WO2022012863A1 - Kippsegmentlager - Google Patents

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WO2022012863A1
WO2022012863A1 PCT/EP2021/066736 EP2021066736W WO2022012863A1 WO 2022012863 A1 WO2022012863 A1 WO 2022012863A1 EP 2021066736 W EP2021066736 W EP 2021066736W WO 2022012863 A1 WO2022012863 A1 WO 2022012863A1
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WO
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tilting
tilting pad
segment
tolerance compensation
bearing
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/066736
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English (en)
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Inventor
Armin Schuelke
Ingo STOTZ
Steffen Derhardt
Thomas Lang
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Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • F16C17/00Sliding-contact bearings for exclusively rotary movement
    • F16C17/02Sliding-contact bearings for exclusively rotary movement for radial load only
    • F16C17/03Sliding-contact bearings for exclusively rotary movement for radial load only with tiltably-supported segments, e.g. Michell bearings
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C17/00Sliding-contact bearings for exclusively rotary movement
    • F16C17/04Sliding-contact bearings for exclusively rotary movement for axial load only
    • F16C17/06Sliding-contact bearings for exclusively rotary movement for axial load only with tiltably-supported segments, e.g. Michell bearings
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16C23/00Bearings for exclusively rotary movement adjustable for aligning or positioning
    • F16C23/02Sliding-contact bearings
    • F16C23/04Sliding-contact bearings self-adjusting
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16C27/02Sliding-contact bearings
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C27/00Elastic or yielding bearings or bearing supports, for exclusively rotary movement
    • F16C27/06Elastic or yielding bearings or bearing supports, for exclusively rotary movement by means of parts of rubber or like materials
    • F16C27/063Sliding contact bearings

Definitions

  • the invention relates to a tilting pad bearing with at least one tilting pad that can be tilted in a housing.
  • a tilting pad bearing is known from German patent application DE 102016216395 A1, comprising: a sleeve, several tilting pads, and a frame in which the tilting pads are accommodated, with a spring element being provided between the inside of the sleeve and the associated tilting pad, the spring element connected to the frame or arranged as a separate component between the inside of the sleeve and the frame, the frame having at least one mounting section for holding the associated tilting segment in the frame, the respective tilting segment being held in the frame by the at least one mounting section that the tilting segment has a play in the radial direction and preferably additionally in the circumferential direction in order to allow tilting of the tilting segment in the circumferential direction.
  • the object of the invention is to functionally improve a tilting pad bearing with at least one tilting pad that can be tilted in a housing.
  • the object is achieved in that the tilting pad includes at least one additional tolerance compensation element.
  • the housing includes, for example, a cylindrical recess, such as a bore, in which the tilting pad bearing is housed.
  • an additional frame structure with a cage and at least one spring element can be used to position the tilting pad, in particular for positioning a plurality of tilting pads, in the housing.
  • the tilting pad bearing is used for the rotatable mounting of a rotor body in the housing.
  • the rotor body is, for example, a shaft section of a shaft. In many areas of technology, high-speed shafts have to be supported.
  • Such shafts are required, for example, in turbo compressors, such as are used in particular for compressing air for supercharged internal combustion engines or for fuel cell systems.
  • further components are mounted on, in or on the shaft, for example turbine wheels, compressor wheels or magnets for electric drives. These also rotate at very high speed.
  • the shafts can be made in one piece or in several pieces.
  • the shaft is preferably supported by several bearing units, for example two radial bearings and one thrust bearing.
  • the bearing units enable the lowest possible loss of rotation when forces and moments act on the shaft during operation.
  • Gas-lubricated bearings are advantageously used for storage, since these have very low friction at very high rotational speeds and therefore only little bearing losses.
  • the tilting pad bearing advantageously comprises at least three tilting pads.
  • the tilting pad bearing particularly preferably comprises exactly three tilting pads.
  • the claimed tilting pad bearing is preferably a radial bearing.
  • the tilting pads are positioned and held relative to one another by the frame structure in such a way that they can perform tilting movements that occur during operation of the tilting pad bearing.
  • the tilting segments can be tilted about a so-called pivot point or a pivot axis or tilting axis.
  • the function of a tilting pad bearing is based on the formation of a fluid film between the tilting pad and the rotor body, for example the shaft.
  • a rear edge of the tilting segment acts as a closing edge when the tilting segment is pushed by the spring element, for example pressed against the shaft. Due to influences that are unavoidable or difficult to avoid, such as manufacturing tolerances, thermal expansion of the components and wear, the alignment of the tilting pad and the shaft may not be optimal during operation of the tilting pad bearing. This undesirable misalignment can adversely affect fluid film formation and consequently lead to reduced bearing properties. With the additional tolerance compensation element, the misalignment of the tilting segment and the shaft can be effectively compensated.
  • a preferred exemplary embodiment of the tilting pad bearing is characterized in that the tolerance compensation element has a convex outer contour on the tilting pad.
  • the tilting segment is mounted so that it can tilt about a pivot axis or a pivot point.
  • the spherical design of the fulcrum or pivot point gives the tilting segment an additional degree of freedom. In this way, the misalignment of the tilting pad and the shaft can be effectively compensated.
  • a further preferred exemplary embodiment of the tilting segment bearing is characterized in that the tolerance compensation element has a convex inner contour on the tilting segment.
  • the misalignment of the tilting segment and the shaft can be compensated alternatively or additionally by the resulting additional degree of freedom.
  • the tolerance compensation element has a crowned contour on the tilting pad in the area of a pivot point. In this way, almost any movements of the tilting segment relative to or with the shaft can be implemented in a simple manner.
  • An elastic connection of the tilting segment to the housing is advantageously carried out via the cage and/or at least one spring element.
  • the convex contour on the tilting segment in the area of the pivot point can be easily realized in terms of production technology. If necessary, an additional element can be attached to the outside of the tilting segment in order to create the crowned contour on the tilting segment.
  • the tolerance compensation element has an inner contour with at least two radii of curvature. In this way, small tolerance compensation movements between the tilting segment and the shaft or between the shaft and the tilting segment can be implemented in a targeted manner.
  • the radii of curvature can be the same size, but have different centers.
  • the inner contour of the tilting segment can have at least two radii of curvature of different sizes. In this case, an increased manufacturing effort is deliberately accepted in order to make the desired tolerance compensation movements possible.
  • a further preferred exemplary embodiment of the tilting segment bearing is characterized in that the tolerance compensation element comprises a flexible rear edge and/or side edge on the tilting segment.
  • the flexible rear edge or side edge on the tilting segment can be realized, for example, in terms of production technology by making the tilting segment so thin in the area of the rear edge or side edge that tolerance compensation movements on the flexible rear edge or side edge are possible.
  • a further preferred exemplary embodiment of the tilting pad bearing is characterized in that the tolerance compensation element comprises an additional part which is attached to the tilting pad.
  • additional parts made of sheet metal can be attached to the tilting segment in the area of the rear edge or side edge.
  • flexible or elastic additional parts can be attached to an inner contour of the tilting segment, for example, in order to enable desired tolerance compensation movements.
  • a flexible inner structure can be created on the tilting segment by at least one additional part or by several additional parts.
  • a further preferred exemplary embodiment of the tilting pad bearing in particular a tilting pad bearing described above, is characterized characterized in that the tilting segment comprises at least one additional anti-wear element.
  • the tilting pad can be partially coated.
  • an additional part or additional element can also be cohesively connected to the tilting segment.
  • the additional wear protection element can reduce the undesired wear during operation of the tilting pad.
  • the wear protection element can be arranged at almost any position on the tilting segment where the desired function is required in terms of wear protection. The additional wear protection effectively reduces a misalignment caused by wear.
  • a further preferred exemplary embodiment of the tilting segment bearing is characterized in that the tolerance compensation element comprises a recess in or on the tilting segment.
  • the recess can extend in the tilting segment in the axial direction, in the radial direction and/or in the circumferential direction.
  • the recess can be designed as a cavity in the tilting segment.
  • the recess can also be designed as a through hole or as a blind hole in the tilting segment.
  • An essential feature is that the tilting segment is specifically weakened by the recess in such a way that desired tolerance compensation movements between the tilting segment and the shaft are made possible.
  • the recess in the tilting segment also provides the advantage that the mass of the tilting segment can be effectively reduced by the recess.
  • the invention also relates to a tilting pad, a tolerance compensation element and/or a wear protection element for a tilting pad bearing as described above.
  • the parts mentioned can be traded separately.
  • the tilting pad bearing advantageously includes two, three or more tilting pads.
  • at least two flexible tilting pads are combined with a fixed, non-tilting tilting pad.
  • flexible means that they can be tilted.
  • Three tilting pads are preferably arranged in a one hundred twenty degree configuration. That is, the three tilting pads are equally spaced from each other in the circumferential direction.
  • other angular arrangements are also possible.
  • three tilting segments can be arranged in one hundred and ten degrees, one hundred and one hundred and forty degrees.
  • the angle specifications refer to an angle between two tilting segments.
  • Three tilting segments can be equally spaced from each other with their pivot points or pivot axes.
  • the tilting segments can all be designed in the same way. If required, however, at least two unequal tilting pads can also be installed in a tilting pad bearing.
  • a tilting segment is advantageously arranged below in relation to a line of action of the earth's gravity. That is, its pivot point or pivot axis is in the direction of the Earth's gravity vector.
  • the tilting pads can be arranged with or without an axial offset.
  • the tilting segments can all have the same center of mass. If necessary, tilting segments with unequal centers of mass can also be installed.
  • the spring elements are advantageously all the same. If necessary, different spring elements can also be installed.
  • the tilting segments advantageously all have the same inner surfaces.
  • a surface of the tilting segment that faces the rotor body or the shaft is referred to as the inner surface.
  • the inner surfaces of the tilting segments are designed to be the same, in particular with regard to their diameter. If necessary, tilting segments with different inner surfaces can also be installed. Surfaces of the tilting segments can be structured or provided with pockets.
  • the inner surface of the tilting segment can be concave, straight and/or convex in relation to an axial direction. In this way, angle errors can be compensated.
  • a rolling point between the tilting segment and the cage can be designed in such a way that the tilting segment or the cage has a concave or convex design.
  • the tilting pads, the cage and the spring elements can be formed from metal, for example from a corrosion-resistant steel or spring steel. However, the tilting segments, the cage and the spring elements can also be made of ceramic or plastic.
  • Figure 1 shows a tilting pad bearing with three tilting pads in cross section
  • FIGS. 2 to 4, 7 and 10 to 12 each show a detail from FIG. 1 with a tilting segment and various exemplary embodiments of additional tolerance compensation elements on the tilting segment;
  • FIGS. 5, 6, 8, 9, 13 show representations similar to those in FIGS. 2 to 4, 7, 10 to 12, but in longitudinal section.
  • a tilting pad bearing 10 is shown in cross section.
  • the tilting pad bearing 10 is designed as a radial bearing with three tilting pads 1 to 3.
  • the tilting segments 1 to 3 can be tilted relative to a shaft 4 about a pivot point or a pivot axis with the aid of a frame structure 9 in a housing (59 in FIG. 9).
  • the frame structure 9 comprises a cage 5 and spring elements 11 to 13.
  • the cage 5 comprises two ring bodies which are connected to one another by axial webs 26 to 28 .
  • the cage 5 is designed to be rather rigid.
  • the spring elements 11 to 13 are elastically deformable and serve to represent a spring device 6 which is combined with the cage 5 in the frame structure 9 .
  • the spring elements 11 to 13 produce a defined tilting rigidity of the tilting segments 1 to 3 .
  • a tilting preload is applied to the tilting pads 1-3. This means that the tilting segments 1 to 3 can be tilted towards the shaft in a defined manner in the direction of rotation 19 . They can be tilted so far that an edge of the tilting segments 1 to 3 touches the rotor or the shaft 4 when stationary.
  • the tilting pads 1 to 3 typically have at least one inner diameter and one outer diameter. This can be the same, smaller or larger than the shaft diameter. Furthermore, the tilting segments 1 to 3 can have another approximately cylindrical convex elevation.
  • a rolling of the respective tilting segment on the inner diameter of the cage is achieved via the convex elevation.
  • the tilting segment can have no elevation.
  • a suitable counter-body with a corresponding radius must be created in order to ensure a defined rolling contact between the tilting segment and the cage.
  • the tilting segments 1 to 3 are held relative to the cage 5 by the spring elements 11 to 13 . Furthermore, the tilting segments 1 to 3 can be tilted by the spring elements 11 to 13 at rest by a defined angle. This means that when the shaft 4 is stationary, i.e. when the tilting pad bearing is at rest, the tilting pads 1 to 3 rest on one side or edge of the shaft 4 and generate a defined force here, which serves to represent the preload.
  • this is done by the spring elements 11 to 13 enclosing the tilting segments 1 to 3 .
  • the spring elements 11 to 13 are each in contact with the tilting segment at their front edge and their rear edge 1 to 3.
  • the spring elements 11 to 13 are supported on the cage 5.
  • the support is formed by the webs 26 to 28 on the cage 5.
  • the spring elements 11 to 13 are each positioned on one of the webs 26 to 28 with the aid of a pin 15 , 16 , 17 . As a result, the respective tilting segment 1 to 3 is pressed against the cage 5 in its pivot point. Further support is provided by spring legs 25 which are formed on spring element 13 . The spring legs 25 are spaced apart from spring fingers which encompass the tilting segment 3 .
  • the spring element 11 includes a spring finger 20 which encompasses the tilting segment 1 .
  • FIG. 1 one can see how the spring element 13 is supported with the spring leg 25 in the cage 5 .
  • the desired preload is applied, by the respective tilting segment
  • the spring elements 11 to 13 are in contact with the cage 5 with a flat contact surface. This allows the spring elements
  • the spring elements 11 to 13 can also be curved in the area of the pins 15 to 17, preferably with a radius that is larger than the radius of the cage 5 in the contact area.
  • the spring elements 11 to 13 can be convex in the contact point, so that the spring elements 11 to 13 can tilt in relation to the cage 5 .
  • the pin 15 has a collar that is not designated in any more detail.
  • the federal government is arranged in a corresponding recess of the cage 5 .
  • the spring element 11 is arranged above the federal government.
  • the upper end of the pin 15 extends through a through hole in the spring element 11 .
  • the spring element 11 can move, in particular tilt, relative to the pin 15 and to the cage 5 .
  • the pin 15 engages downward through the cage 5 into a corresponding recess in the tilting segment 1.
  • the tilting pad 1 moves together with the spring element 11 relative to the pin 15 and the cage 5.
  • FIGS. 5, 6, 8, 9 and 13 the shaft 4 with the tilting segment 1 is shown in longitudinal section with additional tolerance compensation elements 43, 44; 57; 75 or wear protection elements 51, 52 shown according to further embodiments.
  • an arrow 29 indicates how the tilting pad 1 moves, in particular pivots, around a pivot point 30 or the pivot axis, supported by the preload of a spring 33, during operation of the tilting pad bearing.
  • the tilting segment 1 lifts off the shaft in the area of a front edge 31 , while a rear edge 32 is pressed against the shaft 4 by the spring 33 . If the tilting pad 1 and the shaft 4 are misaligned, the formation of the fluid film is restricted and the bearing function is therefore reduced.
  • the rear edge 32 of the tilting segment 1 is rigid.
  • the tolerance compensation element 35 shown in FIG. 3 comprises a flexible rear edge 36 on the tilting segment 1.
  • the flexible rear edge 36 is designed as a thin extension of the tilting segment 1.
  • FIG. 4 shows that the flexible trailing edge 36 of the tolerance compensation element 35 can also be implemented with an additional part 40 .
  • the additional part 40 can also assume the function of a wear protection element.
  • the tolerance compensation elements 43, 44 shown in FIGS. 5 and 6 are provided on the side edges, ie on the axial ends, of the tilting segment 1.
  • flexible side edges 41, 42 are integral with the Tilting segment 1 connected.
  • the flexible side edges 41, 42 are realized with the aid of additional parts 45, 46.
  • the additional parts 45, 46 are, for example, firmly bonded to the tilting segment 1.
  • the tilting segment 1 alternatively or additionally with wear protection elements 47; 51, 52 can be equipped.
  • the tilting segment 1 can be partially coated.
  • additional parts 47; 51, 52 used to realize the desired anti-wear function.
  • FIGS. 9 and 13 show how the orientation of the tilting segment can be optimized with the aid of a crowned outer contour 61 or a crowned inner contour 76 with regard to the desired tolerance compensation movements.
  • the tilting segment 1 in the pivot point or fulcrum 60 is additionally designed convex on the outside or inside in the axial direction.
  • the resulting additional degree of freedom is indicated by an arrow 58 in FIG.
  • a line 54 in FIG. 9 indicates a possible misalignment of the housing 59 .
  • a possible misalignment of the cage 5 is indicated by a line 55 .
  • a line 56 indicates a misalignment of the shaft 4 . All misalignments can be compensated for by the tolerance compensation device 57 in FIG.
  • the tolerance compensation element 66 shown in FIG. 10 comprises a recess 63 in the tilting segment 1.
  • the recess 63 creates an elastic region 64 which enables deformations on an inner contour 65 of the tilting segment 1.
  • the tilting segment 1 is designed to be elastic in a targeted manner in order to enable the desired tolerance compensation movements between the tilting segment 1 and the shaft 4 .
  • FIG. 11 shows how a converging bearing gap 68 forms between the shaft 4 and the tilting pad 1 during operation of the tilting pad bearing.
  • the tilting segment 1 lifts off the shaft 4 with an inner radius 69 .
  • the tolerance compensation element 70 shown in FIG. 12 advantageously comprises two inner radii 71, 72 on the inner contour 73 of the tilting segment 1.
  • the inner radii 71, 72 are of different sizes.
  • the inner radii 71, 72 can also be identical, but have different centers in order to positively influence the bearing properties.
  • the inner contour 73 can also be elliptical or can be described as a free form by a spline.
  • the inner contour 73 can have these features in the circumferential direction and/or in the axial direction.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kippsegmentlager mit mindestens einem Kippsegment (1), das in einem Gehäuse kippbar ist. Um das Kippsegmentlager funktionell zu verbessern, umfasst das Kippsegment (1) mindestens ein zusätzliches Toleranzausgleichselement (35).

Description

Beschreibung
Titel
Kippsegmentlager
Die Erfindung betrifft ein Kippsegmentlager mit mindestens einem Kippsegment, das in einem Gehäuse kippbar ist.
Stand der Technik
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 102016216395 Al 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 kippbar ist, funktionell zu verbessern.
Die Aufgabe ist bei einem Kippsegmentlager mit mindestens einem Kippsegment, das in einem Gehäuse kippbar ist, dadurch gelöst, dass das Kippsegment mindestens ein zusätzliches Toleranzausgleichselement umfasst. 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. Mit dem zusätzlichen Toleranzausgleichselement kann die Fehlausrichtung von Kippsegment und Welle effektiv kompensiert werden.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass das Toleranzausgleichselement eine ballige Außenkontur an dem Kippsegment umfasst. Normalerweise ist das Kippsegment um eine Pivotachse beziehungsweise einen Pivotpunkt kippbar gelagert. Durch die ballige Ausführung des Drehpunkts oder Pivotpunkts bekommt das Kippsegment einen zusätzlichen Freiheitsgrad. So kann die Fehlausrichtung von Kippsegment und Welle wirksam ausgeglichen werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass das Toleranzausgleichselement eine ballige Innenkontur an dem Kippsegment umfasst. Durch den sich daraus ergebenden zusätzlichen Freiheitsgrad kann die Fehlausrichtung von Kippsegment und Welle alternativ oder zusätzlich ausgeglichen werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass das Toleranzausgleichselement eine ballige Kontur an dem Kippsegment im Bereich eines Pivotpunkts umfasst. So können auf einfache Art und Weise nahezu beliebige Bewegungen des Kippsegments relativ zu oder mit der Welle realisiert werden. Eine elastische Anbindung des Kippsegments an das Gehäuse erfolgt vorteilhaft über den Käfig und/oder mindestens ein Federelement. Die ballige Kontur an dem Kippsegment im Bereich des Pivotpunkts ist fertigungstechnisch einfach realisierbar. Gegebenenfalls kann ein zusätzliches Element außen an dem Kippsegment angebracht werden, um die ballige Kontur an dem Kippsegment zu schaffen. Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass das Toleranzausgleichselement eine Innenkontur mit mindestens zwei Krümmungsradien aufweist. So können gezielt kleine Toleranzausgleichsbewegungen zwischen dem Kippsegment und der Welle beziehungsweise zwischen der Welle und dem Kippsegment realisiert werden.
Je nach Ausführung können die Krümmungsradien gleich groß sein, jedoch voneinander abweichende Mittelpunkte haben. Alternativ oder zusätzlich kann die Innenkontur des Kippsegments mindestens zwei unterschiedlich große Krümmungsradien aufweisen. Dabei wird ein erhöhter Fertigungsaufwand bewusst in Kauf genommen, um die gewünschten Toleranzausgleichsbewegungen möglich zu machen.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass das Toleranzausgleichselement eine flexible Hinterkante und/oder Seitenkante an dem Kippsegment umfasst. Die flexible Hinterkante oder Seitenkante an dem Kippsegment kann zum Beispiel fertigungstechnisch dadurch realisiert werden, dass das Kippsegment im Bereich der Hinterkante oder Seitenkante gezielt so dünn ausgeführt wird, dass Toleranzausgleichsbewegungen an der flexiblen Hinterkante oder Seitenkante möglich werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass das Toleranzausgleichselement ein Zusatzteil umfasst, das an dem Kippsegment befestigt ist. Zu diesem Zweck können zum Beispiel Zusatzteile aus Blech stoffschlüssig im Bereich der Hinterkante oder Seitenkante an dem Kippsegment befestigt werden. So werden auf einfache Art und Weise die gewünschten Toleranzausgleichsbewegungen ermöglicht. Alternativ oder zusätzlich können flexible oder elastische Zusatzteile zum Beispiel an einer Innenkontur des Kippsegments angebracht werden, um gewünschte Toleranzausgleichsbewegungen zu ermöglichen. Durch mindestens ein Zusatzteil oder durch mehrere Zusatzteile kann so eine flexible Innenstruktur an dem Kippsegment geschaffen werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers, insbesondere eines vorab beschriebenen Kippsegmentlagers, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Kippsegment mindestens ein zusätzliches Verschleißschutzelement umfasst. Zur Darstellung des zusätzlichen Verschleißschutzelements kann das Kippsegment partiell beschichtet werden. Es kann aber auch ein Zusatzteil oder Zusatzelement stoffschlüssig mit dem Kippsegment verbunden werden. Durch das zusätzliche Verschleißschutzelement kann der an sich unerwünschte Verschleiß im Betrieb des Kippsegments reduziert werden. Das Verschleißschutzelement kann an nahezu beliebiger Position am Kippsegment angeordnet werden, wo die gewünschte Funktion im Hinblick auf den Verschleißschutz benötigt wird. Durch den zusätzlichen Verschleißschutz wird eine auf Verschleiß beruhende Fehlstellung wirksam vermindert.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass das Toleranzausgleichselement eine Ausnehmung in oder an dem Kippsegment umfasst. Die Ausnehmung kann sich in dem Kippsegment in axialer Richtung, in radialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung erstrecken. Die Ausnehmung kann als Hohlraum in dem Kippsegment ausgeführt sein. Die Ausnehmung kann aber auch als Durchgangsloch oder als Sackloch in dem Kippsegment ausgeführt sein. Wesentliches Merkmal ist dabei, dass durch die Ausnehmung das Kippsegment gezielt so geschwächt wird, dass gewünschte Toleranzausgleichsbewegungen zwischen dem Kippsegment und der Welle ermöglicht werden. Die Ausnehmung in dem Kippsegment liefert darüber hinaus den Vorteil, dass durch die Ausnehmung die Masse des Kippsegments effektiv reduziert werden kann.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Kippsegment, ein Toleranzausgleichselement und/oder ein Verschleißschutzelement 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 korsionsbeständigen 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. Kurze Beschreibung der Zeichnung Es zeigen:
Figur 1 ein Kippsegmentlager mit drei Kippsegmenten im Querschnitt; die
Figuren 2 bis 4, 7 und 10 bis 12 jeweils einen Ausschnitt aus Figur 1 mit einem Kippsegment und verschiedenen Ausführungsbeispielen von zusätzlichen Toleranzausgleichselementen an dem Kippsegment; und die
Figuren 5, 6, 8, 9, 13 ähnliche Darstellungen wie in den Figuren 2 bis 4, 7, 10 bis 12, allerdings im Längsschnitt.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Figur 1 ist ein Kippsegmentlager 10 im Querschnitt gezeigt. Das Kippsegmentlager 10 ist als Radiallager mit drei Kippsegmenten 1 bis 3 ausgeführt.
Die Kippsegmente 1 bis 3 sind mit Hilfe einer Rahmenstruktur 9 in einem Gehäuse (59 in Figur 9) relativ zu einer Welle 4 um einen Pivotpunkt beziehungsweise eine Pivotachse kippbar. Die Rahmenstruktur 9 umfasst einen Käfig 5 und Federelementell bis 13.
Der Käfig 5 umfasst zwei Ringkörper, die durch axiale Stege 26 bis 28 miteinander verbunden sind. Der Käfig 5 ist eher starr ausgeführt. Die Federelemente 11 bis 13 sind elastisch verformbar und dienen zur Darstellung einer Federeinrichtung 6, die in der Rahmenstruktur 9 mit dem Käfig 5 kombiniert ist.
Durch die Federelemente 11 bis 13 wird einerseits eine definierte Kippsteifigkeit der Kippsegmente 1 bis 3 erzeugt. Andererseits wird eine Kippvorlast auf die Kippsegmente 1 bis 3 aufgebracht. Das heißt, die Kippsegmente 1 bis 3 können definiert in Rotationsrichtung 19 zur Welle hin gekippt werden. Dabei können sie so weit gekippt werden, dass eine Kante der Kippsegmente 1 bis 3 im Stillstand den Rotor beziehungsweise die Welle 4 berührt.
Dadurch stellt sich ein konvergierender Lagerspalt ein, der zu einem Druckaufbau und damit zu einer aerodynamischen Lagerfunktion führt, das heißt, die Welle 4 wird auf einem Luftpolster ohne Festkörperreibung getragen, wenn eine Grenzdrehzahl überschritten wird und die Fluidkräfte ausreichen, die Kippsegmente 1 bis 3 wegzudrücken. Durch die Beweglichkeit der Kippsegmente 1 bis 3 wird die rotordynamische Stabilität eines Rotor-Lager-Systems sichergestellt beziehungsweise zumindest verbessert.
Die Kippsegmente 1 bis 3 weisen typischerweise mindestens einen Innendurchmesser und einen Außendurchmesser auf. Dieser kann gleich, kleiner oder größer als der Wellendurchmesser sein. Weiterhin können die Kippsegmente 1 bis 3 eine weitere näherungsweise zylindrische ballige Erhebung aufweisen.
Über die ballige Erhebung wird ein Abwälzen des jeweiligen Kippsegments auf dem Käfiginnendurchmesser erreicht. Alternativ kann das Kippsegment keine Erhebung besitzen. In diesem Fall muss ein geeigneter Gegenkörper mit einem entsprechenden Radius geschaffen werden, um einen definierten Wälzkontakt zwischen dem Kippsegment und dem Käfig sicherzustellen.
Die Kippsegmente 1 bis 3 werden durch die Federelemente 11 bis 13 relativ zum Käfig 5 gehalten. Weiterhin können die Kippsegmente 1 bis 3 durch die Federelemente 11 bis 13 im Ruhezustand um einen definierten Winkel verkippt werden. Dies führt dazu, dass die Kippsegmente 1 bis 3 bei stehender Welle 4, das heißt im Ruhezustand des Kippsegmentlagers, auf je einer Seite beziehungsweise Kante auf der Welle 4 aufliegen und hier eine definierte Kraft erzeugen, die zur Darstellung der Vorlast dient.
In einer möglichen Ausführungsform geschieht dies, indem die Federelemente 11 bis 13 die Kippsegmente 1 bis 3 umgreifen. Die Federelemente 11 bis 13 haben jeweils an ihrer Vorderkante und ihrer Hinterkante Kontakt mit dem Kippsegment 1 bis 3. Darüber hinaus sind die Federelemente 11 bis 13 am Käfig 5 abgestützt. Die Abstützung wird durch die Stege 26 bis 28 am Käfig 5 ausgebildet.
Die Federelemente 11 bis 13 sind jeweils mit Hilfe eines Stifts 15, 16, 17 an einem der Stege 26 bis 28 positioniert. Hierdurch wird das jeweilige Kippsegment 1 bis 3 in seinem Pivotpunkt an den Käfig 5 gedrückt. Eine weitere Abstützung erfolgt durch Federschenkel 25, die am Federelement 13 ausgebildet sind. Die Federschenkel 25 sind von Federfingern beabstandet, welche das Kippsegment 3 umgreifen. Das Federelement 11 umfasst einen Federfinger 20, der das Kippsegment 1 umgreift.
In Figur 1 sieht man, wie das Federelement 13 mit dem Federschenkel 25 im Käfig 5 abgestützt ist. Über die Abstützung der Federelemente 11 bis 13 im Käfig 5 wird die gewünschte Vorlast aufgebracht, durch die das jeweilige Kippsegment
I bis 3 mit seiner Hinterkante an die Welle 4 gedrückt wird.
Im Bereich der Stifte 15 bis 17 liegen die Federelemente 11 bis 13 mit einer ebenen Anlagefläche an dem Käfig 5 an. Hierdurch können die Federelemente
II bis 13 verkippen. Anders als dargestellt, können die Federelemente 11 bis 13 im Bereich der Stifte 15 bis 17 auch gekrümmt ausgeführt sein, vorzugsweise mit einem Radius, der größer als der Radius des Käfigs 5 im Kontaktbereich ist. Darüber hinaus können die Federelemente 11 bis 13 im Kontaktpunkt konvex ausgeführt sein, so dass die Federelemente 11 bis 13 gegenüber dem Käfig 5 verkippen können.
In Figur 1 sieht man, dass der Stift 15 einen nicht näher bezeichneten Bund aufweist. Der Bund ist in einer entsprechenden Ausnehmung des Käfigs 5 angeordnet. Das Federelement 11 ist oberhalb des Bundes angeordnet. Das obere Ende des Stifts 15 erstreckt sich durch ein Durchgangsloch in dem Federelement 11 hindurch. So kann sich das Federelement 11 relativ zu dem Stift 15 und zu dem Käfig 5 bewegen, insbesondere kippen.
Der Stift 15 greift in Figur 1 nach unten durch den Käfig 5 hindurch in eine entsprechende Ausnehmung des Kippsegments 1. So wird ein definiertes Verkippen des Kippsegments 1 um den Pivotpunkt beziehungsweise die Pivotachse sichergestellt. Im Betrieb des Kippsegmentlagers 10 bewegt sich das Kippsegment 1 zusammen mit dem Federelement 11 relativ zu dem Stift 15 und dem Käfig 5.
In den Figuren 2 bis 4, 7, 10 bis 12 ist ein Ausschnitt aus Figur 1 mit der Welle 4 und dem Kippsegment 1 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen eines zusätzlichen Toleranzausgleichselements 35; 66; 70 beziehungsweise eines Verschleißschutzelements 47 dargestellt. In den Figuren 5, 6, 8, 9 und 13 ist die Welle 4 mit dem Kippsegment 1 im Längsschnitt mit zusätzlichen Toleranzausgleichselementen 43, 44; 57; 75 beziehungsweise Verschleißschutzelementen 51, 52 gemäß weiteren Ausführungsbeispielen dargestellt.
In Figur 2 ist durch einen Pfeil 29 angedeutet, wie sich das Kippsegment 1 im Betrieb des Kippsegmentlagers, unterstützt durch die Vorspannung einer Feder 33, um einen Pivotpunkt 30 beziehungsweise die Pivotachse bewegt, insbesondere verschwenkt. Dabei hebt das Kippsegment 1 im Bereich einer Vorderkante 31 von der Welle ab, während eine Hinterkante 32 durch die Feder 33 gegen die Welle 4 gedrückt wird. Bei einer Fehlausrichtung von Kippsegment 1 und Welle 4 kommt es zu einer eingeschränkten Ausbildung des Fluidfilms und somit zu einer verminderten Lagerfunktion. In Figur 2 ist die Hinterkante 32 des Kippsegments 1 starr ausgeführt.
Das in Figur 3 dargestellte Toleranzausgleichselement 35 umfasst eine flexible Hinterkante 36 an dem Kippsegment 1. Die flexible Hinterkante 36 ist hierbei als dünner Fortsatz des Kippsegments 1 ausgeführt.
In Figur 4 ist gezeigt, dass die flexible Hinterkante 36 des Toleranzausgleichselements 35 auch mit einem Zusatzteil 40 realisiert werden kann. Das Zusatzteil 40 kann zusätzlich die Funktion eines Verschleißschutzelements übernehmen.
Die in den Figuren 5 und 6 gezeigten Toleranzausgleichselemente 43, 44 sind an den Seitenkanten, das heißt an den axialen Enden, des Kippsegments 1 vorgesehen. In Figur 5 sind flexible Seitenkanten 41, 42 einstückig mit dem Kippsegment 1 verbunden. In Figur 6 sind die flexiblen Seitenkanten 41, 42 mit Hilfe von Zusatzteilen 45, 46 realisiert. Die Zusatzteile 45, 46 sind zum Beispiel stoffschlüssig fest mit dem Kippsegment 1 verbunden.
In den Figuren 7 und 8 ist gezeigt, dass das Kippsegment 1 alternativ oder zusätzlich mit Verschleißschutzelementen 47; 51, 52 ausgestattet sein kann. Zu diesem Zweck kann das Kippsegment 1 partiell beschichtet werden. In den Figuren 7 und 8 werden Zusatzteile 47; 51, 52 verwendet, um die gewünschte Verschleißschutzfunktion zu realisieren.
In den Figuren 9 und 13 ist gezeigt, wie die Kippsegmentausrichtung mit Hilfe einer balligen Außenkontur 61 oder einer balligen Innenkontur 76 im Hinblick auf die gewünschten Toleranzausgleichsbewegungen optimiert werden kann. Zu diesem Zweck ist das Kippsegment 1 im Pivotpunkt oder Drehpunkt 60 zusätzlich außen oder innen in Achsrichtung ballig ausgeführt. In Figur 9 ist der sich daraus ergebende zusätzliche Freiheitsgrad durch einen Pfeil 58 angedeutet.
In Figur 9 ist durch eine Linie 54 eine mögliche Schiefstellung des Gehäuses 59 angedeutet. Durch eine Linie 55 ist eine mögliche Schiefstellung des Käfigs 5 angedeutet. Durch eine Linie 56 ist eine Schiefstellung der Welle 4 angedeutet. Alle Schiefstellungen können durch die Toleranzausgleichseinrichtung 57 in Figur 9 ausgeglichen werden.
Das in Figur 10 gezeigte Toleranzausgleichselement 66 umfasst eine Ausnehmung 63 in dem Kippsegment 1. Durch die Ausnehmung 63 wird ein elastischer Bereich 64 geschaffen, der Verformungen an einer Innenkontur 65 des Kippsegments 1 ermöglicht. Sol wird das Kippsegment 1 gezielt elastisch ausgeführt, um die gewünschten Toleranzausgleichsbewegungen zwischen Kippsegment 1 und Welle 4 zu ermöglichen.
In Figur 11 ist gezeigt, wie sich im Betrieb des Kippsegmentlagers zwischen der Welle 4 und dem Kippsegment 1 ein konvergierender Lagerspalt 68 ausbildet. Dabei hebt das Kippsegment 1 mit einem Innenradius 69 von der Welle 4 ab. Das in Figur 12 gezeigte Toleranzausgleichselement 70 umfasst vorteilhaft zwei Innenradien 71, 72 an der Innenkontur 73 des Kippsegments 1. Die Innenradien 71, 72 sind unterschiedlich groß. Die Innenradien 71, 72 können auch identisch sein, jedoch voneinander abweichende Mittelpunkte haben, um die Lagereigenschaften positiv zu beeinflussen.
Als Alternative kann die Innenkontur 73 auch elliptisch sein oder durch einen Spline als Freiform beschrieben werden. Die Innenkontur 73 kann diese Merkmale in Umfangsrichtung und/oder in Achsrichtung aufweisen.

Claims

Ansprüche
1. Kippsegmentlager (10) mit mindestens einem Kippsegment (1,2,3), das in einem Gehäuse (59) kippbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Kippsegment (1) mindestens ein zusätzliches Toleranzausgleichselement (35; 43,44;57;66;70;75) umfasst.
2. Kippsegmentlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Toleranzausgleichselement (57) eine ballige Außenkontur (61) an dem Kippsegment (1) umfasst.
3. Kippsegmentlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Toleranzausgleichselement (75) eine ballige Innenkontur (76) an dem Kippsegment (1) umfasst.
4. Kippsegmentlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Toleranzausgleichselement (57) eine ballige Kontur (61) an dem Kippsegment im Bereich eines Pivotpunkts (60) umfasst.
5. Kippsegmentlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Toleranzausgleichselement (70) eine Innenkontur (73) mit mindestens zwei Krümmungsradien (71,72) aufweist.
6. Kippsegmentlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Toleranzausgleichselement (35;43) eine flexible Hinterkante (36) und/oder Seitenkante (41,42) an dem Kippsegment (1) umfasst.
7. Kippsegmentlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Toleranzausgleichselement (35;43) ein Zusatzteil (40;45,46) umfasst, das an dem Kippsegment (1) befestigt ist.
8. Kippsegmentlager nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kippsegment (1) mindestens ein zusätzliches Verschleißschutzelement (51,52) umfasst.
9. Kippsegmentlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Toleranzausgleichselement (66) eine Ausnehmung (63) in oder an dem Kippsegment (1) umfasst.
10. Kippsegment (1), Toleranzausgleichselement (35; 43,44;57;66;70;75) und/oder Verschleißschutzelement (51,52) für ein Kippsegmentlager (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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