DE102021202810A1

DE102021202810A1 - Kippsegmentlager

Info

Publication number: DE102021202810A1
Application number: DE102021202810.1A
Authority: DE
Inventors: Armin Schuelke; Ingo Stotz; Uwe Rudolf; Steffen Derhardt; Peter Philipp; Thomas Lang
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-03-23
Filing date: 2021-03-23
Publication date: 2022-09-29
Also published as: WO2022200066A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kippsegmentlager (4,5) mit mindestens einem Kippsegment, das in einem Gehäuse innerhalb einer Rahmenstruktur um eine erste Kippachse kippbar ist, die parallel zu einer Wellenachse angeordnet ist.
Um das Kippsegmentlager (4,5) funktionell und/oder herstellungstechnisch zu verbessern, hat das Kippsegmentlager (4,5) einen zusätzlichen Kippfreiheitsgrad mit einer zweiten Kippachse, die senkrecht zur Wellenachse angeordnet ist, um einen Lagerspalt mit einer konstanten Achshöhe in Richtung der Wellenachse darzustellen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kippsegmentlager mit mindestens einem Kippsegment, das in einem Gehäuse innerhalb einer Rahmenstruktur um eine erste Kippachse kippbar ist, die parallel zu einer Wellenachse angeordnet ist.
Stand der Technik
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2016 216 395 A1 ist ein Kippsegmentlager bekannt, aufweisend: Eine Hülse, mehrere Kippsegmente, und einen Rahmen, in welchem die Kippsegmente aufgenommen sind, wobei jeweils ein Federelement zwischen der Innenseite der Hülse und dem zugeordneten Kippsegment vorgesehen ist, wobei das Federelement mit dem Rahmen verbunden oder als separates Bauteil zwischen der Innenseite der Hülse und dem Rahmen angeordnet ist, wobei der Rahmen wenigstens einen Halterungsabschnitt aufweist zum Halten des zugeordneten Kippsegments in dem Rahmen, wobei das jeweilige Kippsegment derart durch den wenigstens einen Halterungsabschnitt in dem Rahmen gehalten wird, dass das Kippsegment ein Spiel in radialer Richtung und vorzugsweise zusätzlich in Umfangsrichtung aufweist, um ein Kippen des Kippsegments in Umfangsrichtung zu erlauben.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kippsegmentlager mit mindestens einem Kippsegment, das in einem Gehäuse innerhalb einer Rahmenstruktur um eine erste Kippachse kippbar ist, die parallel zu einer Wellenachse angeordnet ist, funktionell und/oder herstellungstechnisch zu verbessern.
Die Aufgabe ist bei einem Kippsegmentlager mit mindestens einem Kippsegment, das in einem Gehäuse innerhalb einer Rahmenstruktur um eine erste Kippachse kippbar ist, die parallel zu einer Wellenachse angeordnet ist, dadurch gelöst, dass das Kippsegmentlager einen zusätzlichen Kippfreiheitsgrad mit einer zweiten Kippachse hat, die senkrecht zur Wellenachse angeordnet ist, um einen Lagerspalt mit einer konstanten Achshöhe in Richtung der Wellenachse darzustellen. Das Gehäuse umfasst zum Beispiel eine zylindrische Ausnehmung, wie eine Bohrung, in der das Kippsegmentlager untergebracht ist. Zur Positionierung des Kippsegments, insbesondere zum Positionieren von mehreren Kippsegmenten, in dem Gehäuse kann zum Beispiel eine zusätzliche Rahmenstruktur mit einem Käfig und mindestens einem Federelement verwendet werden. Das Kippsegmentlager dient zur drehbaren Lagerung eines Rotorkörpers in dem Gehäuse. 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 Turboverdichtern 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. Das Kippsegmentlager umfasst vorteilhaft mindestens drei Kippsegmente. Besonders bevorzugt umfasst das Kippsegmentlager genau drei Kippsegmente. Bei dem beanspruchten Kippsegmentlager handelt es sich vorzugsweise um ein Radiallager. Die Kippsegmente werden durch die Rahmenstruktur relativ zueinander so positioniert und gehalten, dass sie im Betrieb des Kippsegmentlagers auftretende Kippbewegungen ausführen können. Die Kippsegmente sind um einen sogenannten Pivotpunkt beziehungsweise eine Pivotachse oder Kippachse kippbar. Die Funktion eines Kippsegmentlagers beruht auf der Ausbildung eines Fluidfilms zwischen dem Kippsegment und dem Rotorkörper, zum Beispiel der Welle. Eine Kippsegmenthinterkante agiert hierbei als Schließkante, wenn das Kippsegment zum Beispiel durch das Federelement an die Welle angedrückt wird. Aufgrund von nicht oder schwer vermeidbaren Einflüssen, wie Fertigungstoleranzen, Wärmedehnungen der Bauteile und Verschleiß, kann es im Betrieb des Kippsegmentlagers zu einer nicht optimalen Ausrichtung von Kippsegment und Welle kommen. Diese unerwünschte Fehlausrichtung kann sich nachteilig auf die Ausbildung des Fluidfilms auswirken, und folglich zu verminderten Lagereigenschaften führen. Das Gehäuse kann einteilig oder auch mehrteilig sein. Durch den zusätzlichen Kippfreiheitsgrad können auf einfache Art und Weise Fertigungstoleranzen des Kippsegmentlagers, des Gehäuses und/oder der Welle ausgeglichen werden.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kippsegment und der Rahmenstruktur mindestens ein Freiraum vorgesehen ist, der gewünschte Ausgleichsbewegungen des Kippsegments um die zweite Kippachse ermöglicht. Die Rahmenstruktur ist zum Beispiel als Käfig ausgeführt. Der Käfig umfasst zum Beispiel zwei Ringkörper, die durch Stege verbunden sind. Die Rahmenstruktur ist vorteilhaft mit einer Federeinrichtung kombiniert, die zum Beispiel mehrere Federelemente umfasst. Die Federeinrichtung dient vorteilhaft dazu, das Kippsegment, vorzugsweise mehrere Kippsegmente, relativ zu der Rahmenstrukturbewegbar aufzuhängen. Die Größe und die Gestalt des Freiraums sind an die zu erwartenden Ausgleichsbewegungen angepasst. Die Ausgleichsbewegungen wiederum hängen von den auftretenden Fertigungstoleranzen ab. Die Größe des Freiraums ist vorteilhaft etwas größer als die maximal zu erwartenden Ausgleichsbewegungen, um eine einwandfreie Funktion des Kippsegmentlagers sicherzustellen.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmenstruktur eine ballige Innenkontur aufweist. Die ballige Innenkontur kann in Achsrichtung, das heißt in Richtung der Wellenachse, die Form eines konstanten Radius haben. Die Innenkontur kann aus mehreren ineinander übergehenden Radien bestehen oder auch als Freiformkontur ausgebildet sein. Gemeinsam ist hierbei, dass die Kontur ein Kippen um die zweite Kippachse ermöglicht. Ein engster Durchmesser der Innenkontur sitzt zum Beispiel ungefähr mittig in der als Käfig ausgeführten Rahmenstruktur. Zu den Seiten des Käfigs erweitern sich die Durchmesser vorteilhaft. Zur Vereinfachung der Fertigung ist auch ein gestufter Durchmesser möglich.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass das Kippsegment eine ballige Außenkontur aufweist. Besonders vorteilhaft greift in die ballige Außenkontur des Kippsegments kein Positionierelement, insbesondere kein Stift, ein. So wird auf einfache Art und Weise sichergestellt, dass das Kippsegment mit seiner balligen Außenkontur perfekt in oder an dem Käfig, der die Rahmenstruktur darstellt, abwälzen kann. In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel sind sowohl das Kippsegment als auch die Rahmenstruktur, insbesondere der Käfig, ballig ausgeführt.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmenstruktur radial innen einen Kippvorsprung aufweist, der ein Kippen des Kippsegments um die zweite Kippachse ermöglicht. Der Kippvorsprung hat zum Beispiel die Gestalt einer Schneide. Das liefert unter anderem den Vorteil, dass kein zusätzliches Bauteil benötigt wird.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass das Kippsegment radial außen einen Kippvorsprung aufweist, der ein Kippen des Kippsegments um die zweite Kippachse ermöglicht. Der Kippvorsprung an dem Kippsegment ist zum Beispiel als Schneide ausgeführt. Das liefert unter anderem den Vorteil, dass kein zusätzliches Bauteil benötigt wird. Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kippsegment und der Rahmenstruktur ein Wälzkörper angeordnet ist, der ein Kippen des Kippsegments um die zweite Kippachse ermöglicht. Der Wälzkörper ist vorteilhaft in einer entsprechenden Ausnehmung positioniert, die in dem Kippsegment und/oder in der Rahmenstruktur zu diesem Zweck vorgesehen ist.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass der Wälzkörper als Kugel ausgeführt ist. Je nach Ausführung kann mit dem als Kugel ausgeführten Wälzkörper ein Kippen um beide Kippachsen realisiert werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass der Wälzkörper als Ringkörper ausgeführt ist. Der Ringkörper kann als geschlossener Ring ausgeführt sein. Der Ringkörper kann aber auch geschlitzt ausgeführt sein. Gemäß einem Ausführungsbeispiel hat der Ringkörper einen runden Querschnitt. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel hat der Ringkörper einen rechteckigen Querschnitt.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Kipplagerstelle, die zur Darstellung der zweiten Kippachse dient, in axialer Richtung von einer ersten Kipplagerstelle, die zur Darstellung der ersten Kippachse dient, beabstandet ist. Das Kippsegment ist zum Beispiel mit einem Stift kombiniert, der sich durch die Rahmenstruktur erstreckt und der mit einem Ende in eine entsprechende Ausnehmung des Kippsegments eingreift. Um das Kippen um die zweite Kippachse und ein Wälzen des Kippsegments zu ermöglichen, wird der Stift besonders vorteilhaft in einer Wellendrehrichtung neben der ersten Kippachse angeordnet. Alternativ liegt eine Stiftachse neben der ersten Kippachse und hat mit dieser keinen Schnittpunkt. Der Stift kann auch Teil der vorab beschriebenen Federeinrichtung in Form einer umgebogenen Federlasche sein.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Gehäuse, ein Kippsegment, eine Rahmenstruktur, insbesondere einen Käfig, und/oder ein Einzelteil für ein vorab beschriebenes Kippsegmentlager. Die genannten Teile sind separat handelbar.
Das Kippsegmentlager umfasst vorteilhaft zwei, drei oder mehr Kippsegmente. In einer Ausführung sind mindestens zwei flexible Kippsegmente mit einem festen, nicht kippbaren Kippsegment kombiniert. Flexibel bedeutet im Hinblick auf die Kippsegmente, dass diese kippbar sind. Drei Kippsegmente sind vorzugsweise in einer Hundertzwanziggrad- Anordnung angeordnet. Das heißt, die drei Kippsegmente sind in Umfangsrichtung gleichmäßig voneinander beabstandet. Andere Winkelanordnungen sind aber auch möglich. So können drei Kippsegmente in hundertzehn Grad, hundertzehn Grad und hundertvierzig Grad angeordnet werden. Die Winkelangaben beziehen sich auf einen Winkel zwischen jeweils zwei Kippsegmenten. Drei Kippsegmente können mit ihren Pivotpunkten beziehungsweise Pivotachsen gleich voneinander beabstandet sein. Es können aber auch unterschiedliche Abstände der Pivotpunkte oder Pivotachsen genutzt werden. Die Kippsegmente können alle baugleich ausgeführt sein. Bei Bedarf können aber auch mindestens zwei ungleiche Kippsegmente in einem Kippsegmentlager verbaut sein. Ein Kippsegment ist vorteilhaft bezogen auf eine Wirkungslinie der Erdschwerkraft unten angeordnet. Das heißt, dessen Pivotpunkt oder Pivotachse liegt in Richtung des Erdschwerkraftvektors. Die Kippsegmente können mit oder ohne Axialversatz angeordnet werden. Die Kippsegmente können alle den gleichen Massenschwerpunkt aufweisen. Bei Bedarf können aber auch Kippsegmente mit ungleichen Massenschwerpunkten verbaut werden. Die Federelemente sind vorteilhaft alle gleich ausgeführt. Bei Bedarf können aber auch unterschiedliche Federelemente verbaut werden. Die Kippsegmente weisen vorteilhaft alle gleiche Innenflächen auf. Als Innenfläche wird eine Fläche des Kippsegments bezeichnet, die dem Rotorkörper beziehungsweise der Welle zugewandt ist. Die Innenflächen der Kippsegmente sind insbesondere hinsichtlich ihres Durchmessers gleich ausgeführt. Bei Bedarf können aber auch Kippsegmente mit verschiedenen Innenflächen verbaut werden. Oberflächen der Kippsegmente können strukturiert oder mit Taschen versehen sein. Die Innenfläche des Kippsegments kann, bezogen auf eine axiale Richtung, konkav, gerade und/oder konvex ausgeführt sein. So können Winkelfehler ausgeglichen werden. Ein Wälzpunkt zwischen dem Kippsegment und dem Käfig kann so ausgeführt sein, dass das Kippsegment oder der Käfig konkav beziehungsweise konvex ausgeführt ist. Die Kippsegmente, der Käfig und die Federelemente können aus Metall gebildet sein, zum Beispiel aus einem korrosionsbeständigen Stahl oder Federstahl. Die Kippsegmente, der Käfig und die Federelemente können aber auch aus Keramik oder aus Kunststoff gebildet sein.
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.
Figurenliste
Es zeigen: Die

1 bis 4 schematische Darstellungen einer Luftzuführvorrichtung zur Bereitstellung von Luft in einem Brennstoffzellensystem zum Veranschaulichen von Fehlstellungen von Kippsegmentlagern; die
5 bis10 verschiedene Ansichten eines Kippsegmentlagers gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen:
11 eine schematische Darstellung einer Luftzuführvorrichtung zum Veranschaulichen einer Anpassung von Kippsegmenten an eine Welle; und die
12 bis 34 weitere Ansichten eines Kippsegmentlagers gemäß weiterer Ausführungsbeispiele.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In den 1 bis 4 und 11 ist eine Luftzuführvorrichtung 1 mit einem Gehäuse 2 in verschiedenen Ausführungen schematisch dargestellt. Zur Bezeichnung gleicher oder ähnlicher Teile werden in allen Figuren die gleichen Bezugszeichen verwendet. Gemeinsamkeiten werden, um Wiederholungen zu vermeiden, nur einmal beschrieben.
Bei der Luftzuführvorrichtung 1 handelt es sich um einen Turboverdichter, der in einem Brennstoffzellensystem verwendet wird. Eine Welle 3 ist mit Hilfe von Kippsegmentlagern 4, 5, 6 drehbar in dem Gehäuse 2 gelagert. Das Kippsegmentlager 4 ist als Axiallager ausgeführt. Die Kippsegmentlager 5, 6 sind als Radiallager ausgeführt.
Das Gehäuse 2 kann, wie in den 1 bis 3 angedeutet ist, einteilig sein. Das Gehäuse kann aber auch, wie in den 4 und 11 angedeutet ist, mehrteilig ausgeführt sein. In den 4 und 11 umfasst das Gehäuse 2 ein erstes Gehäuseteil 13 und ein zweites Gehäuseteil 14.
An den Enden der Welle 3 sind Laufräder 11, 12 angebracht. Bei dem Laufrad 11 handelt es sich zum Beispiel um ein Verdichterrad. Bei dem Laufrad 12 handelt es sich zum Beispiel um ein Turbinenrad. Zu den Laufrädern 11, 12 gehörende Volutengehäuse sind in den Figuren nicht dargestellt.
Im Idealfall sind Mittelachsen 7, 8 der Kippsegmentlager 5, 6 koaxial ausgerichtet. Dann fallen die Mittelachsen 7, 8 mit einer gemeinsamen Drehachse der Welle 3 zusammen. Lagerspalte 9, 10 der Kippsegmentlager 5, 6 haben in diesem idealen Fall über ihre jeweilige Länge in axialer Richtung eine konstante Höhe. Der Begriff axial oder Achsrichtung bezieht sich auf die Drehachse der Welle 3.
In den 2 und 3 umfasst das Gehäuse 2 im Unterschied zu 1 keine perfekte zylindrische Bohrung. Dadurch kommt es zu einem Versatz oder einem Verkippen der Kippsegmentlager 5, 6 in dem Gehäuse 2. Folglich haben die Lagerspalte 9, 10 keine konstante Höhe über ihre jeweilige Länge in Achsrichtung. Hierdurch kommt es zu deutlich verschlechterten Lagereigenschaften.
Der Versatz der Lagermittelachsen 7, 8 kann durch Abweichungen bei der Fertigung des Gehäuses 2 entstehen. Der Versatz der Lagermittelachsen 9, 10 kann aber auch durch geometrische Abweichungen der Lagereinzelteile selbst entstehen.
In den 4 und 11 ist gezeigt, dass die Luftzuführvorrichtung 1 auch mit einem elektrischen Antrieb ausgestattet sein kann. Der elektrische Antrieb umfasst eine vorzugsweise als Elektromotor ausgeführte elektrische Maschine 15. Ein Versatz 16 zwischen den Mittelachsen 7, 8 der Kippsegmentlager 5, 6 ergibt sich hier aus einem Versatz zwischen den beiden Gehäuseteilen 13 und 14. Daraus ergibt sich wiederum, dass die Lagerspalte 9, 10 keine konstante Höhe in Achsrichtung aufweisen. Die Kippsegmentlager 5, 6 können hierbei exzentrisch versetzt oder auch verkippt sein.
In den 5 bis 34 ist anhand eines Kippsegmentlagers 20 mit drei Kippsegmenten 21, 22, 23 gezeigt, wie ein unerwünschter Versatz der Lagermittelachsen vermieden beziehungsweise ausgeglichen werden kann.
Die Kippsegmente 21 bis 23 sind mit Hilfe einer Rahmenstruktur 29 in einem Gehäuse 34 relativ zu einer Welle 24 jeweils um einen Pivotpunkt beziehungsweise um eine Pivotachse kippbar. Die Rahmenstruktur 29 umfasst zum Beispiel einen Käfig 25.
Die Kippsegmente 21 bis 23 sind mit Hilfe einer Federeinrichtung 26 bewegbar in beziehungsweise an der Rahmenstruktur 29 aufgehängt. Die Federeinrichtung 26 umfasst drei Federelemente 31 bis 33. Durch die Federelemente 31 bis 33 wird einerseits eine definierte Kippsteifigkeit der Kippsegmente 21 bis 23 erzeugt.
Andererseits wird eine Kippvorlast auf die Kippsegmente 21 bis 23 aufgebracht. Das heißt, die Kippsegmente 21 bis 23 können definiert in einer Rotationsrichtung zur Welle 24 hin gekippt werden. Dabei können sie so weit gekippt werden, dass eine Kante der Kippsegmente 21 bis 23 im Stillstand die Welle 24 berührt.
Dadurch stellt sich ein konvergierender Lagerspalt ein, der zu einem Druckaufbau und damit zu einer aerodynamischen Lagerfunktion führt, das heißt, die Welle 24 wird auf einem Luftpolster ohne Festkörperreibung getragen, wenn eine Grenzdrehzahl überschritten wird und die Fluidkräfte ausreichen, die Kippsegmente 21 bis 23 wegzudrücken.
Der Käfig 25 umfasst zwei Ringkörper 27, 28, die durch insgesamt drei axiale Stege 30 miteinander verbunden sind. Der Käfig 25 ist im Vergleich zu den Federelementen 31 bis 33 eher starr ausgeführt. Die Federelemente 31 bis 33 sind elastisch verformbar und dienen zur Darstellung der Federeinrichtung 26, die in der Rahmenstruktur 29 mit dem Käfig 25 kombiniert ist.
Die Federelemente 31 bis 33 sind jeweils mit Hilfe eines Stifts 35 an einem der Stege 30 des Käfigs 25 positioniert. Hierdurch wird das jeweilige Kippsegment 21 bis 23 in seinem Pivotpunkt an den Käfig 25 gedrückt. Eine weitere Abstützung erfolgt durch die Federelemente 31 bis 33.
In den 5 und 6 ist gezeigt, dass das beanspruchte Kippsegmentlager 20 mit einem zusätzlichen Kippfreiheitsgrad ausgestattet ist. In 5 ist die Welle 24 im Querschnitt dargestellt. Zwischen der Welle 24 und dem Kippsegment 21 ergibt sich ein Lagerspalt 36 in Umfangsrichtung. Eine Wellenachse ist in den 5 und 6 mit 38 bezeichnet. In 6 ist die Welle 24 im Längsschnitt dargestellt.
In 5 ist durch einen Doppelpfeil 43 angedeutet, dass das Kippsegment 21 im Betrieb des Kippsegmentlagers 20 um eine erste Kippachse 41 kippt, die parallel zur Wellenachse 38 angeordnet ist. In 6 ist durch einen Doppelpfeil 44 angedeutet, dass das Kippsegment 21 um eine zweite Kippachse 42 kippen kann, die senkrecht zur Wellenachse 38 angeordnet ist.
Durch den so geschaffenen zweiten Kippfreiheitsgrad kann sich das Kippsegment 21 zur Welle 24 ausrichten und es ergibt sich ein Lagerspalt 37 mit konstanter Höhe in Achsrichtung der Welle 24. Dadurch können Toleranzen des Gehäuses 34, von Gehäuseeinzelteilen, von Lagereinzelteilen oder der Welle 24 ausgeglichen werden.
In 7 sind die Einzelteile des Kippsegmentlagers aus den 5 und 6 perspektivisch und ohne Gehäuse dargestellt. In 8 ist durch einen Pfeil 46 eine Drehrichtung der Welle angedeutet, die in 8 nicht dargestellt ist. In 9 sieht man, dass der Käfig 25 eine ballige Innenkontur 47 aufweist, um Freiräume 48 zwischen dem Kippsegment 21 und dem Käfig 25 darzustellen. Diese Freiräume 48 ermöglichen ein Kippen des Kippsegments 21 um die zweite Kippachse 42.
Die Innenkontur 47 kann in Achsrichtung die Form eines konstanten Radius haben. Die Innenkontur 47 kann aus mehreren ineinander übergehenden Radien bestehen oder auch als Freiformkontur ausgebildet sein. Wichtig ist, dass die Innenkontur 47 ein Kippen um die zweite Kippachse 42 ermöglicht. Denkbar ist dabei jede Innenkontur 47, bei welcher der engste Durchmesser ungefähr mittig im Käfig 25 sitzt und sich die Durchmesser zu den Seiten des Käfigs 25 erweitern.
In 10 ist gezeigt, dass auch ein gestufter Durchmesser mit einem ersten Innendurchmesser 51 und einem zweiten Innendurchmesser 52 möglich ist, der größer als der erste Innendurchmesser 51 ist. Der Käfig 25 mit den beiden Innendurchmessern 51 und 52 ist fertigungstechnisch einfacher realisierbar.
In 11 ist schematisch angedeutet, wie sich die Kippsegmente der Kippsegmentlager 5, 6 an die Welle 3 anpassen, so dass sich in Achsrichtung des jeweiligen Lagers 5, 6 eine konstante Lagerspalthöhe der Lagerspalte 9, 10 einstellt.
In 12 ist gezeigt, dass die Käfiginnenkontur 47 auch mit einer Schneide 54 ausgestattet sein kann, um das gewünschte Kippen des Kippsegments 21 um die zweite Kippachse 42 zu ermöglichen.
In 13 ist gezeigt, dass das Kippsegment 21 auch eine ballige Außenkontur 55 aufweisen kann, um das Kippen um die zweite Kippachse 42 zu ermöglichen. Die Außenkontur des Kippsegments 21 kann in Achsrichtung die Form eines konstanten Radius aufweisen. Die Außenkontur des Kippsegments 21 kann auch aus mehreren ineinander übergehenden Radien bestehen oder als Freiformkontur ausgebildet sein. Wichtig ist, dass die Außenkontur des Kippsegments 21 ein Kippen um die zweite Kippachse 42 ermöglicht.
Gemäß einer speziellen Ausführungsform kann ein Wälzradius um die erste Kippachse und um die zweite Kippachse identisch sein. Dann ist an dem Kippsegment 21 außen eine Kugelkalotte dargestellt. Bei dem in 13 dargestellten Ausführungsbeispiel ist kein Stift vorgesehen. So kann das Kippsegment 21 perfekt auf dem Käfig 25 abwälzen.
In einer weiteren Ausführungsform sind sowohl das Kippsegment 21 als auch der Käfig 25 ballig ausgeführt.
In 14 ist gezeigt, dass das Kippsegment 21 an seiner Außenkontur eine Schneide 56 aufweisen kann, die das Kippen um die zweite Kippachse 42 ermöglicht.
Alternativ zu einem balligen Käfig oder Kippsegment kann der zweite Kippfreiheitsgrad auch durch einen zusätzlichen Wälzkörper 57 mit entsprechender Kontur realisiert werden. In den 15 und 16 ist gezeigt, dass ein solcher Wälzkörper 57 die Gestalt einer Kugel 58 aufweisen kann. In den 17 und 18 ist gezeigt, dass der Wälzkörper 57 auch die Gestalt einer Tonne 59 aufweisen kann.
Die Wälzkörper 57 können auch andere Formen haben. Der Wälzkörper beziehungsweise die Wälzkörper 57 liefert beziehungsweise liefern unter anderem den Vorteil, dass eine Entkopplung vom Segmentmaterial stattfindet. Der Wälzkörper 57 kann aus einem Material bestehen, das sich günstig bezüglich Wälzverschleiß verhält.
Alternativ oder zusätzlich kann damit das Verhalten bei Temperaturänderungen im Betrieb des Kippsegmentlagers 20 beeinflusst werden. Der Wälzkörper ist vorteilhaft aus einem speziellen Stahl gebildet, zum Beispiel aus einem Stahl mit der Kurzbezeichnung 100Cr6. Der Wälzkörper kann auch aus einem eloxierten Aluminiummaterial oder aus einem Keramikmaterial beziehungsweise Glasmaterial gebildet sein.
Es ist auch möglich, den Wälzkörper zu halbieren. Hierbei steht zum Beispiel die kugelförmige oder tonnenförmige Kontur aus dem Kippsegment heraus und ermöglicht so das gewünschte Kippen um die zweite Kippachse. Die flache Seite befindet sich folglich im Kippsegment. Die Gemeinsamkeit der Wälzkörpervarianten ist hierbei, dass das Kippsegment um beide Kippachsen kippen kann.
Um ein genaues Dickenmaß des Kippsegments mit dem Wälzkörper zu erreichen, können die Teile in einer zum Beispiel als Lehre ausgeführten Vorrichtung kalibriert werden, zum Beispiel beim Einpressen. Alternativ kann der Wälzkörper zum Beispiel stoffschlüssig mit dem Kippsegment verbunden werden.
In den 19 bis 21 ist gezeigt, dass der Wälzkörper 57 auch als Ringkörper 60 ausgeführt sein kann. Der Ringkörper 60 ist zum Beispiel als Torusring 61 ausgeführt. Der Torusring 61 hat einen kreisförmigen Querschnitt. Anders als dargestellt, kann der Ringkörper 60 im Querschnitt auch eine elliptische Form oder eine Freiformkontur aufweisen. Der Ringkörper 60 kann zur Vereinfachung der Montage auch geschlitzt ausgeführt sein. Des Weiteren kann der Ringkörper 60 auch aus zwei oder mehr Einzelsegmenten bestehen.
In den 22 und 23 ist gezeigt, dass der Stift 35 auch einen Kugelkopf 62 aufweisen kann, der in eine entsprechende Kugelpfanne im Kippsegment 21 eingreift. Der Stift 35 ist hierbei mit dem Käfig 25 verbunden und kann somit in radialer Richtung Kräfte aufnehmen. Als Verbindungstechnik werden eine Presspassung sowie Schweißen, Löten oder Kleben vorgeschlagen. Gegenüber den bisherigen Lösungen sitzt der Stift 35 in Flucht mit der ersten Kippachse 41.
Als weitere Ausführungsform kann der Stift in den Käfig eingeschraubt werden. Aufgrund einer entsprechenden Gewindesteigung kann bei der Montage das Spiel zwischen dem Kippsegment und der Welle eingestellt werden.
In den 24 bis 26 ist gezeigt, dass ein als Ringkörper 60 ausgeführter Wälzkörper 57 auch einen rechteckigen Querschnitt aufweisen kann, um das Kippen um die beiden Kippachsen zu ermöglichen. In dem besonderen Fall wälzt das Kippsegment nicht perfekt ab, sondern kippt vielmehr um Kanten 63, 64 des Ringkörpers 60.
Die dem Kippsegment 21 oder dem Gehäuse 34 zugewandte Oberfläche des Ringkörpers oder Rings 60 kann auch ballig ausgeführt oder an den Kanten mit Verrundungen versehen sein. Der Ring oder Ringkörper 60 kann zur Vereinfachung der Montage auch geschlitzt ausgeführt sein. Der Ring oder Ringkörper 60 kann auch aus zwei oder mehr Einzelsegmenten bestehen.
In 28 ist ein vergrößerter Ausschnitt aus 27 mit dem Ringkörper 60 aus den 24 bis 26 dargestellt. Hier sieht man, dass sich der Stift 35 in der Flucht der ersten Kippachse befinden kann oder auch davor oder danach.
In den 29 bis 31 ist gezeigt, dass das Kippsegmentlager auch ohne Stifte ausgeführt werden kann. Die Kippsegmente 21 bis 23 können mit Hilfe von Federlaschen 66 bis 68 relativ zu dem Käfig 25 positioniert werden. Das Kippen um die beiden Kippachsen kann mit mindestens einem der vorab beschriebenen Merkmale realisiert werden. Beispielhaft werden hier die Balligkeit am Käfig 25 oder an den Segmenten 21 bis 23 sowie die zusätzlichen Wälzkörper erwähnt.
In den 31 bis 34 ist darüber hinaus gezeigt, dass die Federlaschen 66 bis 68 vorteilhaft mit Hinterschnitten 69, 70 oder mit seitlichen Nuten 72 am Kippsegment 21 oder mit seitlichen Nuten 74 am Käfig 25 kombiniert werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016216395 A1 [0002]

Claims

Kippsegmentlager (20) mit mindestens einem Kippsegment (21-23), das in einem Gehäuse (34) innerhalb einer Rahmenstruktur (29) um eine erste Kippachse (41) kippbar ist, die parallel zu einer Wellenachse (38) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Kippsegmentlager (20) einen zusätzlichen Kippfreiheitsgrad mit einer zweiten Kippachse (42) hat, die senkrecht zur Wellenachse (38) angeordnet ist, um einen Lagerspalt (37) mit einer konstanten Achshöhe in Richtung der Wellenachse (38) darzustellen.
Kippsegmentlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kippsegment (21-23) und der Rahmenstruktur (29) mindestens ein Freiraum (48) vorgesehen ist, der gewünschte Ausgleichsbewegungen des Kippsegments (21-23) um die zweite Kippachse (42) ermöglicht.
Kippsegmentlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmenstruktur (29) eine ballige Innenkontur (47) aufweist.
Kippsegmentlager nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kippsegment (21-23) eine ballige Außenkontur aufweist.
Kippsegmentlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmenstruktur (29) radial innen einen Kippvorsprung (54) aufweist, der ein Kippen des Kippsegments (21-23) um die zweite Kippachse (42) ermöglicht.
Kippsegmentlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kippsegment (21) radial außen einen Kippvorsprung (56) aufweist, der ein Kippen des Kippsegments (21) um die zweite Kippachse (42) ermöglicht.
Kippsegmentlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kippsegment (21) und der Rahmenstruktur (29) ein Wälzkörper (57) angeordnet ist, der ein Kippen des Kippsegments (21) um die zweite Kippachse (42) ermöglicht.
Kippsegmentlager nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wälzkörper (57) als Kugel ausgeführt ist.
Kippsegmentlager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wälzkörper (57) als Ringkörper ausgeführt ist.
Kippsegmentlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Kipplagerstelle, die zur Darstellung der zweiten Kippachse (42) dient, in axialer Richtung von einer ersten Kipplagerstelle, die zur Darstellung der ersten Kippachse (41) dient, beabstandet ist.