WO2022200068A1 - Kippsegmentlager und verfahren zum herstellen einer rahmenstruktur für ein kippsegmentlager - Google Patents

Kippsegmentlager und verfahren zum herstellen einer rahmenstruktur für ein kippsegmentlager Download PDF

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WO2022200068A1
WO2022200068A1 PCT/EP2022/056228 EP2022056228W WO2022200068A1 WO 2022200068 A1 WO2022200068 A1 WO 2022200068A1 EP 2022056228 W EP2022056228 W EP 2022056228W WO 2022200068 A1 WO2022200068 A1 WO 2022200068A1
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WO
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tilting
tilting pad
frame structure
pad bearing
cage
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Application number
PCT/EP2022/056228
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English (en)
French (fr)
Inventor
Ingo STOTZ
Uwe Rudolf
Thomas Lang
Armin Schuelke
Steffen Derhardt
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C17/00—Sliding-contact bearings for exclusively rotary movement
    • F16C17/02—Sliding-contact bearings for exclusively rotary movement for radial load only
    • F16C17/03—Sliding-contact bearings for exclusively rotary movement for radial load only with tiltably-supported segments, e.g. Michell bearings
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    • F16C27/00—Elastic or yielding bearings or bearing supports, for exclusively rotary movement
    • F16C27/02—Sliding-contact bearings
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    • F16C35/00—Rigid support of bearing units; Housings, e.g. caps, covers
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    • F16C2360/00—Engines or pumps
    • F16C2360/23—Gas turbine engines
    • F16C2360/24—Turbochargers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2361/00—Apparatus or articles in engineering in general
    • F16C2361/53—Spring-damper, e.g. gas springs

Definitions

  • the invention relates to a tilting pad bearing with at least one tilting pad that can be tilted in a frame structure.
  • the invention also relates to a method for producing such a frame structure.
  • 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 assigned 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 holding section for holding the associated tilting segment in the frame, the respective tilting segment being held in the frame by the at least one holding 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 improve functionally and/or in terms of production technology a tilting pad bearing with at least one tilting pad that can be tilted in a frame structure.
  • the object is achieved in a tilting pad bearing with at least one tilting pad that can be tilted in a frame structure in that the frame structure has at least one structural body with a closed cylindrical outside diameter.
  • the closed cylindrical outer diameter on the structural body provides the advantage, among other things, that the structural body can be manufactured in a much simpler manner and can therefore be produced at lower costs.
  • a preferred embodiment of the tilting pad bearing is characterized in that the structural body has a closed cylindrical inner diameter. This further simplifies the production of the frame structure with the structural body.
  • a further preferred exemplary embodiment of the tilting pad bearing is characterized in that the frame structure comprises two structural bodies which are designed as annular bodies and are connected by webs in order to form a cage.
  • the two ring bodies advantageously have the same shape.
  • the webs preferably extend in an axial direction.
  • the term axial refers to an axis of rotation of the tilting pad bearing. Axial means towards or parallel to this axis of rotation.
  • the two ring bodies are advantageously connected to one another in one piece by the webs.
  • the ring bodies and the webs delimit windows through which spring elements reach, with which the tilting segment, preferably several tilting segments, for example three tilting segments, are movably suspended relative to the cage.
  • both a closed cylindrical outer diameter and a closed cylindrical inner diameter are provided on the ring bodies.
  • a further preferred exemplary embodiment of the tilting pad bearing is characterized in that the structural body comprises a tubular body with openings.
  • the tubular body has at least one closed cylindrical outside diameter and at least one closed cylindrical inside diameter axially outside of the openings.
  • the openings are designed as bores, for example. As a result, the Breakthroughs can be produced easily and inexpensively.
  • the openings perform the same function as the windows in the cage described above.
  • a further preferred exemplary embodiment of the tilting pad bearing is characterized in that the frame structure has at least one contact point for a spring device on its outside diameter, which is combined in a housing body with tilting pads.
  • the spring device is advantageously used to movably suspend the tilting segments in or on the frame structure.
  • 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.
  • oil or grease lubrication can be omitted in a gas-lubricated bearing. This is particularly advantageous in fuel cell applications, since the compressed air that is conveyed must be oil-free in order not to damage a fuel cell stack.
  • 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.
  • smaller bearing gaps between the tilting segment and the shaft can advantageously be realized.
  • a rotor body of a turbomachine rotor in Operation of the turbomachine can be positioned more precisely. This results in better machine efficiencies.
  • a further preferred exemplary embodiment of the tilting pad bearing is characterized in that the housing body has an inner contour with inwardly projecting contact points for the frame structure.
  • the housing advantageously consists of a material that is easy to machine. Therefore, the inner contour of the housing body can be machined in a cost-effective manner to produce the inwardly protruding contact points.
  • a further preferred exemplary embodiment of the tilting pad bearing is characterized in that the inner contour of the housing body has free spaces which are used to accommodate frame structure areas that deform when heated.
  • the housing body advantageously has large wall thicknesses. This provides the advantage that the housing body can be easily clamped and machined in appropriate production facilities in order to create the free spaces on the inner contour of the housing body.
  • the housing body with the free spaces and the contact points can also be produced using methods of solid forming or casting methods.
  • a further preferred exemplary embodiment of the tilting pad bearing is characterized in that the frame structure is formed from a structured metal strip.
  • a desired structure can be created in the sheet metal strip, for example, by punching, lasering or drilling.
  • the sheet metal strip thus structured can then be coiled up in order to bring the frame structure into its desired shape.
  • the task specified above is alternatively or additionally achieved in that the metal strip is structured and wound up. As a result, the manufacturing costs can be significantly reduced.
  • the invention also relates to a frame structure, a tilting segment, a housing body and/or a spring device, in particular a spring element, for a previously described tilting pad bearing.
  • 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 pad and the cage can be designed in such a way that the tilting segment or the cage is concave or convex.
  • 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.
  • FIG. 1 shows a cross-section of a tilting pad bearing with three tilting pads which are positioned by means of a frame structure which comprises a cage and three spring elements;
  • FIG. 2 shows a perspective view of the tilting pad bearing from FIG. 1;
  • FIG. 3 shows the cage of the tilting pad bearing from FIGS. 1 and 2 in a front view
  • FIG. 4 shows a perspective view of the cage from FIG. 3;
  • FIG. 5 shows a representation similar to that in FIG. 2 from a different perspective
  • FIG. 6 shows a housing body of the tilting pad bearing in a front view
  • FIG. 7 shows the tilting pad bearing from FIG. 1 in a front view
  • FIG. 8 shows a structural body in a front view
  • FIG. 9 shows the structural body from FIG. 8 in a perspective view
  • FIG. 10 shows the structural body from FIGS. 8 and 9 in a plan view
  • FIG. 11 shows a representation similar to that in FIG. 1 according to a further exemplary embodiment
  • FIG. 12 shows a perspective view of the tilting pad bearing from FIG. 11;
  • FIG. 13 shows a detail from FIG. 11 according to a further exemplary embodiment
  • FIG. 14 shows a perspective illustration of a tilting pad bearing according to a further exemplary embodiment
  • FIG. 15 shows the tilting pad bearing from FIG. 14 from a different perspective
  • FIG. 16 shows a representation similar to that in FIG. 14 according to a further exemplary embodiment
  • FIG. 17 shows a perspective view of a tilting segment of the tilting segment bearing from FIG. 16 alone;
  • FIG. 18 shows a perspective representation of a cage of the tilting pad bearing from FIG. 16;
  • FIG. 19 shows the same representation as in FIG. 11;
  • FIG. 20 shows a representation similar to that in FIG. 16 according to a further exemplary embodiment.
  • FIG. 21 shows a metal strip to show a frame structure in plan view.
  • the tilting pad bearing 10 is designed as a radial bearing with three tilting pads 1, 2, 3.
  • FIGS. 1 to 20 designate the same or similar parts.
  • the similarities between the exemplary embodiments will first be described. Then their differences will be discussed.
  • the tilting segments 1 to 3 can each be tilted about a pivot point or about a pivot axis relative to a shaft 4 with the aid of a frame structure in a housing 14 .
  • the frame structure 9 comprises, for example, a cage 5 shown in Figures 1-5, 11-16 and 18-20, or a tubular body 38 shown in Figures 8-10.
  • the tilting segments 1 to 3 are movably suspended in or on the frame structure 9 with the aid of a spring device 6 .
  • the spring device 6 comprises three spring elements 11 to 13.
  • the spring elements 11 to 13 produce a defined tilting rigidity of the tilting segments 1 to 3 on the one hand.
  • a tilting preload is applied to the tilting pads 1-3.
  • the tilting segments 1 to 3 can be tilted in a defined manner in a direction of rotation towards the shaft 4 . They can be tilted so far that an edge of the tilting segments 1 to 3 touches the shaft 4 when stationary.
  • the cage 5 comprises two ring bodies 7, 8 which are connected to one another by axial webs 21 to 23.
  • the cage 5 is designed to be rather rigid compared to the spring elements 11 to 13 .
  • the spring elements 11 to 13 are elastic deformable and serve to represent the spring device 6, which is combined in the frame structure 9 with the cage 5.
  • the frame structure 9 has a closed cylindrical inner diameter 18 and a closed cylindrical outer diameter 19 . This simplifies the manufacture of the frame structure 9 considerably.
  • the frame structure 9 has thin walls. Due to the cylindrical shape, the frame structure 9 has only low internal manufacturing stresses. Functional contact points are intentionally not provided on the frame structure 9 but rather are incorporated into the housing 14 .
  • the spring elements 11 to 13 are each positioned on one of the webs 21 to 23 of the cage 5 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 the spring elements 11 to 13.
  • the cage 5 is shown alone.
  • the diameters 18 and 19 on the cage 5 are circumferential and not interrupted by any recesses.
  • the webs 21 to 23 and the ring bodies 7, 8 delimit a total of three windows 24 in the cage 5.
  • the webs 21 to 23 are also equipped with through holes for the pins 15 to pass through.
  • the cage 5 has contact points or contact surfaces 25 for the spring device 6 radially on the outside of the annular bodies 7 , 8 .
  • a housing body 28 of the housing 14 is shown alone.
  • the housing body 28 has a circular outer contour 30 and an inner contour 29.
  • the inner contour 29 comprises a total of three recesses 31, which are used to create free spaces, which are denoted by 36 in FIG.
  • the inner contour 29 comprises a total of three projections 32 which serve to represent contact points or contact surfaces for the ring bodies 7 , 8 of the cage 5 .
  • a bearing gap 34 is indicated between the tilting pad 1 and the shaft 4 in FIG.
  • An arrow 35 in FIG. 7 indicates how the cage 5 deforms when heated. The corresponding deformation is indicated in FIG. 7 in the free space 36 by dashed or dotted lines.
  • the frame structure 9 designed as a tubular body 38 is shown in various views in FIGS.
  • the openings 39 are designed as bores. This has the advantage that the structural body 20 can be manufactured at low cost. Any shape of the openings 39 can be made, for example with a laser.
  • FIG. 11 shows that the spring element 11 can also assume the function of the pin (15 in FIGS. 1 and 2).
  • the spring element 11 comprises a central spring clip 42 which engages in a segment bore 41 of the tilting segment 1 through a cage bore 43 .
  • the tilting segment 1 is fixed in the circumferential direction.
  • the tilting segment 1 can also be designed with a corresponding groove.
  • the spring element 11 fixes itself relative to the cage 5 through the cage bore 43 or a corresponding groove.
  • the spring clip 42 can be designed as a curved element.
  • the spring shackle 42 can also be connected to the spring element 11 in a materially bonded manner. Methods such as welding, soldering or gluing are possible for this purpose. Structures that fulfill the described function can be produced by deep-drawing.
  • the central spring clip 42 also fixes the tilting segment 1 in the axial direction. If the forces in the axial direction during assembly or operation are very high, it may be necessary to provide additional lateral spring shackles 45, as can be seen in FIG.
  • the lateral spring shackles 45 can belong to the spring or to the spring element 11 as a bent element or can be integrally connected to the spring or the spring element 11 as individual parts will. Depending on the design, the spring element 11 can have a lateral spring tab or two or more lateral spring tabs 45 .
  • the spring or the spring element 11 encompasses the tilting segment 1 on the outside.
  • the spring element 11 has two spring shackles 47 , 48 .
  • the tilting segment 1 no longer has a central bore, but is equipped with undercuts 49, 50, in which the spring element 11 engages with the spring shackles 47, 48.
  • FIG. In this way, the spring element 11 fixes itself relative to the cage 5.
  • FIGS. 14 and 15 one can see how the spring element 11 is fixed relative to the cage 5 with the aid of a total of six spring shackles 51 to 56 .
  • a total of four spring shackles 51, 52 and 55, 56 act on the web 21 of the cage 5 from both sides.
  • the spring clip 53 acts on the annular body 7 .
  • the spring clip 54 acts on the annular body 8 .
  • FIG. 16 shows that the spring element 11 can also have only two lateral spring shackles 57, 58 which act on the ring bodies 7, 8 of the cage 5 laterally.
  • FIG. 17 shows that the tilting segment 1 in this embodiment of the spring element 11 advantageously has lateral grooves 59, 60 into which the spring tabs 57, 58 engage in order to position the tilting segment 1 axially and in the circumferential direction relative to the cage 5.
  • FIG. 18 shows that the cage 5 is particularly advantageously also equipped with lateral grooves 61, 62, in which the spring element 11 is positioned or fixed with its lateral spring tabs 57, 58.
  • FIG. 19 shows the same representation as in FIG. 11 and at this point only serves to illustrate the function of an alternatively designed spring element 65 in conjunction with FIG.
  • the spring element 65 replaces the spring element 11 in Figure 19.
  • the spring element 65 includes a support arm 66 which bears against the web 21 of the cage 5 on the outside.
  • Two holding arms 67, 68 engage radially inside the annular body 8 of the cage 5 on the tilting segment 1.
  • the cage 5 for example, from a structured
  • Sheet metal strip 70 is formed.
  • the metal strip 70 essentially has the shape of an elongated rectangle with four windows 24, which are punched out or produced by lasers, for example.
  • Ends 71, 72 of the sheet metal strip 70 facing away from one another are advantageously equipped with form-fitting geometries which serve to connect the ends 71, 72 of the wound sheet metal strip 70 to one another in a form-fitting manner in order to represent the cage 5.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kippsegmentlager (10) mit mindestens einem Kippsegment (1,2,3), das in einer Rahmenstruktur (9) kippbar ist. Um das Kippsegment (10) funktionell und/oder herstellungstechnisch zu verbessern, weist die Rahmenstruktur (9) mindestens einen Strukturkörper mit einem geschlossenen zylindrischen Außendurchmesser auf.

Description

Beschreibung
Titel
Kippsegmentlager und Verfahren zum Herstellen einer Rahmenstruktur für ein
Kippsegmentlager
Die Erfindung betrifft ein Kippsegmentlager mit mindestens einem Kippsegment, das in einer Rahmenstruktur kippbar ist. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Rahmenstruktur.
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 einer Rahmenstruktur kippbar ist, funktionell und/oder herstellungstechnisch zu verbessern. Die Aufgabe ist bei einem Kippsegmentlager mit mindestens einem Kippsegment, das in einer Rahmenstruktur kippbar ist, dadurch gelöst, dass die Rahmenstruktur mindestens einen Strukturkörper mit einem geschlossenen zylindrischen Außendurchmesser aufweist. Der geschlossene zylindrische Außendurchmesser an dem Strukturkörper liefert unter anderem den Vorteil, dass der Strukturkörper fertigungstechnisch deutlich einfacher und somit zu geringeren Kosten herzustellen ist.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass der Strukturkörper einen geschlossenen zylindrischen Innendurchmesser aufweist. Dadurch wird die Herstellung der Rahmenstruktur mit dem Strukturkörper weiter vereinfacht.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmenstruktur zwei Strukturkörper umfasst, die als Ringkörper ausgeführt und durch Stege verbunden sind, um einen Käfig darzustellen. Die beiden Ringkörper haben vorteilhaft die gleiche Gestalt. Die Stege erstrecken sich vorzugsweise in einer axialen Richtung. Der Begriff axial bezieht sich auf eine Drehachse des Kippsegmentlagers. Axial bedeutet in Richtung oder parallel zu dieser Drehachse. Die beiden Ringkörper sind durch die Stege vorteilhaft einstückig miteinander verbunden. Die Ringkörper und die Stege begrenzen Fenster, durch welche Federelemente hindurchgreifen, mit welchen das Kippsegment, vorzugsweise mehrere Kippsegmente, zum Beispiel drei Kippsegmente, relativ zu dem Käfig bewegbar aufgehängt werden. An den Ringkörpern ist vorteilhaft jeweils sowohl ein geschlossener zylindrischer Außendurchmesser als auch ein geschlossener zylindrischer Innendurchmesser vorgesehen.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass der Strukturkörper einen Rohrkörper mit Durchbrüchen umfasst. Der Rohrkörper weist axial außerhalb der Durchbrüche mindestens einen geschlossenen zylindrischen Außendurchmesser und mindestens einem geschlossenen zylindrischen Innendurchmesser auf. Die Durchbrüche sind zum Beispiel als Bohrungen ausgeführt. Dadurch sind die Durchbrüche einfach und kostengünstig herstellbar. Die Durchbrüche üben die gleiche Funktion wie die vorab beschriebenen Fenster in dem Käfig aus.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmenstruktur an ihrem Außendurchmesser mindestens eine Anlagestelle für eine Federeinrichtung umfasst, die in einem Gehäusekörper mit Kippsegmenten kombiniert ist. Die Federeinrichtung dient vorteilhaft dazu, die Kippsegmente bewegbar in oder an der Rahmenstruktur aufzuhängen. 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. Mit der beanspruchten Rahmenstruktur können vorteilhaft geringere Lagerspalte zwischen dem Kippsegment und der Welle realisiert werden. So kann ein Rotorkörper eines Turbomaschinenrotors im Betrieb der Turbomaschine genauer positioniert werden. Daraus ergeben sich bessere Maschinenwirkungsgrade.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäusekörper eine Innenkontur mit nach innen vorstehenden Anlagestellen für die Rahmenstruktur aufweist. Das Gehäuse besteht vorteilhaft aus einem gut zu bearbeitenden Werkstoff. Daher ist eine Bearbeitung der Innenkontur des Gehäusekörpers zur Darstellung der nach innen vorstehenden Anlagestellen kostengünstig realisierbar.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass die Innenkontur des Gehäusekörpers Freiräume aufweist, die zur Aufnahme von sich bei Erwärmung verformenden Rahmenstrukturbereichen dienen. Der Gehäusekörper weist vorteilhaft große Wandstärken auf. Das liefert den Vorteil, dass der Gehäusekörper in entsprechenden Fertigungseinrichtungen einfach gespannt und zerspant werden kann, um die Freiräume an der Innenkontur des Gehäusekörpers zu realisieren. Der Gehäusekörper mit den Freiräumen und den Anlagestellen kann auch mit Verfahren der Massivumformung oder Gussverfahren hergestellt werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmenstruktur aus einem strukturierten Blechstreifen gebildet ist. Eine gewünschte Struktur kann in dem Blechstreifen zum Beispiel durch Stanzen, Lasern oder Bohren erzeugt werden. Der so strukturierte Blechstreifen kann dann aufgewickelt werden, um die Rahmenstruktur in ihre gewünschte Gestalt zu bringen.
Bei einem Verfahren zum Herstellen einer Rahmenstruktur für ein vorab beschriebenes Kippsegmentlager ist die oben angegebene Aufgabe alternativ oder zusätzlich dadurch gelöst, dass der Blechstreifen strukturiert und aufgewickelt wird. Dadurch können die Herstellkosten erheblich reduziert werden.
Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Rahmenstruktur, ein Kippsegment, einen Gehäusekörper und/oder eine Federeinrichtung, insbesondere ein Federelement, 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, die mit Hilfe einer Rahmenstruktur positioniert sind, die einen Käfig und drei Federelemente umfasst, im Querschnitt;
Figur 2 eine perspektivische Darstellung des Kippsegmentlagers aus Figur 1;
Figur 3 den Käfig des Kippsegmentlagers aus den Figuren 1 und 2 in einer Vorderansicht;
Figur 4 eine perspektivische Darstellung des Käfigs aus Figur 3;
Figur 5 eine ähnliche Darstellung wie in Figur 2 aus einer anderen Perspektive; Figur 6 einen Gehäusekörper des Kippsegmentlagers in einer Vorderansicht; Figur 7 das Kippsegmentlager aus Figur 1 in einer Vorderansicht;
Figur 8 einen Strukturkörper in einer Vorderansicht;
Figur 9 den Strukturkörper aus Figur 8 in einer perspektivischen Darstellung; Figur 10 den Strukturkörper aus den Figuren 8 und 9 in einer Draufsicht;
Figur 11 eine ähnliche Darstellung wie in Figur 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
Figur 12 eine perspektivische Darstellung des Kippsegmentlagers aus Figur 11;
Figur 13 einen Ausschnitt aus Figur 11 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
Figur 14 eine perspektivische Darstellung eines Kippsegmentlagers gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
Figur 15 das Kippsegmentlager aus Figur 14 aus einer anderen Perspektive;
Figur 16 eine ähnliche Darstellung wie in Figur 14 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
Figur 17 ein Kippsegment des Kippsegmentlagers aus Figur 16 alleine perspektivisch;
Figur 18 eine perspektivische Darstellung eines Käfigs des Kippsegmentlagers aus Figur 16;
Figur 19 die gleiche Darstellung wie in Figur 11;
Figur 20 eine ähnliche Darstellung wie in Figur 16 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel; und
Figur 21 einen Blechstreifen zur Darstellung einer Rahmenstruktur in der Draufsicht.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele In den Figuren 1 bis 20 sind unterschiedliche Ausführungsbeispiele eines Kippsegmentlagers 10 in verschiedenen Ansichten gezeigt. Das Kippsegmentlager 10 ist als Radiallager mit drei Kippsegmenten 1, 2, 3 ausgeführt.
Zur Bezeichnung gleicher oder ähnlicher Teile werden in den Figuren 1 bis 20 die gleichen Bezugszeichen verwendet. Um Wiederholungen zu vermeiden, werden zunächst die Gemeinsamkeiten der Ausführungsbeispiele beschrieben. Danach wird auf deren Unterschiede eingegangen.
Die Kippsegmente 1 bis 3 sind mit Hilfe einer Rahmenstruktur in einem Gehäuse 14 relativ zu einer Welle 4 jeweils um einen Pivotpunkt beziehungsweise um eine Pivotachse kippbar. Die Rahmenstruktur 9 umfasst zum Beispiel einen Käfig 5, der in den Figuren 1 bis 5, 11 bis 16 und 18 bis 20 dargestellt ist, oder einen Rohrkörper 38, der in den Figuren 8 bis 10 dargestellt ist.
Die Kippsegmente 1 bis 3 sind mit Hilfe einer Federeinrichtung 6 bewegbar in beziehungsweise an der Rahmenstruktur 9 aufgehängt. Die Federeinrichtung 6 umfasst drei Federelemente 11 bis 13. 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 eine Rotationsrichtung zur Welle 4 hin gekippt werden. Dabei können sie so weit gekippt werden, dass eine Kante der Kippsegmente 1 bis 3 im Stillstand 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.
Der Käfig 5 umfasst zwei Ringkörper 7, 8, die durch axiale Stege 21 bis 23 miteinander verbunden sind. Der Käfig 5 ist im Vergleich zu den Federelementen 11 bis 13 eher starr ausgeführt. Die Federelemente 11 bis 13 sind elastisch verformbar und dienen zur Darstellung der Federeinrichtung 6, die in der Rahmenstruktur 9 mit dem Käfig 5 kombiniert ist.
In den Figuren 4 und 9 sieht man, dass die Rahmenstruktur 9 einen geschlossenen zylindrischen Innendurchmesser 18 und einen geschlossenen zylindrischen Außendurchmesser 19 aufweist. Hierdurch vereinfacht sich die Herstellung der Rahmenstruktur 9 erheblich.
Aus Bauraumgründen weist die Rahmenstruktur 9 dünne Wandstärken auf. Aufgrund der zylindrischen Gestalt weist die Rahmenstruktur 9 nur noch geringe Fertigungseigenspannungen auf. Funktionelle Anlagestellen sind bewusst nicht an der Rahmenstruktur 9 vorgesehen, sondern in das Gehäuse 14 eingebracht.
Die Federelemente 11 bis 13 sind jeweils mit Hilfe eines Stifts 15, 16, 17 an einem der Stege 21 bis 23 des Käfigs 5 positioniert. Hierdurch wird das jeweilige Kippsegment 1 bis 3 in seinem Pivotpunkt an den Käfig 5 gedrückt. Eine weitere Abstützung erfolgt durch die Federelemente 11 bis 13.
In den Figuren 3 und 4 ist der Käfig 5 alleine dargestellt. Die Durchmesser 18 und 19 an dem Käfig 5 sind umlaufend und von keinen Aussparungen unterbrochen. Die Stege 21 bis 23 und die Ringkörper 7, 8 begrenzen insgesamt drei Fenster 24 in dem Käfig 5. Die Stege 21 bis 23 sind darüber hinaus mit Durchgangslöchern zum Durchführen der Stifte 15 ausgestattet.
In Figur 5 sieht man, dass der Käfig 5 radial außen an den Ringkörpern 7, 8 Anlagestellen oder Anlageflächen 25 für die Federeinrichtung 6 aufweist.
In Figur 6 ist ein Gehäusekörper 28 des Gehäuses 14 alleine dargestellt. Der Gehäusekörper 28 hat eine kreisrunde Außenkontur 30 und eine Innenkontur 29. Die Innenkontur 29 umfasst insgesamt drei Aussparungen 31, die zur Darstellung von Freiräumen dienen, die in Figur 7 mit 36 bezeichnet sind. Darüber hinaus umfasst die Innenkontur 29 insgesamt drei Vorsprünge 32, die zur Darstellung von Anlagestellen oder Anlageflächen für die Ringkörper 7, 8 des Käfigs 5 dienen. In Figur 7 ist zwischen dem Kippsegment 1 und der Welle 4 ein Lagerspalt 34 angedeutet. Durch einen Pfeil 35 ist in Figur 7 angedeutet, wie sich der Käfig 5 bei Erwärmung verformt. Die entsprechende Verformung ist in Figur 7 in dem Freiraum 36 gestrichelt beziehungsweise punktiert angedeutet.
In den Figuren 8 bis 10 ist die als Rohrkörper 38 ausgeführte Rahmenstruktur 9 in verschiedenen Ansichten dargestellt. Die Durchbrüche 39 sind als Bohrungen ausgeführt. Das hat den Vorteil, dass der Strukturkörper 20 kostengünstig hergestellt werden kann. Eine beliebige Form der Durchbrüche 39 kann zum Beispiel mit einem Laser angebracht werden.
In Figur 11 ist gezeigt, dass das Federelement 11 auch die Funktion des Stifts (15 in den Figuren 1 und 2) übernehmen kann. In Figur 11 umfasst das Federelement 11 eine mittige Federlasche 42 auf, die durch eine Käfigbohrung 43 in eine Segmentbohrung 41 des Kippsegments 1 eingreift. Dadurch wird das Kippsegment 1 in Umfangsrichtung fixiert.
Anstelle der Segmentbohrung 41 kann das Kippsegment 1 auch mit einer entsprechenden Nut ausgeführt sein. Durch die Käfigbohrung 43 oder eine entsprechende Nut fixiert sich das Federelement 11 selbst relativ zum Käfig 5.
Die Federlasche 42 kann, wie man in Figur 7 sieht, als gebogenes Element ausgeführt sein. Alternativ kann die Federlasche 42 auch stoffschlüssig mit dem Federelement 11 verbunden sein. Hierfür sind zum Beispiel Verfahren wie Schweißen, Löten oder Kleben möglich. Durch Tiefziehen können Strukturen erzeugt werden, welche die beschriebene Funktion erfüllen.
Die mittige Federlasche 42 fixiert das Kippsegment 1 ebenfalls in axialer Richtung. Sind die Kräfte in axialer Richtung bei der Montage oder im Betrieb sehr hoch, kann es notwendig sein, zusätzliche seitliche Federlaschen 45 vorzusehen, wie man in Figur 12 sieht.
Die seitlichen Federlaschen 45 können als gebogenes Element zur Feder beziehungsweise zum Federelement 11 gehören oder als Einzelteile stoffschlüssig mit der Feder beziehungsweise dem Federelement 11 verbunden werden. Je nach Ausführung kann das Federelement 11 eine seitliche Federlasche oder zwei oder mehr seitliche Federlaschen 45 aufweisen.
In Figur 13 sieht man, dass die Feder beziehungsweise das Federelement 11 das Kippsegment 1 außen umgreift. Darüber hinaus weist das Federelement 11 zwei Federlaschen 47, 48 auf. Das Kippsegment 1 weist keine mittige Bohrung mehr auf, sondern ist mit Hinterschnitten 49, 50 ausgestattet, in welche das Federelement 11 mit den Federlaschen 47, 48 eingreift. Darüber hinaus sieht man in Figur 13, dass das Federelement 11 den Steg 21 des Käfigs 5 mit den beiden Federlaschen 47, 48 umklammert. So fixiert sich das Federelement 11 selbst relativ zum Käfig 5.
In den Figuren 14 und 15 sieht man, wie das Federelement 11 mit Hilfe von insgesamt sechs Federlaschen 51 bis 56 relativ zu dem Käfig 5 fixiert ist. Insgesamt vier Federlaschen 51, 52 und 55, 56 greifen von beiden Seiten an dem Steg 21 des Käfigs 5 an. Die Federlasche 53 greift an dem Ringkörper 7 an. Die Federlasche 54 greift an dem Ringkörper 8 an.
In Figur 16 ist gezeigt, dass das Federelement 11 auch nur zwei seitliche Federlaschen 57, 58 aufweisen kann, die seitlich an den Ringkörpern 7, 8 des Käfigs 5 angreifen.
In Figur 17 ist gezeigt, dass das Kippsegment 1 bei dieser Ausführung des Federelements 11 vorteilhaft seitliche Nuten 59, 60 aufweist, in welche die Federlaschen 57, 58 eingreifen, um das Kippsegment 1 axial und in Umfangsrichtung relativ zu dem Käfig 5 zu positionieren.
In Figur 18 ist gezeigt, dass der Käfig 5 besonders vorteilhaft ebenfalls mit seitlichen Nuten 61, 62 ausgestattet ist, in welchen das Federelement 11 mit seinen seitlichen Federlaschen 57, 58 positioniert beziehungsweise fixiert wird.
Figur 19 zeigt die gleiche Darstellung wie in Figur 11 und dient an dieser Stelle nur dazu, in Zusammenschau mit Figur 20 die Funktion eines alternativ ausgeführten Federelements 65 zu veranschaulichen. Das Federelement 65 ersetzt das Federelement 11 in Figur 19. In Figur 20 ist das Federelement 11 ebenfalls dargestellt. Das Federelement 65 umfasst einen Stützarm 66, der außen an dem Steg 21 des Käfigs 5 anliegt. Zwei Haltearme 67, 68 greifen radial innerhalb des Ringkörpers 8 des Käfigs 5 an dem Kippsegment 1 an. In Figur 21 ist gezeigt, dass der Käfig 5 zum Beispiel aus einem strukturierten
Blechstreifen 70 gebildet ist. Der Blechstreifen 70 hat im Wesentlichen die Gestalt eines langgezogenen Rechtecks mit vier Fenstern 24, die zum Beispiel ausgestanzt oder durch Lasern erzeugt sind. Einander abgewandte Enden 71, 72 des Blechstreifens 70 sind vorteilhaft mit Formschlussgeometrien ausgestattet, die dazu dienen, die Enden 71, 72 des aufgewickelten Blechstreifens 70 formschlüssig miteinander zu verbinden, um den Käfig 5 darzustellen.

Claims

Ansprüche
1. Kippsegmentlager (10) mit mindestens einem Kippsegment (1,2,3), das in einer Rahmenstruktur (9) kippbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmenstruktur (9) mindestens einen Strukturkörper (20) mit einem geschlossenen zylindrischen Außendurchmesser (19) aufweist.
2. Kippsegmentlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strukturkörper (20) einen geschlossenen zylindrischen Innendurchmesser (18) aufweist.
3. Kippsegmentlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmenstruktur (9) zwei Strukturkörper umfasst, die als Ringkörper (7,8) ausgeführt und durch Stege (21-23) verbunden sind, um einen Käfig (5) darzustellen.
4. Kippsegmentlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strukturkörper (20) einen Rohrkörper (38) mit Durchbrüchen (39) umfasst.
5. Kippsegmentlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmenstruktur (9)an ihrem Außendurchmesser (19) mindestens eine Anlagestelle (25) für eine Federeinrichtung (6) umfasst, die in einem Gehäusekörper (28) mit Kippsegmenten (1,2,3) kombiniert ist.
6. Kippsegmentlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäusekörper (28) eine Innenkontur (29) mit nach innen vorstehenden Anlagestellen (33) für die Rahmenstruktur (9) aufweist.
7. Kippsegmentlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenkontur (29) des Gehäusekörpers (29) Freiräume (36) aufweist, die zur Aufnahme von sich bei Erwärmung verformenden Rahmenstrukturbereichen dienen.
8. Kippsegmentlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmenstruktur (9) aus einem strukturierten Blechstreifen (70) gebildet ist.
9. Verfahren zum Herstellen einer Rahmenstruktur (9) für ein Kippsegmentlager (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Blechstreifen (70) strukturiert und aufgewickelt wird.
10. Rahmenstruktur (9), Kippsegment (1,2,3), Gehäusekörper (28) und/oder Federeinrichtung (6), insbesondere Federelement (11-13), für ein Kippsegmentlager (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
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US20080095482A1 (en) * 2001-06-22 2008-04-24 Delaware Capital Formation, Inc. Journal bearing arrangement
DE102016216395A1 (de) 2016-08-31 2018-03-01 Robert Bosch Gmbh Kippsegmentlager
DE102019210660A1 (de) * 2019-07-18 2021-01-21 Robert Bosch Gmbh Kippsegmentlager

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