Titel

Kippsegmentlager

Die Erfindung betrifft ein Kippsegmentlager mit Kippsegmenten, die in einem Gehäusekörper kippbar positioniert sind, um im Betrieb des Kippsegmentlagers konvergierende Lagerspalte zwischen den Kippsegmenten und einem um eine Drehachse drehbar gelagerten Rotorkörper zu erzeugen.

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.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 102017202 740 Al ist ein Kippsegmentlager mit zumindest einem Kippsegment und einem Lagergrundkörper bekannt, wobei zwischen dem Kippsegment und dem Lagergrundkörper ein Dämpferelement angeordnet ist.

Offenbarung der Erfindung Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kippsegmentlager mit Kippsegmenten, die in einem Gehäusekörper kippbar positioniert sind, um im Betrieb des Kippsegmentlagers konvergierende Lagerspalte zwischen den Kippsegmenten und einem um eine Drehachse drehbar gelagerten Rotorkörper zu erzeugen, funktionell zu verbessern.

Die Aufgabe ist bei einem Kippsegmentlager mit Kippsegmenten, die in einem Gehäusekörper kippbar positioniert sind, um im Betrieb des Kippsegmentlagers konvergierende Lagerspalte zwischen den Kippsegmenten und einem um eine Drehachse drehbar gelagerten Rotorkörper zu erzeugen, durch mindestens eine Wärmeleiteinrichtung gelöst, die mindestens eines der Kippsegmente thermisch direkt oder indirekt so mit dem Gehäusekörper verbindet, dass ein Wärmetransport zwischen dem Kippsegment über die Wärmeleiteinrichtung in den Gehäusekörper oder in umgekehrter Richtung ermöglicht wird, wobei die Wärmeleiteinrichtung so ausgeführt und angeordnet ist, dass im Betrieb des Kippsegmentlagers erwünschte Bewegungen des Kippsegments nicht oder nur unwesentlich beeinträchtigt werden. 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 können zum Beispiel durch eine Federeinrichtung und/oder einen Käfig relativ zueinander so positioniert und gehalten werden, dass sie im Betrieb des Kippsegmentlagers auftretende Kippbewegungen ausführen können. Die Kippsegmente sind jeweils um einen sogenannten Pivotpunkt beziehungsweise eine Pivotachse oder Kippachse kippbar. Es können auch Wälzkörper verwendet werden, um die Kippbewegungen der Kippsegmente zu ermöglichen. An den Kippsegmenten kann aber auch eine geeignete Wälzkontur vorgesehen sein, um die Kippsegmente in dem Radiallager radial punktuell oder linienförmig abzustützen. Thermisch direkt bedeutet im Hinblick auf die thermische Anbindung der Wärmeleiteinrichtung an den Gehäusekörper, dass die Wärmeleiteinrichtung zum Beispiel über mindestens eine Wärmeleitfläche wärmeleitenden Kontakt zu dem Gehäusekörper hat. Thermisch indirekt bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Wärmeleiteinrichtung mit der Wärmeleitfläche nicht unmittelbar an dem Gehäusekörper, sondern an einem Zwischenkörper anliegt, der zwischen dem Kippsegment und dem Gehäusekörper angeordnet ist. Der Zwischenkörper wiederum umfasst dann vorteilhaft eine Wärmeleitfläche, die an dem Gehäusekörper anliegt. Über die Wärmeleiteinrichtung kann im Betrieb des Kippsegmentlagers, insbesondere bei hohen Drehzahlen und hohen Lasten, hocheffektiv Wärme abgeführt werden.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleiteinrichtung mindestens einen Wärmeleitkörper aus einem biegeweichen und gut wärmeleitenden Material umfasst. Bei dem biegeweichen und gut wärmeleitenden Material handelt es sich zum Beispiel um Aluminium, Kupfer oder Graphit. Der Wärmeleitkörper ist vorteilhaft in der Nähe des Kipppunkts beziehungsweise der Kippachse des jeweiligen Kippsegments angeordnet. Das liefert den Vorteil, dass Bewegungen im Betrieb des Kippsegments nur in einem geringen Umfang eingeschränkt werden.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeleitkörper mit mindestens einer ersten Wärmeleitfläche an dem Kippsegment und mit mindestens einer zweiten Wärmeleitfläche an dem Gehäusekörper oder an einem Zwischenkörper anliegt, der zwischen dem Kippsegment und dem Gehäusekörper angeordnet ist. Bei dem Zwischenkörper handelt es sich zum Beispiel um einen Käfig, der zur Positionierung der Kippsegmente oder zur Positionierung von Wälzkörpern dient, mit deren Hilfe die Kippsegmente kippbar in dem Gehäuse positioniert sind. Der Zwischenkörper beziehungsweise der Käfig ist vorteilhaft radial außen mit Wärmeleitflächen ausgestattet, mit denen der Käfig direkten Kontakt an entsprechenden Wärmeleitflächen hat, die dann vorteilhaft innen an dem Gehäusekörper vorgesehen sind. Der Gehäusekörper umfasst zur Aufnahme der Kippsegmente zum Beispiel eine kreiszylinderförmige Aufnahme, die als Bohrung ausgeführt sein kann.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeleitkörper einen Querschnitt aufweist, der groß genug ist, um einen geringen thermischen Widerstand des Wärmeleitkörpers zwischen der ersten und der zweiten Wärmeleitfläche sicherzustellen. So wird auf einfache Art und Weise erreicht, dass ein ausreichender Wärmetransport über den Wärmeleitkörper stattfinden kann. Der Wärmeleitkörper kann gegebenenfalls auch aus einem flexiblen Wärmeleitkleber gebildet sein beziehungsweise mit einem derartigen flexiblen Wärmeleitkleber kombiniert sein. Der Wärmeleitkleber wird bei der Montage zum Beispiel auf den Wärmeleitkörper beziehungsweise den Gehäusekörper oder Zwischenkörper aufgebracht.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeleitkörper Federeigenschaften aufweist. So kann der Wärmeleitkörper zur Darstellung einer Vorspannung zwischen dem Kippsegment und dem Gehäusekörper beziehungsweise dem Zwischenkörper genutzt werden.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeleitkörper Klebereigenschaften aufweist. Dadurch wird die Befestigung des Wärmeleitkörpers erheblich vereinfacht. Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeleitkörper aus einem Blechmaterial gebildet ist. Über entsprechend gestaltete Leitbleche und/oder Leitfolien kann auf einfache Art und Weise eine gewünschte Ableitung der Wärme sichergestellt werden. Entsprechend gebogene Blechstreifen oder Folien können innen, seitlich oder außen mit einem Käfig und/oder mit dem Gehäusekörper verbunden sein. Durch diese Maßnahmen kann ein direkter Wärmeabfluss an eine kühlere Komponente erfolgen. Der Wärmeleitkörper aus dem Blechmaterial kann vorteilhaft eine Krümmung aufweisen, zum Beispiel in einer C-Form oder in einer S-Form. Die Gestalt der Krümmung der Blechstreifen ist dabei unerheblich. Wesentlich ist, dass der damit erzeugte thermische Pfad über den Wärmeleitkörper möglichst kurz ist und einen möglichst großen Querschnitt aufweist.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeleitkörper aus einem Folienmaterial gebildet ist. Der Wärmeleitkörper aus dem Folienmaterial kann vorteilhaft mit bestehenden Käfigstrukturen und/oder Federstrukturen kombiniert werden.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeleitkörper stoffschlüssig mit dem Kippsegment und dem Gehäusekörper oder einem Zwischenkörper verbunden ist, der zwischen dem Kippsegment und dem Gehäusekörper angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich können geeignete Befestigungselemente verwendet werden. Der Wärmeleitkörper kann vorteilhaft auch stoffschlüssig mit dem Kippsegment und/oder dem Gehäusekörper verbunden werden.

Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Wärmeleiteinrichtung, insbesondere einen Wärmeleitkörper, für ein vorab beschriebenes Kippsegmentlager. Die genannten Teile sind separat handelbar.

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 eine perspektivische Darstellung eines Kippsegmentlagers mit drei Kippsegmenten, denen jeweils zwei kugelförmige Wälzkörper zugeordnet sind;

Figur 2 ein ähnliches Kippsegmentlager wie in Figur 1 in einem Querschnitt;

Figur 3 ein Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers aus Figur 2 mit einer Wärmeleiteinrichtung, die sechs Wärmeleitkörper umfasst; und

Figur 4 einen Ausschnitt aus Figur 3 mit einer anderen Wärmeleiteinrichtung, die Wärmeleitkörper aus einem Blechmaterial umfasst.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In den Figuren 1 und 2 ist ein Kippsegmentlager 10 schematisch in verschiedenen Ansichten und Ausführungsbeispielen dargestellt. Zur Bezeichnung gleicher oder ähnlicher Teile werden in den Figuren 1 und 2 die gleichen Bezugszeichen verwendet.

Das Kippsegmentlager 10 ist als Radiallager mit drei Kippsegmenten 1, 2, 3 ausgeführt. Radial innerhalb der Kippsegmente 1, 2, 3 ist ein Rotorkörper 4 um eine Drehachse drehbar gelagert. Bei dem Rotorkörper 4 handelt es sich zum Beispiel um eine Welle oder um einen Wellenabschnitt einer Welle.

Die Kippsegmente 1, 2, 3 sind mit Hilfe von Wälzkörpern 6, 7 jeweils um einen Pivotpunkt beziehungsweise eine Kippachse oder Pivotachse kippbar. Jedem Kippsegment 1, 2, 3 sind zwei Wälzkörper 6, 7 zugeordnet, die als Kugeln ausgeführt sind. Die Kippsegmente 1 bis 3 werden durch eine Federeinrichtung 8 relativ zueinander und zu dem Rotorkörper 4 innerhalb eines Gehäusekörpers 5 positioniert und gehalten. Die Federeinrichtung 8 ist mit einem Käfig 9 kombiniert. Der Käfig 9 umfasst zwei Ringkörper 11, 12. Die Federeinrichtung 8 umfasst drei Federelemente 13, 14, 15. Jedem Federelement 13, 14, 15 ist genau ein Kippsegment 1, 2, 3 zugeordnet.

Die Federelemente 13, 14, 15 sind in axialer Richtung zwischen den beiden Ringkörpern 11, 12 angeordnet. Die Federelemente 13, 14, 15, die Kippsegmente 1, 2, 3 und die Ringkörper 11, 12 sind jeweils gleich ausgeführt. Darüber hinaus sind die vorab genannten Einzelteile konstruktiv einfach aufgebaut und somit kostengünstig herstellbar.

Das Federelement 13 umfasst an seinen in Umfangsrichtung entgegengesetzten Enden jeweils einen Halteabschnitt 16, 17. Mit den Halteabschnitten 16, 17 umgreift das Federelement 13 das zugehörige Kippsegment 1. In axialer Richtung ist das Federelement 13 zwischen den beiden Ringkörpern 11, 12 positioniert. Darüber hinaus weist das Federelement 13 eine Federlasche 18 auf, die radial nach außen gegen den Gehäusekörper 5 vorgespannt ist.

Die Ringkörper 11, 12 umfassen jeweils ein Durchgangsloch 19 zur Aufnahme eines als Kugel ausgeführten Wälzkörpers 6, 7. Die Kugel 6 ist mit Spiel in dem Durchgangsloch 19 aufgenommen, das zum Beispiel als Langloch ausgeführt ist.

Die dargestellten Kippsegmente 1 bis 3 haben einen Innen- und einen Außendurchmesser. Anders als dargestellt, können die Kippsegmente 1 bis 3 auch nahezu beliebige Formen annehmen. Die Kippsegmente 1 bis 3 können, wenn sie zum Beispiel als Ringsegmente ausgeführt sind, kostengünstig durch Auftrennen eines Rings hergestellt werden.

In Figur 2 ist durch Pfeile 21 angedeutet, wie im Betrieb des Kippsegmentlagers 10 auftretende Wärme vom Rotorkörper 4 auf das Kippsegment 1 übertragen wird. Durch einen Doppelpfeil 22 ist angedeutet, dass nur wenig Wärme über den Wälzkörper 7 vom Kippsegment 1 auf den Gehäusekörper 5 übertragen werden kann, und umgekehrt. Durch einen Pfeil 23 ist angedeutet, wie Wärme von der Federeinrichtung 8 über die Federlasche 18 auf den Gehäusekörper 5 übertragen werden kann. In den Figuren 3 und 4 ist gezeigt, wie der Wärmetransport mit Hilfe einer Wärmeleiteinrichtung 24; 25 verbessert werden kann. Die Wärmeleiteinrichtung 24 umfasst insgesamt sechs Wärmeleitkörper 31 bis 36. Die Wärmeleiteinrichtung 25 umfasst in dem in Figur 4 dargestellten Ausschnitt zwei Wärmeleitkörper 51, 52.

In den Figuren 3und 4 ist ein Kippsegmentlager 30 gezeigt, bei dem die Kippsegmente 1 bis 3 nicht mit Hilfe von Wälzkörpern, wie in den Figuren 1 und 2, sondern mit Hilfe einer Wälzkontur 26 kippbar in einem Käfig 29 und mit Hilfe einer Federeinrichtung 28 bewegbar positioniert und gehalten sind.

Die Federeinrichtung 28 umfasst einen geschlossenen Federringkörper 37, der zum Halten der Kippsegmente 1 bis 3 jeweils zwei Halteabschnitte 38, 39 umfasst. Mit den Halteabschnitten 38, 39 umgreift die Federeinrichtung 28 das Kippsegment 1.

Der Käfig 29 umfasst ebenfalls einen geschlossenen Ringkörper. Radial innen liegen die Kippsegmente 1 bis 3 mit ihrer jeweiligen Wälzkontur 26 an dem Käfig 29 an. Radial außen ist der Käfig 29 mit Wärmeleitflächen 41, 42, 43 ausgestattet. Der Käfig 29 stellt einen Zwischenkörper 40 dar, der radial außen über die Wärmeleitflächen 41 bis 43 thermisch an den Gehäusekörper 5 angebunden ist.

Zur thermischen Anbindung der Kippsegmente 1 bis 3 an den Zwischenkörper 40 dienen die Wärmeleitkörper 31 bis 36; 51, 52.

Die Wärmeleitkörper 31 bis 36 in Figur 3 sind als Pads aus einem biegeweichen Material ausgeführt. Jeweils zwei solche Pads sind in der Nähe des jeweiligen Kipppunkts zwischen dem Kippsegment 1 bis 3 und dem Käfig 29 angeordnet. Anders als dargestellt, kann auch mindestens ein Wärmeleitkörper direkt an den Gehäusekörper 5 angebunden sein.

Die in Figur 4 dargestellten Wärmeleitkörper 51, 52 sind als Leitbleche oder Leitfolien ausgeführt. Die Wärmeleitkörper 51, 52 werden über beispielsweise gebogene Blechstreifen oder Folien innen, seitlich oder außen mit dem Käfig 29 oder dem Gehäusekörper 5 verbunden. Durch diese Maßnahme kann ein direkter Wärmeabfluss an eine kühlere Komponente erfolgen.