Kippsegmentlager und Maschine mit wenigstens einem Kippsegmentlager Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Kippsegmentlager nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 . Ferner betrifft die Erfindung eine Maschine mit wenigstens einem

erfindungsgemäßen Kippsegmentlager.

Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Ausführungsformen von Kippsegmentlagern bekannt. Diese lassen sich grundsätzlich in zwei

unterschiedliche Bauarten unterteilen: Einerseits gibt es Kippsegmentlager, bei denen die Kippsegmente, die in Anlagekontakt bzw. in Wirkverbindung mit einer zu lagernden Welle angeordnet sind, monolithisch bzw. einstückig mit dem

Lagerring verbunden (US 2008/0253706 A1 ). Nachteilhaft bei einer derartigen Bauweise ist, dass der (radiale) Abstand zwischen den Kippsegmenten und der zu lagernden Welle relativ schwierig einzustellen bzw. zu verändern ist, sodass die Teile hochgenau mit entsprechend hohen Fertigungskosten hergestellt werden müssen. Bei der anderen bekannten Bauart von Kippsegmentlagern sind die Kippsegmente als von dem Lagerring separate Bauteile ausgebildet. So ist es beispielsweise bei der gattungsgemäßen DE 198 34 914 A1 vorgesehen, dass entweder am Innenumfang des Lagerrings ein radial nach innen ragender Vorsprung ausgebildet ist, der als Kippachse für ein schalenabschnittsförmiges Kippsegment dient, oder dass alternativ hierzu das Kippsegment an seinem

Außenumfang einen radial nach außen ragenden Vorsprung aufweist, der in Anlagekontakt mit dem Innenumfang des Lagerrings angeordnet und dort kippbar gelagert ist. Eine Einstellung des (radialen) Abstands zwischen den einzelnen Kippsegmenten und einer zu lagernden Welle ist bei der letztgenannten Bauart nur aufwendig durch unterschiedlich dicke Kippsegmente bzw. unterschiedlich ausgebildete Vorsprünge am Lagerring bzw. am Kippsegment möglich. Offenbarung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Kippsegmentlager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass es bei relativ einfacher bzw. kostengünstiger Fertigung eine einfache Einstellung des (radialen) Abstands zwischen den Kippsegmenten und der zu lagernden Welle bzw. dem durch die Kippsegmente zu lagernden Element ermöglicht. Der Erfindung liegt dabei die Idee zugrunde, die Einstellung des Abstands zwischen dem Kippsegmentlager und der zu lagernden Welle bzw. dem zu lagernden Element mittels eines von dem Lagerring und dem

Kippsegment separaten Elements durchzuführen, das sowohl in Anlagekontakt mit dem Kippsegment als auch mit dem Lagerring angeordnet ist. Dadurch ist es möglich, ein und denselben Lagerring sowie ein und dieselben Kippsegmente zu verwenden, und die Abstände zwischen den Kippsegmenten und der zu lagernden Welle bzw. dem zu lagernden Element über unterschiedlich ausgestaltete bzw. eine unterschiedliche Größe aufweisenden Elemente zwischen dem Lagerring und den Kippsegmenten einzustellen. Insbesondere ermöglicht es die erfindungsgemäße Ausbildung des Kippsegmentlagers darüber hinaus, für die einzelnen Kippsegmente unterschiedlich ausgebildete bzw.

unterschiedliche geometrische Dimensionen aufweisende Elemente zu verwenden, um beispielsweise Schrägstellungen oder exzentrische Anordnungen einer zu lagernden Welle bzw. eines zu lagernden Elements relativ zur

Längsachse des Lagerrings des Kippsegmentlagers auszugleichen. Dadurch ergibt sich insgesamt gesehen eine besonders gute Eignung des

erfindungsgemäßen Kippsegmentlagers zur reibungsarmen Lagerung einer Welle bzw. eines zu lagernden Elements in einer Maschine, was beispielsweise mit einer relativ geringen Erwärmung des Kippsegmentlagers beim Betrieb auch unter ungünstigen Bedingungen und einem hohen Wirkungsgrad bzw. geringen Verlusten verbunden ist. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kippsegmentlagers sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

In einer vorteilhaften geometrischen Ausgestaltung der separaten Elemente im Bereich der Lagerstelle im Lagerring zylindrisch ausgebildet und weisen eine runde Querschnittsfläche auf. Die Einstellung eines Lagerspalts zwischen dem

Kippsegment und der zu lagernden Welle bzw. dem zu lagernden Element erfolgt somit durch die Verwendung eines Elements mit einem zur Einstellung des gewünschten Spalts erforderlichen Durchmesser.

Um sogenannte„Kantenträger" bei den separaten Elementen oder den

Kippsegmenten zu vermeiden, die an den axialen Endbereichen der separaten

Elemente bzw. den damit zusammenwirkenden Bereichen der Kippsegmente auftreten, kann es vorgesehen sein, dass die separaten Elemente an den stirnseitigen Endbereichen ballig ausgebildet sind.

Um die separaten Elemente im Bereich des Lagerrings bzw. der Kippsegmente in Umfangsrichtung des Lagerrings betrachtet an einer definierten Stelle anzuordnen, ist es vorgesehen, dass der Lagerring und das Kippsegment auf einander zugewandten Seiten jeweils eine gekrümmt ausgebildete Aufnahme für das separate Element aufweisen, und dass das separate Element in den

Aufnahmen linienförmig anliegt. Durch die linienförmige Anlage wird im

Zusammenhang mit einem zwischen dem Außenumfang des Kippsegments und dem Innenumfang des Lagerrings ausgebildeten Spalt eine kippbare Anordnung des Kippsegments in dem Lagerring um das separate Element ermöglicht.

Um zu vermeiden, dass bei einem insbesondere zylindrisch ausgebildeten separaten Element ein Drehen bzw. eine Rotation des Elements während des Betriebs stattfindet, kann es in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass der Lagerring und das Kippsegment auf einander zugewandten Seiten jeweils eine Aufnahme für das separate Element aufweisen, dass die eine Aufnahme gekrümmt ausgebildet ist, dass die andere Aufnahme zwei in einem Winkel zueinander angeordnete Anlageflächen aufweist, und dass das separate Element linienförmig im Bereich der Aufnahmen und der beiden Anlageflächen anliegt. Durch die linienförmige Anlage des Elements im Bereich der beiden Anlageflächen ergibt sich in diesem Bereich eine erhöhte Reibung zwischen dem Element und den Anlageflächen, die eine Drehung des Elements um seine Längsachse verhindert.

In konstruktiv bevorzugter Ausgestaltung des zuletzt gemachten Vorschlags ist es vorgesehen, dass die beiden Anlageflächen durch separate, plättchenförmige Bauteile gebildet sind, die im Bereich des Lagerrings ortsfest angeordnet sind.

Die ortsfeste Anordnung der separaten, die Auflageflächen ausbildenden Bauteile kann beispielsweise durch einen Formschluss zwischen den Bauteilen und einer gegengleich ausgebildeten Aufnahme im Lagerring erfolgen, oder aber beispielsweise durch stoffschlüssige Verbindungen, wie Laserschweißen usw.

Um das thermische Verhalten des Kippsegmentlagers während des Betriebs zu optimieren, kann es darüber hinaus vorgesehen sein, dass der Lagerring und/oder die Kippsegmente und/oder die separaten Elemente aus Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen. Es kann somit beispielsweise über einen relativ großen Temperaturbereich eine Optimierung der Lagerung erfolgen.

In ähnlicher Art und Weise bzw. um es zu ermöglichen, dass eine thermische Überlastung des Kippsegmentlagers beispielsweise bei besonders hohen Drehzahlen des zu lagernden Elements bzw. der zu lagernden Welle vermieden wird, kann es vorgesehen sein, dass die separaten Elemente Kanäle zur Durchführung eines der Temperierung dienenden Fluids aufweisen.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Einstellung des Lagerspalts nicht nur einmalig bei der Montage des Kippsegmentlagers erfolgt, sondern auch während des Betriebs bzw. im Einbauzustand des

Kippsegmentlagers in einer Maschine. Dadurch lässt sich über einen weiteren Betriebsbereich einer Maschine eine Optimierung der Lagerung im Sinne eines möglichst hohen Wirkungsgrads oder Ähnlichem bewirken. Hierzu sieht es die Erfindung konkret vor, dass die Position der separaten Elemente im Bereich der Lagerstellen durch externe Mittel einstellbar ausgebildet ist.

In konstruktiv bevorzugter Ausgestaltung dieses Vorschlags ist es vorgesehen, dass das wenigstens ein separate Element wenigstens zwei in Längsrichtung des wenigstens einen separaten Elements voneinander beanstandete

zylindrische Abschnitte mit unterschiedlichen Durchmessern aufweist, wobei die Längsachsen der Abschnitte in einem Abstand parallel zueinander angeordnet sind, der der Hälfte der Differenz der Durchmesser der beiden Abschnitte entspricht, und wobei der einen kleineren Durchmesser aufweisende Abschnitt mit den externen Mitteln zur Drehung gekoppelt ist. Um eine beispielsweise temperaturabhängige Einstellung der separaten

Elemente zu bewirken, kann es darüber hinaus in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass Sensormittel zur Erfassung wenigstens einer betriebsrelevanten Eigenschaft des Kippsegmentlager vorgesehen sind, und dass die Sensormittel mit einer Regeleinheit zur Ansteuerung der externen Mittel gekoppelt sind.

Mit Blick auf eine möglichst kostengünstige Herstellbarkeit der Kippsegmentlager ist es darüber hinaus von Vorteil, wenn die der Einstellung des Lagerspalts dienenden separaten Elemente als Normbauteile ausgehärtetem Stahl ausgebildet sind. Im einfachsten Fall handelt es sich dabei um zylindrische Stifte.

Weiterhin umfasst die Erfindung auch eine Maschine, umfassend zwei

Lagereinrichtungen zur radialen Lagerung einer Welle und wenigstens einem Kippsegmentlager, das auf erfindungsgemäße Art und Weise ausgebildet ist. Eine derartige Maschine hat insbesondere den Vorteil, dass beispielsweise Fluchtungsfehler zwischen den beiden Lagereinrichtungen besonders einfach ausgeglichen werden können.

Zur Optimierung der Einstellbarkeit der Lagerung der zu lagernden Welle der Maschine ist es darüber hinaus in einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen, dass zwei axial voneinander beabstandete, erfindungsgemäß ausgebildete Kippsegmentlager vorgesehen sind, sowie ein von dem Kippsegmentlagern separates Axiallager für die Welle. Bei der Maschine kann es sich beispielsweise, und nicht einschränkend, um einen Kompressor handeln.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.

Diese zeigt in:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform eines

Kippsegmentlagers, Fig. 2 einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines

Kippsegmentlagers,

Fig. 3 einen vereinfachten Längsschnitt durch einen einstufigen Verdichter unter Verwendung zweier Kippsegmentlager, die entsprechend der Fig. 1 oder 2 ausgebildet sind,

Fig. 4 einen Längsschnitt durch den Kompressor entsprechend der Fig. 3 mit lediglich teilweiser Darstellung der Bauteile zur Verdeutlichung des Einstellbarkeit der Kippsegmentlager,

Fig. 5 einen Teillängsschnitt im Bereich eines modifizierten, kühlbaren

Kippsegmentlagers in einer Maschine,

Fig. 6 einen Querschnitt durch ein modifiziertes Kippsegmentlager, bei dem der Lagerspalt insbesondere während des Betriebs einer Maschine einstellbar ist,

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht eines der Einstellung des Lagerspalts dienenden Elements des Kippsegmentlagers gemäß der Fig. 6 und

Fig. 8 eine vereinfachte Darstellung eines mittels separater Einrichtungen verstellbaren Kippsegmentlagers entsprechend der Fig. 6.

Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.

In der Fig. 1 ist ein Kippsegmentlager 10 zur radialen Lagerung einer Welle 1 in einer Längsachse 2 der Welle 1 dargestellt. Das Kippsegmentlager 10 weist einen Lagerring 1 1 bzw. ein Gehäuse 12 auf, das eine kreisförmige Ausnehmung 13 mit einem Radius R hat. Radial innerhalb der Ausnehmung 13 sind beispielhaft drei identisch ausgebildete Kippsegmente 15 bis 17 angeordnet. Die Kippsegmente 15 bis 17 weisen jeweils auf der der Ausnehmung 13

abgewandten Seite eine Lagerfläche 18 auf, die in Wirkverbindung bzw. in Anlagekontakt mit dem Außenumfang der Welle 1 angeordnet ist. Zwischen den Lagerflächen 18 der Kippsegmente 15 bis 17 und dem

Außenumfang der Welle 1 ist ein Lagerspalt 3 ausgebildet, der entweder in Umfangsrichtung betrachtet konstant ist, oder durch einen geringfügig größeren Radius der Lagerflächen 18 gegenüber dem Radius der Welle 1 geringfügig sicherförmig ausgebildet ist.

Auf der der Ausnehmung 13 zugewandten Seite weisen die Kippsegmente 15 bis 17 gekrümmte Außenflächen 19 mit einem Radius r auf, der etwas geringer ist als der Radius R der Ausnehmung 13. Die Bogenlänge der im Querschnitt ringabschnittförmig ausgebildeten Kippsegmente 15 bis 17 beträgt etwas weniger als 120° in Umfangsrichtung betrachtet, sodass zwischen den einzelnen

Kippsegmenten 15 bis 17 jeweils Spalte 21 ausgebildet sind. Die Kippsegmente 15 bis 17 sind im Bereich von Lagerstellen 23 jeweils kippbar angeordnet. Die Lagerstellen 23 werden jeweils durch ein von dem Kippsegment 15 bis 17 sowie dem Lagerring 1 1 separates Element 25 gebildet. Die Anordnung der Elemente 25 zwischen dem Lagerring 1 1 und den Kippsegmenten 15 bis 17 erfolgt im Bereich von jeweils gekrümmt ausgebildeten Aufnahmen 26, 27 im Bereich der Ausnehmung 13 des Lagerrings 1 1 bzw. im Bereich der Umfangsflächen 19 des jeweiligen Kippsegments 15 bis 17. Dabei ist die Aufnahme 27 des

Kippsegments 15 bis 17 in Bezug auf die Umfangsrichtung des Kippsegments 15 bis 17 außermittig angeordnet.

Im Ausführungsbeispiel weisen die beiden Aufnahmen 26 und 27 jeweils einen teilkreisförmigen Querschnitt und das Element 25 einen zylindrischen Querschnitt auf, wobei der Durchmesser der Aufnahmen 26, 27 ist etwas größer als der Durchmesser des Elements 25.

Das Element 25 ist beispielsweise als Zylinderstift mit über seine axiale Länge konstantem Querschnitt ausgebildet. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das Element 25 in Längsrichtung betrachtet ballig ausgebildet ist, d.h., dass sich der Durchmesser d des Elements 25 im Bereich dessen Stirnseiten

(geringfügig) verringert. Zwischen dem Element 25 und den Aufnahmen 26, 27 im Lagerring 1 1 bzw. dem Kippsegment 15 bis 17 ist jeweils ein linienförmiger Anlagekontakt im Bereich einer Berührlinie 28, 29 ausgebildet, die senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 1 verläuft. Die Elemente 25 dienen der Einstellung des Lagerspalts 3, d.h. des Abstands zwischen den Laufflächen 18 der Kippsegmente 15 bis 17 und dem

Außenumfang der Welle 1 sowie die Einstellung bzw. Positionierung der Kippsegmente 15 bis 17 in Bezug auf die Längsachse 2 der Welle 1 , falls die Längsachse 30 des Lagerrings 1 1 nicht mit der Längsachse 2 der Welle 1 fluchtet. Dabei kann es insbesondere vorgesehen sein, dass die Elemente 25 unterschiedliche Durchmesser d aufweisen können.

Das in der Fig. 2 dargestellte Kippsegmentlager 10a unterscheidet sich von dem Kippsegmentlager 10 dadurch, dass im Bereich der Aufnahmen 26a des

Lagerrings 1 1 a jeweils zwei flache bzw. plättchenförmige Bauteile 31 , 32 angeordnet sind, die beispielsweise formschlüssig in einer entsprechend angepassten Aufnahme 26a angeordnet sind. Die beiden Bauteile 31 , 32 weisen jeweils ebene Anlageflächen 33, 34 für das Element 25 auf, wobei die

Anlageflächen 33, 34 V-förmig zueinander angeordnet sind. Dadurch ergeben sich an den Bauteile 31 , 32 bzw. den Anlageflächen 33, 34 zwei Berührlinien 35,

36 zum Element 25, die eine Drehung des Elements 25 um dessen Längsachse

37 verhindern. Sowohl bei dem Kippsegmentlager 10, als auch bei dem Kippsegmentlager 10a kann es vorgesehen sein, dass der Lagerring 1 1 , 1 1 a, die Kippsegmente 15 bis 17 sowie die Elemente 25 aus Materialien mit unterschiedlichen

Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen. In der Fig. 3 ist stark vereinfacht eine Maschine 100 in Form eines Kompressors

101 dargestellt. Der Kompressor 101 weist eine Welle 40 auf, die in einer Längsachse 41 drehbar gelagert ist. Die Welle 40 trägt an ihrem einen Ende ein Verdichterrad 42 und ist an einem in axialer Richtung in Bezug auf die

Längsachse 41 benachbarten Bereich des Verdichterrads 42 in einem Axiallager 45 in Längsrichtung gelagert. Die Welle 40 wird mittels eines Motors 50 angetrieben, wobei die Welle 40 beidseitig des Motors 50 in zwei

Kippsegmentlagern 10 oder 10a gelagert ist.

In der Fig. 4 ist die Maschine 100 bzw. der Kompressor 101 nochmals ohne Welle 40 sowie ohne Verdichterrad 42 dargestellt. Hierbei erkennt man eine Mittellinie 51 , die die Längsachsen der Kippsegmentlager 10, 10a in idealer Ausrichtung zur Längsachse 41 der Welle 40 zeigen sowie zwei Linien 52, 53, die die Toleranzzone für die Koaxialitat der beiden Kippsegmentlager 10, 10a zur Lagerung der Welle 40 zeigen. Um die Längsachsen der beiden

Kippsegmentlager 10, 10a diesbezüglich einzustellen, können die

Kippsegmentlager 10, 10a insbesondere bei einer nicht koaxialen Anordnung, mit unterschiedlichen Durchmessern d aufweisenden Elementen 25 bestückt sein. Weiterhin ist ein Winkel α dargestellt, der die Lage zwischen dem Axiallager 45 und den beiden Kippsegmentlager 10, 10a charakterisiert. Zur Einstellung des Winkels a, der zur Reibungsminimierung typisch erweise 90° betragen soll, können die Durchmesser d der Elemente 25 der Kippsegmentlager 10, 10a ebenfalls unterschiedliche Durchmesser d aufweisen bzw. angepasst sein.

In der Fig. 5 ist ein Kippsegmentlager 10b im Halbschnitt unter Verwendung von modifiziert ausgebildeten Elementen 25b dargestellt. Die Elemente 25b weisen jeweils einen Kanal in Form einer Durchgangsbohrung 60 in Längsrichtung auf, die von einem Fluid bzw. einem Kühlmedium durchströmbar sind, was durch die Strömungspfeile 61 verdeutlicht sein soll. Anhand der Fig. 5 ist darüber hinaus die ballige Ausbildung der Elemente 25b an ihrem Außendurchmesser im

Bereich der Stirnseiten 62, 63 der Elemente 25b erkennbar, in deren Bereich der Durchmesser d geringfügig gegenüber dem mittleren, zylindrischen Bereich verringert ist.

In der Fig. 6 ist ein abgewandeltes Kippsegmentlager 10c dargestellt, das Elemente 25c aufweist. Die Elemente 25c sind entsprechend der Darstellung der Fig. 7 mit einem mittleren Abschnitt 71 und beidseitig des mittleren Abschnitts 71 jeweils eines sich in Längsrichtung anschließenden äußeren Abschnitts 72 ausgebildet. Die Abschnitte 71 , 72 sind jeweils zylindrisch ausgebildet, wobei der Abschnitt 71 einen Durchmesser di aufweist, der größer ist als der Durchmesser Ö2 der Abschnitte 72. Wesentlich dabei ist, dass die Längsachsen der beiden Abschnitte 71 , 72 exzentrisch zueinander angeordnet sind, wobei beispielhaft die

Exzentrizität das Maß (di - d2) 2 beträgt.

Der mittlere Abschnitt 71 ist innerhalb eine senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 6 angeordneten Erweiterung der Aufnahme 26 aufgenommen, so dass der mittlere Abschnitt 71 in dem Lagerring 1 1 in axialer Richtung formschlüssig aufgenommen ist. Die beiden äußeren Abschnitte 72 sind ebenfalls im Bereich der Aufnahme 26 des Lagerrings 1 1 angeordnet. Einer der äußeren Abschnitte 72 ist entsprechend der Darstellung der Fig. 8 über eine Antriebsstange 75 mit einem Versteilantrieb 76 gekoppelt, die als externe Mittel eine Verdrehung des Elements 25c im Bereich der Lagerstelle 26 ermöglichen. Dadurch wird auch die Position des Elements 25c in der Aufnahme 26 verändert, um beispielsweise während des Betriebs einer Maschine 100 den Lagerspalt 3 zwischen den Kippsegmenten 15 bis 17 und der zu lagernden Welle 1 einzustellen. Hierzu kann es darüber hinaus entsprechend der Darstellung der Fig. 8 vorgesehen sein, dass Sensormittel 80 zur Erfassung wenigstens eines Betriebsparameters des Kippsegmentlagers 10c bzw. der Maschine 100 vorgesehen sind, die mit einer Reglereinheit 90 gekoppelt sind, welche wiederum die einzelnen

Stellantriebe 76 ansteuert.

Die soweit beschriebenen Kippsegmentlager 10, 10a bis 10c können in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Insbesondere soll die Verwendung der Kippsegmentlager 10, 10a bis 10c nicht auf Kompressoren 101 beschränkt sein.