu dem Statorlagerpartner 4 sowie eine elastische Zwischenschicht 16 aufweist, wobei der Folienabschnitt 6 über die elastische Zwischenschicht 16 auf dem Grundkörper 13 gelagert ist, wobei die elastische Zwischenschicht 16 aus einer formlosen Masse 15 urformend aufgebracht wird, so dass diese zwischen dem Grundkörper 13 und dem Folienabschnitt 6 angeordnet ist, und wobei in einem Kalibrierungsschritt die Folienfläche 7 oder Teilbereiche davon relativ zu dem Grundkörper durch Formung der Zwischenschicht 16 kalibriert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von einem Statorlagerpartner für eine aerodynamische Lagervorrichtung sowie eine aerodynamische Lagervorrichtung, die nach dem Verfahren hergestellt ist.
Sogenannte Folienlager weisen in einer üblichen Bauform einen Stator mit Folienbereichen auf, wobei die Folienbereiche eine Notlagerfläche definieren. Beim Anlaufen des Folienlagers gleitet der rotierende Lagerpartner zunächst mechanisch über die Notlagerfläche und - wenn die Relativdrehzahl zwischen dem Stator und dem rotierenden Lagerpartner größer wird - hebt dann von dem Folienpartner ab, so dass zwischen dem Stator und dem rotierenden Lagerpartner ein Zwischenspalt mit einem Gasfilm gebildet ist. Derartige Folienlager sind als Radiallager oder auch als Axiallager bekannt. Die Vorteile derartiger Folienlager sind vor allem, dass aufgrund des im Betrieb entstehenden Gasfilms nur eine minimale Reibung und damit auch nur eine minimale Wärmeerzeugung selbst bei extrem hohen Drehzahlen in dem Folienlager gegeben ist.
Die Druckschrift CN 106438676 A , die den nächstkommenden Stand der Technik bildet, offenbart ein Folienaxiallager mit einem Tragkörper sowie einer Folienschicht, welche elastisch nachgiebig an dem Tragkörper angeordnet ist. Zwischen der Folienschicht und dem Tragkörper ist beispielsweise eine Gummilage angeordnet, um die elastische Nachgiebigkeit umzusetzen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer aerodynamischen Lagervorrichtung vorzuschlagen, welches eine hohe Fertigungsqualität erlaubt. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine aerodynamische Lagervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen von einem Statorlagerpartner für eine aerodynamische Lagervorrichtung. Die aerodynamische Lagervorrichtung ist insbesondere für eine Fluidenergiemaschine, insbesondere eine Verdichterbaugruppe, geeignet und/oder ausgebildet. Die aerodynamische Lagervorrichtung weist einen Läuferlagerpartner sowie den Statorlagerpartner auf, wobei diese im Betrieb relativ zueinander um eine Rotationsachse rotieren. Besonders bevorzugt ist der Statorlagerpartner stationär angeordnet und/oder anordenbar und der Läuferlagerpartner rotiert und/oder rotierbar. Die Lagervorrichtung definiert insbesondere über die Drucklinien zur Kraftübertragung zwischen dem Läuferlagerpartner und dem Statorlagerpartner eine Lagerrichtung.
Der Statorlagerpartner weist einen Grundkörper auf. Ferner weist der Statorlagerpartner mindestens einen Folienabschnitt, vorzugsweise mehrere Folienabschnitte auf, welche jeweils eine Tragfläche (auch Tragflügel genannt) aufweisen, die gemeinsam eine Folienfläche bilden. Insbesondere kann der mindestens eine Folienabschnitt einen Teil einer Deckfolie bilden, wobei die Deckfolie oder der mindestens eine Folienabschnitt auch als „top foil“ bezeichnet werden kann. Der Folienabschnitt ist in Lagerrichtung elastisch in oder an dem Statorlagerpartner angeordnet, insbesondere so, dass der Folienabschnitt elastisch in Richtung des Läuferlagerpartners gedrückt oder elastisch vorgespannt wird. Der Läuferlagerpartner weist eine Läuferfläche auf, wobei die Läuferfläche dem Statorlagerpartner zugewandt ist und/oder senkrecht zu der Lagerrichtung verläuft. Der Grundkörper kann als ein Lagerbauteil, wie z.B. eine Platte oder als ein Außenring ausgebildet sein, welche eine Lagersitzfläche bereitstellen. Alternativ wird der Grundkörper durch eine Anschlusskonstruktion gebildet, wobei die Anschlusskonstruktion die Lagersitzfläche bereitstellt.
Die Läuferfläche und die Folienfläche können jeweils eine Notlagerfläche bilden, wobei die Lagerpartner über die Notlagerflächen abgleiten können. Im Betrieb bildet sich zwischen der Folienfläche und der Läuferfläche ein Zwischenspalt aus oder erweitert sich, wobei in dem Zwischenspalt ein Gasfilm, insbesondere ein aerodynamischer Gasfilm, entsteht. Als Gas für den Gasfilm kann Umgebungsluft oder ein in der Umgebung der Lagervorrichtung vorhandenes Gas verwendet werden.
Zwischen dem Folienabschnitt und dem Grundkörper ist eine elastische Zwischenschicht angeordnet, wobei die elastische Zwischenschicht den Folienabschnitt gegenüber dem Grundkörper elastisch lagert. Durch die elastische Lagerung kann die Folienfläche gegenüber dem Läuferlagerpartner elastisch nachgeben, um den Zwischenspalt zu bilden. Die Zwischenschicht kann durchgängig ausgebildet sein, alternativ hierzu ist diese nur bereichsweise auf dem Grundkörper vorgesehen. Insbesondere ist die Zwischenschicht im Kraftfluss zwischen den Folienabschnitten, insbesondere den Tragflächen, und dem Grundkörper angeordnet. Die Zwischenschicht besteht aus einem temperaturbeständigen und/oder druckelastischen, Werkstoff, insbesondere einem Kunststoff wie z.B. einem Elastomer. Z.B. besteht diese aus einem Silikonkautschuk, Hochtemperatur-Silikonkautschuk oder ein LSR ist (Liquide Silicon Rubber) oder FKM (Flourkautschuk). Der verwendete Kunststoff, insbesondere Elastomer, kann optional mit anderen Stoffen z.B. zur Steigerung der Temperaturbeständigkeit gefüllt sein.
Die elastische Zwischenschicht wird aus einer formlosen Masse urformend (z.B. durch spritzen, dosieren, drucken, Siebdruck, vulkanisieren, 3D-Druck, ...) aufgebracht. Dabei ist es unter anderem möglich, dass diese auf den Grundkörper und/oder auf die Innenseite von dem Folienabschnitt aufgebracht wird oder in einen entsprechenden Zwischenraum zwischen dem Grundkörper und dem Folienabschnitt eingespritzt wird. Insbesondere wird die formlose Masse als Flüssigkeit oder pastöse Masse aufgebracht. Nach dem Aufbringen ist die Zwischenschicht zwischen dem Grundkörper und dem Folienabschnitt angeordnet.
Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass in einem Kalibrierungsschritt die Folienfläche relativ zu dem Grundkörper, insbesondere zu der Lagersitzfläche, durch Formung der Zwischenschicht kalibriert wird. Insbesondere handelt es sich um einen zusätzlichen Kalibrierungsschritt, wobei der zusätzliche Kalibrierungsschritt nach dem Schritt des Aufbringens der formlosen Masse durchgeführt wird. Insbesondere wird die Zwischenschicht geformt bevor diese ausgehärtet (z.B. bei Raumtemperatur, unter erhöhter Aushärtetemperatur, mittels UV-Licht, Vorvernetzung mittels UV-Licht und anschließendes Aushärten mittels Temperatur, usw.) ist. Insbesondere wird die Lagerhöhe während des Montageprozesses präzise kalibriert, indem bspw. Die formlose Masse, insbesondere das Elastomer, direkt auf den Grundkörper, insbesondere die Lagersitzfläche, aufgetragen wird (vollflächig, punktförmig, raupenförmig, usw.), anschließend die Deckfolie (Topfoil) aufgelegt wird, die Lagervorrichtung mittels Vorrichtung oder Presse präzise auf Höhe kalibriert und in diesem Zustand ausgehärtet oder zumindest teilausgehärtet (vorvernetzt) wird.
Unter Aushärtung wird insbesondere der Übergang von einer plastisch verformbaren und/oder viskosen Masse zu der elastischen Zwischenschicht verstanden. Mit dem Kalibrierungsschritt wird die Folienfläche in eine definierte Position relativ zu dem Grundkörper, insbesondere zu der Lagersitzfläche, ausgerichtet und durch die Formung der Zwischenschicht in dieser Lage festgelegt, so dass auftretende Fertigungstoleranzen der Einzelteile bei einer Produktion von einer Vielzahl von derartigen Statorlagerpartnern eliminiert werden und die Bauhöhenschwankung untereinander reduziert wird.
Es ist dabei eine Überlegung der Erfindung, dass Folienlager derzeit in Kleinstückzahlanwendungen wie bspw. in der Luftfahrttechnik oder in Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen eingesetzt werden. Allerdings wird in den nächsten Jahren eine deutliche Stückzahlsteigerung erwartet. Daraus resultiert die Forderung nach großserientauglichen Herstellungsprozessen und dafür geeigneten Lagerdesigns. Das Problem ist, dass die für die Funktion erforderlichen Lager-Toleranzen unter Großserienbedingungen nicht erreicht, bzw. nur mit hohem Aufwand erreicht werden können. Bei einer Ausführung mit einer sogenannten Bumpfoil, liegen die Ursachen in der schlechten Formbarkeit der Bumpfoil-Wellen aus dem Federstahlblech. Federstahlblech hat die Eigenschaft, nach der Umformung wieder zu einem erheblichen Teil in die Ursprungsform zurück zu federn. Diese Eigenschaft steht einer ausreichend präzisen Umformung entgegen. Für die Funktion werden Bumpfoilhöhentoleranzen -und Höhenunterschiede von einer zu den anderen Wellen von wenigen Hundertstel Millimetern benötigt, um einen Keilspalt zwischen Rotor und Tragfläche zum Druckaufbau, sowie einen ausreichend präzisen Trag-Luftspalt sicherzustellen. Neben der präzisen Fertigung der Wellenhöhen muss die Bumpfoil mit allen Kontaktpunkten an der Grundplatte und der Topfoil anliegen, damit die Tragflächen beim Rotor-Start nicht zu stark gegen die Laufflächen am Rotor gedrückt werden und damit Reibmoment und Verschleiß zu stark ansteigen würden, d.h. die Bumpfoil darf insgesamt nur sehr geringe Formfehler aufweisen. Durch die federnden Eigenschaften des Federstahlblechs lassen sich diese Anforderungen nur mit hohem Werkzeugabstimmungsaufwand oder ggfs. überhaupt nicht erreichen.
Demgegenüber schlägt die Erfindung nicht nur vor, die Bumpfoil aus dem umgeformten, nichtrostenden Federstahlblech durch einen druckelastischen, Werkstoff zu ersetzen. Hierbei soll das elastische Material in flüssigem oder pastösem Zustand auf eine der beiden Kontaktierungsflächen (bevorzugt auf den Grundkörper, alternativ auf den Folienabschnitt oder direkt zwischen die beiden Bauteile) aufgetragen werden.
Erfindungsgemäß wird insbesondere vorgeschlagen, den Statorlagerpartner zu fügen, während der elastische Werkstoff noch pastös ist (d.h. viskose Eigenschaften aufweist) und durch eine Vorrichtung die exakte Dicke der Zwischenschicht einzustellen und den elastischen Werkstoff in diesem Zustand auszuhärten, sodass am Ende Statorlagerpartner mit einer sehr geringen Streuung der Dicke der Zwischenschicht vorliegen, sowie auch einer einheitlichen Höhe der einzelnen Folienabschnitte zueinander, insbesondere innerhalt eines Statorlagerpartners, als auch von Statorlagerpartner zu Statorlagerpartner.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird die Zwischenschicht in Bezug auf eine Schichtdicke geformt. Insbesondere wird sichergestellt, dass der Abstand zwischen dem Folienabschnitt und dem Grundkörper, welche durch die Zwischenschicht definiert ist, einem vorgegebenen Sollwert entspricht.
Alternativ oder ergänzend wird die Zwischenschicht in Bezug auf eine Schichtdickenverteilung geformt. Durch den Kalibrierungsschritt ist es nicht nur möglich, die Schichtdicke absolut und im Vergleich zu anderen Statorlagerpartner reproduzierbar zu formen. Vielmehr ist es ergänzend auch möglich, die Schichtdickenverteilung bei einem einzigen Statorlagerpartner durch Formung der Zwischenschicht zu kalibrieren. Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass die Schichtdicke nicht einheitlich über die Zwischenschicht geformt wird. Insbesondere ist es möglich, einen gewollten Schichtdickenverlauf durch den Kalibrierungsschritt abzubilden. So ist es beispielsweise umsetzbar, dass die Schichtdicke in den Randbereichen der Folienflächen und/oder Tragflächen reduziert wird, um eine Rampe zu schaffen über die der Läuferlagerpartner auf die jeweilige Folienfläche auflaufen und den Gasdruck aufbauen kann oder welche zu einem konstanteren Läufer-/Statorabstand über die gesamte Folienfläche führt, obwohl der Gasdruck im Spalt zu den Randbereichen hin auf Null abfällt und sich andernfalls der Abstand dadurch in diesen Teilbereichen verringern würde. Auch andere Schichtdickenverteilungen sind auf diese Weise darstellbar. Vorzugsweise weist der Statorlagerpartner eine Mehrzahl von Folienabschnitten mit Folienflächen und/oder Tragflächen auf, wobei es für einen reibungsarmen Lauf der aerodynamischen Lagervorrichtung vorteilhaft ist, wenn diese Folienflächen bzw. Tragflächen jeweils die gleiche Schichtdicke und/oder die gleiche Schichtdickenverteilung aufweisen.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Zwischenschicht über ein Kalibrierwerkzeug geformt wird. Insbesondere wird die Zwischenschicht über einen Stempel geformt. Besonders bevorzugt ist das Kalibrierwerkzeug als ein Werkzeug einer weggebundenen Presse ausgebildet. Durch die weggebundene Presse wird sichergestellt, dass die Schichtdicke oder die Schichtdickenverteilung reproduzierbar in dem gleichen Abstand von dem Grundkörper, insbesondere zu der Lagersitzfläche, umgesetzt wird. Alternativ kann die Schichtdickenerzeugung über feste oder einstellbare Anschläge, insbesondere Endanschläge im Werkzeug selbst erfolgen und die Presse in dieser Konfiguration bevorzugt kraftgesteuert oder mit einer nicht geregelten Wegeinstellung betrieben werden. Das Kalibrierwerkzeug kann z.B. über Anschlagflächen verfügen, dann fährt die Presse die Werkzeughälften bis zu einer definierten Werkzeugschließkraft auf Block zusammen. Alternativ weist das Kalibrierwerkzeug keine Anschlagflächen auf, stattdessen fährt die Presse die beiden Werkzeughälften weggesteuert zusammen.
Bei dem Verfahren ist es besonders bevorzugt, dass die Zwischenschicht mit aufgesetztem Kalibrierwerkzeug ausgehärtet wird. Dies kann ein vollständiges Aushärten sein, oder alternativ eine Teilvernetzung, bei der die formbare Masse der Zwischenschicht eine derartige Formstabilität einnimmt, welche ein nachträgliches vollständiges Aushärten außerhalb des Kalibrierwerkzeugs ohne Schichtdickenänderung sicherstellt. Unter der Aussage „ohne Schichtdickenänderung“ ist eine unsystematische, Schichtdickenänderung zu verstehen. Systematische Schichtdickenänderungen sind dagegen kompensierbar und damit zulässig. Dadurch, dass das Kalibrierwerkzeug auf dem Statorlagerpartner aufgesetzt wird, solange die formlose Masse noch pastös, flüssig und/oder viskos ist, kann diese als Zwischenschicht in die gewünschte Form übergeführt werden. Dadurch, dass das Kalibrierwerkzeug aufgesetzt bleibt, bis die Zwischenschicht ausgehärtet ist, werden Rückfederungseffekte minimiert, so dass die Streuung oder etwaige Abweichungen von einer Sollkontur, Schichtdicke oder Schichtdickenverteilung weiter verkleinert werden.
Bei einer bevorzugten Realisierung des Verfahrens ist die Lagervorrichtung als eine Axiallagervorrichtung ausgebildet. In diesem Fall entspricht die Lagerrichtung der Rotationsachse der Lagervorrichtung. Die Folienflächen und/oder Tragflächen von dem mindestens einen Folienabschnitt erstrecken sich im Wesentlichen in einer radialen Ebene zu der Rotationsachse. Alternativ hierzu ist die Lagervorrichtung als eine Radiallagervorrichtung ausgebildet. Die Folienflächen und/oder Tragflächen von dem mindestens einen Folienabschnitt erstrecken sich im Wesentlichen in einer Zylinderfläche zu der Rotationsachse. In diesem Fall ist die Lagerrichtung insbesondere in radialer Richtung zu der Rotationsachse ausgerichtet.
Insbesondere ist der Grundkörper bei der Axiallagervorrichtung als eine Platte ausgebildet oder weist zumindest eine ebene Montageseite als Lagersitzfläche für den mindestens einen Folienabschnitt und die Zwischenschicht auf. Bei der Radiallagervorrichtung ist der Grundkörper bevorzugt als ein Außenring oder als ein Außenringabschnitt realisiert oder weist zumindest eine Zylinderfläche als Lagersitzfläche für den mindestens einen Folienabschnitt und die Zwischenschicht auf.
Es ist besonders bevorzugt, dass die Wirkfläche des Kalibrierwerkzeugs eine Grundform mit einer zusätzlichen Höhenverteilung aufweist. Bei der Ausbildung als Axiallagervorrichtung ist die Grundform eine Ebene, wobei - wie zuvor beschrieben - eine zusätzliche Höhenverteilung eingebracht sein kann, um z.B. die Ränder der Tragflächen besonders zu gestalten. Für den Fall der Radiallagervorrichtung ist die Wirkfläche des Kalibrierwerkzeugs als eine Zylinderfläche, insbesondere gerade Zylinderfläche, als Grundform ausgebildet, wobei auch hier zusätzliche Höhenverteilung vorgesehen sein können, um wie bei der Axiallagervorrichtung eine weitere Kontur in die Zwischenschicht einzubringen.
Prinzipiell können der Grundkörper und die Deckfolie über die Zwischenschicht einseitig mit dem Grundkörper oder einseitig mit der Deckfolie verbunden sein. Optional kann nur eine Teilmenge der Tragflächen fest verbunden und eine andere Teilmenge unverbunden sein.
Bei einer bevorzugten Realisierung ist die Zwischenschicht mit dem Grundkörper und dem Folienabschnitt stoffschlüssig verbunden. Nachdem hier eine Fügeverbindung vorliegt, wird insbesondere vorgeschlagen, auf eine Parallelfügeverbindung, insbesondere auf eine Schweißung zu verzichten. Dadurch wird erreicht, dass kein thermischer Eintrag erfolgt, so dass beispielsweise ein Verziehen des Grundkörpers ausgeschlossen ist. Werkstoffwahl und Verfahren haben darüber hinaus den Vorteil, dass sie die Einzelteile der Lagervorrichtung wie Grundkörper und Deckfolie wie ein Kleber fest miteinander verbinden. Dadurch kann auf das sonst übliche Verschweißen der Bauteile verzichtet werden und das damit einhergehende Verschmutzungsrisiko, den Effekt der Werkstofffestigkeitsreduzierung an den Schweißnähten und der Reduzierung der Korrosionsbeständigkeit an den Schweißnähten umgangen werden.
Bevorzugt ist die Deckfolie an mindestens einem Punkt gegen Verdrehen mit dem Grundkörper gesichert.
Prinzipiell kann vorgesehen sein, dass die Zwischenschicht durchgängig und/oder einheitlich ist. Bei abgewandelten Ausführungsformen kann die Zwischenschicht entlang der Erstreckungsfläche sowohl unterschiedliche Dicken bis hin zu Fehlstellen oder Freistellen aufweisen und/oder aus unterschiedlichen Materialien gebildet sein. Auf diese Weise kann das elastische Verhalten der Zwischenschicht beliebig eingestellt und/oder designt werden. Insbesondere wird die Steifigkeit innerhalb der Tragfläche dem Luftdruckprofil zwischen den Tragflächen und dem Läuferlagerpartner durch Variation von z.B. Geometrie und/oder Werkstoff partiell anzupassen. Die Federsteifigkeit der Zwischenschicht ist durch Geometrie, Struktur, Werkstoff und/oder Werkstoffkombinationen der Zwischenschicht variierbar.
Es ist auch möglich, dass die stoffschlüssige Verbindung zwischen der Zwischenschicht dem Grundkörper und/oder dem Folienabschnitt gezielt teilweise unterbrochen ist, indem beispielsweise ein Trennmittel eingebracht wird. Auch auf diese Weise kann das elastische Verformungsverhalten von dem Statorlagerpartner definiert und gesteuert werden. Insbesondere kann alternativ zur beidseitigen festen Verbindung der Zwischenschicht bestimmte Kontaktflächen mit Trennmittel versehen sein, um eine feste Verbindung zu vermeiden.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung wird durch eine aerodynamische Lagervorrichtung gebildet, wie diese zuvor beschrieben wurde, wobei der Statorlagerpartner durch das Verfahren wie dieses zuvor dargestellt wurde, hergestellt ist. Das Verfahren erkennt man an dem fertig gestellten Produkt an der Form der Zwischenschicht, welche einen Rückschluss auf den Einsatz des Kalibrierwerkzeugs erlaubt. Die Zwischenschicht ist gegenüber einer unkalibrierten Zwischenschicht, welche sich nur selbsttätig unter der Deckfolie verteilt, zum einen dünner und zum anderen mit einer größeren Fläche ausgebildet. Ferner kann durch den Vergleich der Form und der Dicke der Zwischenschicht von einer Vielzahl von Statorlagerpartnern auf das Verfahren zurückgeschlossen werden. Für den Fall, dass die Wirkfläche des Kalibrierwerkzeugs konturiert ausgeführt ist, ist auch die resultierende Zwischenschicht konturiert ausgebildet.
Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkung der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie der beigefügten Figuren. Diese zeigen:

1 eine schematische Schnittdarstellung von einer aerodynamischen Lagervorrichtung ausgebildet als Axiallagervorrichtung als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine schematische, dreidimensionale Darstellung von einem Statorlagerpartner der aerodynamischen Lagervorrichtung in der 1;
3 eine schematische, dreidimensionale Darstellung von einem Grundkörper der aerodynamischen Lagervorrichtung der vorhergehenden Figuren;
4 ein Flussdiagramm zur Beschreibung eines Herstellungsverfahrens des Statorlagerpartners als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;
5 den Statorlagerpartner aus der 2 mit schematisch dargestellten Verteilungen der formlosen Masse und/oder der Zwischenschicht;
6 eine schematische Schnittdarstellung von einer aerodynamischen Lagervorrichtung ausgebildet als Radiallagervorrichtung als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die 1 zeigt in einer stark schematisiert dargestellten Darstellung eine aerodynamische Lagervorrichtung 1, wobei die aerodynamische Lagervorrichtung 1 als eine Axiallagervorrichtung ausgebildet ist.
Die aerodynamische Lagervorrichtung 1 weist einen Läuferlagerpartner 2 auf, wobei der Läuferlagerpartner 2 mit einer Welle 3 oder einem anderen rotierenden Element drehfest verbunden ist, so dass der Läuferlagerpartner 2 gemeinsam mit der Welle 3 rotiert. Ferner weist die aerodynamische Lagervorrichtung 1 einen Statorlagerpartner 4 auf. Der Läuferlagerpartner 2 und der Statorlagerpartner 4 rotieren relativ zueinander um eine gemeinsame Rotationsachse 5. Genauer betrachtet ist der Statorlagerpartner 4 stationär angeordnet und der Läuferlagerpartner 2 rotiert um die Rotationsachse 5.
Der Statorlagerpartner 4 weist mehrere Folienabschnitte 6 auf, welche eine Folienfläche 7 mit mehreren Tragflächen 10 bilden, welche sich gleichgerichtet zu einer Radialebene zu der Rotationsachse 5 erstreckt. Der Läuferlagerpartner 2 weist dagegen eine Läuferfläche 8 auf, wobei die Läuferfläche 8 in einer radialen Ebene zu der Rotationsachse verläuft bzw. sich erstreckt. Die Folienfläche 7 und die Läuferfläche 8 bilden Notlagerflächen für die als Axiallagervorrichtung ausgebildete aerodynamische Lagervorrichtung 1. Insbesondere bilden die Folienfläche 7 und/oder die Läuferfläche 8 jeweils eine Kreisringfläche, wobei die Kreisringflächen in axialer Draufsicht großteils deckungsgleich angeordnet sind.
Zwischen der Folienfläche 7 und der Läuferfläche 8 bildet sich spätestens im Betrieb der Lagervorrichtung 1 ein Zwischenspalt 9 aus, in dem ein aerodynamischer Gasfilm auftritt, so dass der Läuferlagerpartner 2 auf dem Gasfilm reibungsarm und zum Statorlagerpartner 4 berührungslos ablaufen kann. Der Zwischenspalt 9 ist beispielsweis kleiner als 30 µm ausgebildet.
Die 2 zeigt eine schematische, dreidimensionale Darstellung von dem Statorlagerpartner 4. Der Statorlagerpartner 4 weist eine Mehrzahl der Folienabschnitte 6 auf, wobei die Folienabschnitte 6 als Segmente von einem Kreisring auf dem Statorlagerpartner 4 ausgebildet sind. Durch die Folienabschnitte 6 wird in der Gesamtheit die Folienfläche 7 gebildet. Jeder der Folienabschnitte 6 bildet eine Tragfläche 10. Die Folienabschnitte 6, insbesondere die Tragflächen 10, und damit die Folienfläche 7 sind bzw. ist in Richtung zu dem Läuferlagerpartner 2 optional elastisch vorgespannt und/oder in Gegenrichtung, insbesondere in Lagerrichtung, elastisch nachgiebig ausgebildet. Mittig ist eine Durchgangsöffnung 11 vorgesehen, am Außenumfang sind Befestigungsorgane 12 zur stationären Festlegung des Statorlagerpartners 4 angeordnet. Der Statorlagerpartner 4 kann über die Befestigungsorgane 12 radial und in Umfangsrichtung fest mit einer Umgebungskonstruktion verbunden oder wahlweise mittels Zylinderstifte innerhalb der konstruktiv festgelegten Bewegungsgrenzen „schwimmend“ festgelegt werden.
3 zeigt einen Grundkörper 13 des Statorlagerpartners 4, wobei der Grundkörper 13 als eine Ringscheibe mit der Durchgangsöffnung 11 und mit den Befestigungsorganen 12 ausgebildet ist.
Die 4 offenbart ein Flussdiagramm für ein Verfahren zur Herstellung des Statorlagerpartners 4:

In einem Schritt 100 wird auf den Grundkörper 13, insbesondere auf eine Lagersitzfläche, eine formlose Masse 15 aufgebracht und nachfolgend in einem Schritt 200 eine Deckfolie 14 aufgesetzt. Die Deckfolie 14 weist die Folienabschnitte 6 und damit auf der Oberseite die Folienfläche 7 und/oder die Tragflächen 10 auf. Die formlose Masse 15 bildet dann eine Zwischenschicht 16 zwischen der Deckfolie 14 und/oder den Folienabschnitten 6 und dem Grundkörper 13. Alternativ hierzu kann die formlose Masse 15 auch auf die Deckfolie 14 oder zwischen Grundkörper 13 und Deckfolie 14 aufgebracht werden.

Die formlose Masse 15 befindet sich zunächst in einem flüssigen, pastösen und/oder viskosen Zustand. Durch das Aufsetzen der Deckfolie 14 erfolgt ein erster Materialfluss der formlosen Masse 15, um die Zwischenschicht 16 zu bilden.
In einem Schritt 300 wird die Folienfläche 7, insbesondere die Tragflächen 10, relativ zu dem Grundkörper 13 kalibriert, indem die Zwischenschicht 16 geformt, insbesondere nachgeformt wird.
In dem Schritt 300 wird ein Kalibrierwerkzeug 17, welches als ein Stempel ausgebildet ist, verwendet, um den Abstand zwischen der Folienfläche 7, insbesondere den Tragflächen 10, zu dem Grundkörper 13 einzustellen. Hierzu wird der Grundkörper 13 in einem Werkzeugteil 17 angeordnet und das Kalibrierwerkzeug 18 wird in Richtung des Grundkörpers 13 verfahren, so dass eine Wirkfläche 19 des Kalibrierwerkzeugs 18 in Kontakt mit der Deckfolie 14, insbesondere mit den Tragflächen 10 tritt. Die Bewegung des Kalibrierwerkzeugs 17 ist weggebunden. Wahlweise wird dazu eine weggesteuerte Presse verwendet, oder das Werkzeug mit einem festen oder einstellbaren und in Pressrichtung wirksamen Festanschlag versehen, insbesondere wird eine weggebundene Presse verwendet, oder - wie es in der 4 angedeutet ist - das Werkzeugteil 17 weist einen mechanischen Anschlag als Endanschlag auf, so dass der Verfahrweg des Kalibrierwerkzeugs 18 in Richtung des Grundkörpers 13 begrenzt ist. Jedenfalls kann der Abstand zwischen der Deckfolie 14, der Folienabschnitte 6, der Folienfläche 7 bzw. der Tragflächen 10 zu dem Grundkörper 13, insbesondere zu der Lagersitzfläche, hochgenau eingestellt werden. Daraus resultierend wird eine Schichtdicke der Zwischenschicht 16 geformt, so dass diese Schichtdicke auch in der Serienfertigung reproduzierbar eingestellt werden kann.
Nachdem die Zwischenschicht 16 zum einen für die Position der Deckfolie 14, insbesondere der Tragflächen 10, und zum andern für die elastischen Eigenschaften der Folienabschnitte 6, insbesondere der Tragflächen 10, verantwortlich ist, wird durch das Herstellungsverfahren sichergestellt, dass alle Statorlagerpartner 4 die gleiche Position der Deckfolie 14 und die gleichen elastischen Eigenschaften aufweisen, so wie auch alle Tragflächen 10 innerhalb eines Statorlagerpartners 4.
In einem Schritt 400 wird die Zwischenschicht 16 ausgehärtet oder teilausgehärtet, während das Kalibrierwerkzeug 17 den genannten Abstand fixiert. Hierdurch wird ein Zurückfedern des Aufbaus des Statorlagerpartners 4 verhindert. Durch den Schritt 400 wird sichergestellt, dass alle Statorlagerpartner 4 die gleiche Dicke aufweisen.
Während in der 4 eine Wirkfläche 19 des Kalibrierwerkzeugs 18 eben dargestellt ist, kann bei anderen Ausführungsbeispielen die Wirkfläche 19 auch eine zusätzliche Höhenverteilung aufweisen, so dass die Formung der Zwischenschicht 16 zu einer Schichtdickenverteilung mit ortsabhängiger Schichtdicke führen kann.
In der 5 ist in einer schematischen, dreidimensionalen Darstellung der Statorlagerpartner 4 gezeigt, wobei schematisiert dargestellt ist, dass die formlose Masse 15 und die Zwischenschicht 16 in unterschiedlicher Verteilung für die einzelnen Folienabschnitte 6 aufgebracht werden kann. Die jeweiligen formlosen Massen 15 bzw. Zwischenschichten 16 befinden sich unter der Deckfolie 14 bzw. den Folienabschnitten 6 bzw. den Tragflächen 10. Bei einer Umsetzung weist jedes Segment die gleiche Verteilung auf. Mit dem Bezugszeichen 20 ist eine Verteilung gezeigt, bei der die Zwischenschicht 16 unter dem Folienabschnitt 6 bzw. der Tragfläche 10 gleichmäßig, vollflächig verteilt ist. Mit dem Bezugszeichen 30 ist eine Verteilung gezeigt, wobei nur ein Teil, insbesondere nur eine Hälfte der verfügbaren Fläche, insbesondere nur der Bereich unter der Tragfläche 10 unter dem Folienabschnitt 6 bzw. der Tragfläche 10 mit der formlosen Masse 15 bzw. der Zwischenschicht 16 belegt ist. Mit dem Bezugszeichen 40 ist eine Verteilung gezeigt, wobei die formlose Masse 15 bzw. die Zwischenschicht 16 in unterschiedlich breite radiale Linien unter dem Folienabschnitt 6 bzw. der Tragfläche 10 verteilt ist. Mit dem Bezugszeichen 50 ist eine Verteilung gezeigt, wobei die formlose Masse 15 auf unterschiedliche in Umlaufrichtung verlaufende Linien unter dem Folienabschnitt 6 bzw. der Tragfläche 10 verteilt ist. Mit dem Bezugszeichen 60 ist eine Verteilung gezeigt, wobei die formlose Masse 15 unter dem Folienabschnitt 6 bzw. der Tragfläche 10 in einem Punktmuster aufgebracht ist. Mit dem Bezugszeichen 70 ist eine Verteilung gezeigt, wobei die formlose Masse 15 in eine Vielzahl von Formbereichen, hier Sternbereichen, unter dem Folienabschnitt 6 bzw. der Tragfläche 10 aufgebracht ist.
Neben einer Variation der örtlichen Verteilung der Menge der formlosen Masse 15 ist es auch möglich, eine örtliche Verteilung hinsichtlich der Materialauswahl umzusetzen. So ist es denkbar bei jedem Segment zwei oder mehr unterschiedliche Werkstoffe zu verwenden. Mit der unterschiedlichen Verteilung sowie den unterschiedlichen Werkstoffen kann eine beliebige Charakteristik für die elastischen Eigenschaften der Zwischenschicht 16 erreicht werden.
Die 6 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer aerodynamischen Lagervorrichtung 1, wobei diese als eine Radiallagervorrichtung ausgebildet ist. Die aerodynamische Lagervorrichtung 1 weist als Grundkörper 13 einen Außenring auf, wobei an dem Innenumfang des Grundkörpers 13 eine Zwischenschicht 16 sowie eine Deckfolie 14 mit Folienabschnitten 6, die jeweils eine Tragfläche 10 und gemeinsam eine Folienfläche 7 bilden, angeordnet ist. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel wird nach dem gleichen Herstellungsverfahren gearbeitet, wobei nach dem Aufbringen der formlosen Masse 15 als Zwischenschicht 16 zwischen dem Grundkörper 13 und der Deckfolie 14 der Kalibrierungsschritt 300 erfolgt. Allerdings ist das Kalibrierwerkzeug 18 mit einer zylinderförmigen Außenfläche als Wirkfläche ausgebildet, um einen definierten Abstand zwischen der Deckfolie 14, insbesondere der Folienfläche 7 und/oder den Tragflächen 10 zum Grundkörper 13 einzustellen. In gleicher Weise wie bei der Axiallagervorrichtung können bei der Radiallagervorrichtung unterschiedliche Verteilungen der formlosen Masse 15, unterschiedliche Materialien oder in dem Kalibrierwerkzeug 18 eine weitere Höhenverteilung verwendet werden. Nachfolgend kann die Zwischenschicht 16 in einem Schritt 400 ausgehärtet werden, so dass der definierte Abstand festgehalten wird.
Bezugszeichenliste

1: aerodynamische Lagervorrichtung
2: Läuferlagerpartner
3: Welle
4: Statorlagerpartner
5: Rotationsachse
6: Folienabschnitt
7: Folienfläche
8: Läuferfläche
9: Zwischenspalt
10: Tragflächen
11: Durchgangsöffnung
12: Befestigungsorgane
13: Grundkörper
14: Deckfolie
15: formlose Masse
16: Zwischenschicht
17: Werkzeugteil
18: Kalibrierwerkzeug
19: Wirkfläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

CN 106438676 A [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung von einem Statorlagerpartner für eine aerodynamische Lagervorrichtung, wobei der Statorlagerpartner (4) einen Grundköper (13), mindestens einen Folienabschnitt (6) mit einer Folienfläche (7) zur Ausbildung eines Zwischenspalts (9) zwischen einer Läuferfläche (8) von einem Läuferlagerpartner (2) der aerodynamischen Lagervorrichtung (1) und der Folienfläche (7) bei einer Rotation des Läuferlagerpartners (2) relativ zu dem Statorlagerpartner (4) sowie eine elastische Zwischenschicht (16) aufweist, wobei der Folienabschnitt (6) über die elastische Zwischenschicht (16) auf dem Grundkörper (13) gelagert ist, wobei die elastische Zwischenschicht (16) aus einer formlosen Masse (15) urformend aufgebracht wird, so dass diese zwischen dem Grundkörper (13) und dem Folienabschnitt (6) angeordnet ist, und wobei in einem Kalibrierungsschritt die Folienfläche (7) oder Teilbereiche davon relativ zu dem Grundkörper durch Formung der Zwischenschicht (16) kalibriert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (16) in Bezug auf eine Schichtdicke und/oder Schichtdickenverteilung geformt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (16) über ein Kalibrierwerkzeug (18) geformt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kalibrierwerkzeug (18) als ein Werkzeug einer weggebundenen Presse oder einer kraftgesteuerten Presse mit einem Endanschlag ausgebildet ist, um den Hub der Presse zu definieren, so dass über den definierten Hub die Folienfläche (7) oder Teilbereiche davon relativ zu dem Grundkörper durch Formung der Zwischenschicht (16) kalibriert wird bzw. werden.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (16) mit aufgesetztem Kalibrierwerkzeug (18) ausgehärtet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagervorrichtung (1) als eine Axiallagervorrichtung oder als eine Radiallagervorrichtung ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkfläche des Kalibrierwerkzeugs (18) eine Grundform mit einer zusätzlichen Höhenverteilung aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (16) den Grundkörper (13) mit dem Folienabschnitt (6) stoffschlüssig verbindet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (16) in Erstreckungsrichtung im Bereich der Folienabschnitte (6) unterschiedliche Dickenbereiche und/oder unterschiedliche Materialien aufweist.
Aerodynamische Lagervorrichtung (1) gekennzeichnet durch einen Statorlagerpartner (4), wobei der Statorlagerpartner (4) durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 hergestellt ist.