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Die
Erfindung betrifft einen für
eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges bestimmten Lader,
insbesondere Abgasturbolader, mit einer Lageranordnung umfassend
ein stationäres
Gehäuse
und ein relativ zu dem Gehäuse
beweglich angeordnetes Wellenlager, welches seinerseits eine Welle
des Laders rotationsbeweglich aufnimmt. Weiterhin betrifft die Erfindung
ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Lageranordnung.
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Bei
Anwendungen zur Lagerung mit hoher Drehzahl rotierender Wellen,
wie zum Beispiel bei einem Abgasturbolader, erfolgt der Einsatz
des Wellenlagers üblicherweise
in einer schwimmenden Anordnung als eine zwischen der Welle und
dem Lagergehäuse
mitdrehende Lagerbuchse.
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Ein
Schmiermittel erzeugt im Betrieb des Abgasturboladers einen hydrodynamischen
Film an den Grenzflächen
zwischen dem Wellenlager und der Welle einerseits und zwischen dem
Wellenlager und dem Gehäuse
andererseits. Hieraus resultiert die gewünschte Dämpfung der rotierenden Welle.
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Aufgrund
des geringeren radialen Spaltmaßes
zwischen dem Wellenlager und der Welle und zwischen dem Wellenlager
und dem Gehäuse
führen die
viskosen Widerstands- bzw. Verzögerungskräfte zu einem
Drehimpuls des schwimmenden Wellenlagers, welches so seinerseits
in eine Rotation versetzt wird.
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Während ein
gewisser Drehzahlbereich für das
schwimmende Wellenlager erforderlich ist, um einem erhöhten Verschleiß an den
Grenzflächen
zwischen dem Wellenlager und der Welle und zwischen dem Wellenlager
und dem Gehäuse
vorzubeugen, nähert
sich die Drehzahl des Wellenlagers bei sehr hohen Drehzahlen derjenigen
der Weile in unerwünschter
Weise an. Bei solchen hohen Drehzahlen des schwimmenden Wellenlagers
ist jedoch die Gefahr, dass gefährliche
selbsterregte Schwingungen entstehen, nicht zuverlässig auszuschließen. Diese werden
durch einen Wirbel in dem Schmierfilm hervorgerufen und sind in
der Praxis unter den Begriffen Halbfrequenzwirbel, oil-whirl und
oil-whip bekannt. Durch die damit einhergehende verminderte Dämpfung und
Steifigkeit der Wellenbewegung kann es letztlich zu einem erhöhten Verschleiß bzw. Abrieb
an der Grenzfläche
zwischen dem Wellenlager und der Welle kommen.
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Um
diesem Problem entgegenzuwirken weist ein Dreh- bzw. Wellenlager
zur Verwendung bei einem Turbolader gemäß der
DE 195 39 678 A1 eine freischwimmende
Buchse auf, die drehbar zwischen einer Welle und einem Gehäuse angeordnet
ist. In einem Ausführungsbeispiel
ist ein einzelner Ölspeisedurchlass
in dem Gehäuse
und eine Anzahl von radial angeordneten Ölübertragungsdurchlässen in
der frei schwimmenden Buchse vorgesehen. Der Winkel des Gehäusedurchlasses
relativ zu den Buchsendurchlässen
ist so gewählt,
dass das zwischen den Durchlässen
strömende Öl einen
Drehimpuls bzw. ein Drehmoment an das Lager bzw. die Buchse entgegengesetzt
zu der Wellendrehung überträgt bzw. erzeugt,
um die Drehgeschwindigkeit des Lagers bzw. der Buchse zu verlangsamen.
Alternativ kann der Gehäusedurchlass
radial angeordnet sein und die Buchsendurchlässe können unter einem Winkel relativ
zu dem Gehäusedurchlass
geneigt sein, um ähnlich
einen Drehimpuls auf das schwimmende Lager bzw. Buchse in einer
Richtung entgegengesetzt zu der Drehrichtung der Welle zu übertragen,
oder sowohl der Gehäusedurchlass
als auch die Buchsendurchlässe
können
geneigt sein, und zwar relativ zueinander, um einen Drehimpuls bzw.
ein Drehmoment an die Buchse in einer Richtung entgegengesetzt zu
der Drehrichtung der Welle zu übertragen bzw.
zu erzeugen.
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Auf
diese Weise kann also die Drehgeschwindigkeit der Buchse verringert
werden, während
die Dämpfung
und die Steifigkeit der Wellenbewegung aufrechterhalten wird, und
zwar ohne den Verschleiß an
den Grenzflächen
zwischen dem Wellenlager und der Welle und zwischen dem Wellenlager
und dem Gehäuse
zu erhöhen.
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Zur
Vermeidung der oil-whirl und oil-whip- Effekte und damit zur Reduzierung
unerwünschter Schwingungen
und Geräuschentwicklungen
bei einem Turbolader schlägt
die
JP 2002213450
A vor, an der Außenfläche des
Wellenlagers eine sich in Achsrichtung erstreckende nutenförmige Ausnehmung und
zusätzlich
Durchbrechungen zwischen der Außenfläche und
der Innenfläche
des Wellenlagers vorzusehen. Auf diese Weise soll der Schmierfilm
stabilisiert werden.
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Als
nachteilig erweist sich bei den vorstehend beschriebenen Maßnahmen
der vergleichsweise hohe Aufwand für die Bearbeitung der Bauelemente
der Lageranordnung, insbesondere des Wellenlagers.
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Aus
dem Stand der Technik sind außerdem auch
so genannte Mehrflächen-Radiallager
bekannt, deren charakteristisches Merkmal die von üblichen zylindrischen
Gleitlagern abweichende, unrunde Form der Lagerbohrung darstellt.
Diese Lagerbohrung besteht aus zwei oder mehr Gleitflächen, insbesondere
Kreisbögen.
Der Radius der Grundflächen ist
um einen bestimmten Betrag größer als
derjenige der Welle. Durch diese Radiendifferenz entsteht in jedem
Kreisbogen ein Keilspalt, der jeweils mit seiner größten Weite
an einer axial eingearbeiteten Schmiernut beginnt und dessen engste
Stelle meist in der Mitte der Gleitfläche liegt. Bei einsetzender Drehbewegung
der Welle wird das Schmiermittel infolge seiner Haftwirkung in den
in Drehrichtung verengten Schmierspalt gezogen. Zwischen Welle und Lager-innenschale
baut sich ein Druckberg auf, sodass die Welle von der Lagerschale
abhebt und die Welle im Bereich der hydrodynamischen Schmierung läuft.
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Ein
solches in einem Getriebe einsetzbares Mehrflächen-Radiallager beschreibt
auch bereits die
DE
101 42 303 A1 , welches zum Lagern einer Welle des Getriebes
bestimmt ist. Das Lager hat eine im Wesentlichen elliptische innere
Umfangsfläche,
an der weiterhin wenigstens zwei schmierende Harzelemente vorgesehen
sind, die sich in Axialrichtung erstrecken.
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Eine
elliptische Formgebung der Kontaktfläche zwischen einem inneren
Stator und einer inneren Oberfläche
eines Rotors zur Anwendung bei Gas- oder Dampfturbinen wird gemäß der
EP 15 41 807 A2 dadurch
erreicht, dass auf die innere Oberfläche eine Sprühschicht
aufgebracht wird, deren Dicke über
den Umfang variiert und damit zu dem erwünschten uneinheitlichen Spaltmaß führt.
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Die
DE 195 19 798 A1 offenbart
ferner ein Verfahren zur Herstellung geteilter Lager, die beispielsweise
als Träger
für Maschinenkurbelwellen, für Endbereiche
von Pleuelstangen und ähnlichem benutzt
werden. Dabei wird ein Lagerring in Spannbacken eingespannt, um
auf die Außenfläche Druck auszuüben. Dabei
wird im gleichen Ausmaß dimensionsgerecht
und elastisch eine Verformung in eine ellipsoide Form erzielt. In
diesem Zustand wird die Lauffläche
des Lagerrings in Form eines echten Kreises geschliffen. Nach dem
Schleifen wird die Druckkraft auf die Spannbacken entfernt, woraufhin
sich der Lagerring im Ausmaß der
entsprechenden elastischen Verformung zurückstellt, wodurch die Lauffläche des
Lagerrings eine ellipsoide Form einnimmt.
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Vor
diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen
für eine
Brennkraftmaschine bestimmten Lader der eingangs genannten Art derart
auszuführen,
dass unerwünschte
Schwingungen vermieden werden. Insbesondere soll die Drehzahl des
Wellenlagers auch bei hohen Drehzahlen wesentlich geringer sein
als die Drehzahl der Welle. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, ein einfaches Verfahren zur Herstellung einer solchen
Lageranordnung zu schaffen.
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Die
erstgenannte Aufgabe wird gelöst
mit einem Lader gemäß den Merkmalen
des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche 2 bis 8 betreffen besonders
zweckmäßige Weiterbildungen
des Laders.
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Erfindungsgemäß ist also
ein Lader mit einer Lageranordnung vorgesehen, bei der das Wellenlager
in Bezug auf die Welle als ein Mehrflächenlager ausgeführt ist.
Durch die Kombination des mitdrehenden Wellenlagers mit einem äußeren Dämpfungsspalt
zwischen dem Wellenlager und dem Gehäuse und dem Mehrflächenlager
zwischen dem Wellenlager und der Welle wird in überraschend einfacher Weise
eine wesentliche Minimierung von unerwünschten selbsterregten Schwingungen
des Lader-Rotors durch eine optimale Kombination einer großen Lagersteifigkeit
und einer großen
Lagerdämpfung
erreicht. Die Umlaufdrehzahl des Wellenlagers stellt sich im Betrieb
automatisch als Funktion der Viskosität des Schmiermittels in den
Spalten zwischen dem Wellenlager und der Welle und zwischen dem
Wellenlager und dem Gehäuse
selbsttätig
ein. Bei einer relativ niedrigen Wellendrehzahl rotiert das Wellenlager
mit bis zu 50% der Wellendrehzahl. Bei hohen Wellendrehzahlen bis
zu 100.000 U/min sinkt dieses Verhältnis deutlich unter 50%. Das
Wellenlager erreicht hingegen in keinem Betriebszustand die Wellendrehzahl.
Vorteilhaft wirkt sich bei niedrigen Temperaturen, beispielsweise
bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine die gegenüber der
Betriebstemperatur erhöhte
Drehzahl des Wellenlagers in Folge der temperaturabhängigen Viskosität des Schmiermittels
aus. Damit werden zugleich Geräuschbelästigungen
und die Ausfallgefahr durch mechanische Schwingungen des die Welle
aufweisenden Rotors wesentlich vermindert.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird auch dadurch erreicht, dass das
Wellenlager in Bezug auf das Gehäuse
konzentrisch ausgeführt
ist. Hierdurch wird ein einfacher Weise eine freie Drehbeweglichkeit
des konzentrisch zu der Gehäuseinnenfläche ausgeführten Außenfläche des
Wellenlagers erreicht. Das Drehzahlverhältnis des Wellenlagers gegenüber der Welle
stellt sich somit in Abhängigkeit
der viskosen Eigenschaften des Schmiermittels ein, wobei selbstverständlich eine
entsprechende Oberflächenbeschaffenheit
des Wellenlagers oder der Innenfläche des Gehäuses die selbsttätige Einstellung
der Drehzahl begünstigen
kann.
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Eine
andere, ebenfalls besonders vorteilhafte Ausführungsform wird auch dadurch
erreicht, dass das Wellenlager eingeschränkt radial und schwenkbeweglich
gegenüber
dem Gehäuse
ausgeführt
ist. Hierzu wird das Wellenlager mittels einer Spielpassung in das
Lagergehäuse
eingesetzt und gegen Verdrehen beispielsweise mittels eines gegen
einen Vorsprung anlegbaren Anschlages oder eine unrunden Formgebung
des Wellenlagers und des Gehäuses gesichert,
so dass eine freie Rotationsbeweglichkeit des Wellenlagers ausgeschlossen
ist, wohingegen eine radiale Beweglichkeit entsprechend der Abmessung
des Spaltes zwischen dem Wellenlager und dem Gehäuse gegeben ist. Durch diese
konstruktive Maßnahme
werden die Vorteile der konventionellen Lagerung des schwimmenden
Wellenlagers mit denen der Mehrflächenlager durch eine große Lagersteifigkeit
und zugleich große
Dämpfung
in optimaler Weise vereint.
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Besonders
zweckmäßig ist
dabei auch eine Weiterbildung, bei der das Wellenlager ausschließlich radial
gegenüber
dem Gehäuse
beweglich ausgeführt
ist, um so die Beweglichkeit des Wellenlagers auf einen einzigen
Freiheitsgrad zu beschränken. Das
Wellenlager kann zu diesem Zweck beispielsweise eine am äußeren Umfang
in Achsrichtung verlaufende Keilnut oder einen Vorsprung aufweisen.
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Eine
andere, besonders einfache Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung
wird dadurch erreicht, dass das Wellenlager zur Begrenzung der Drehbeweglichkeit
zumindest eine am äußeren Umfang
umlaufende Nut aufweist, in welche ein das Wellenlager mit dem Gehäuse verbindendes
Sperrmittel eingreift, so dass die im Wesentlichen drehfeste Anordnung
des Wellenlagers in dem Gehäuse
mit einem vergleichsweise geringen Aufwand erreicht werden kann.
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Das
Mehrflächenlager
könnte
sich über
die gesamte axiale Erstreckung der Lageranordnung erstrecken. Besonders
zweckmäßig ist
hingegen eine Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Laders, bei
der das Wellenlager als ein Hohlkörper mit zwei an einander gegenüberliegenden
Endabschnitten radial nach innen vorspringenden Mehrflächenlager ausgeführt ist,
so dass der Herstellungs- und Bearbeitungsaufwand durch die Beschränkung auf
zwei einzelne Bereiche vermindert wird.
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Grundsätzlich ist
zum Einsatz als Mehrflächenlager
jede unrunde, also von der Kreisform abweichende Beschaffenheit
der Innenfläche
des Wellenlagers denkbar. Eine besonders Erfolg versprechende Weiterbildung
wird hingegen dann erreicht, wenn das Mehrflächenlager 2-flächig
oder 3-flächig ausgeführt ist,
wobei die jeweiligen Flächenmitten über den
Umfang der Innenfläche
gleichverteilt angeordnet sind. Dabei ist in Richtung der Lagerachse
ein spiralförmiger
Verlauf der einzelnen Flächen
ebenso denkbar wie nutenförmige
Ausnehmungen an der Innenfläche
zur Realisierung des Mehrflächenlagers.
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Weiterhin
erweist es sich als besonders praxisnah, wenn das Wellenlager eine
radiale Durchbrechung für
eine Schmiermittelzufuhr aufweist, um so in einfacher Weise durch
einen veränderlichen Schmiermitteldruck
die viskosen Eigenschaften des Schmiermittels entsprechend der jeweiligen
Betriebsbedingungen des Laders gezielt einstellen zu können.
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Die
zweitgenannte Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen
Lageranordnung zu schaffen, wird erfindungsgemäß dadurch realisiert, dass
das Wellenlager durch zumindest eine vorübergehende Verformungskraft
mit radialer Wirkrichtung in Bezug auf das Wellenlager elastisch
verformt wird und eine Bohrung in das verformte Wellenlager eingebracht
wird. Hierdurch wird in einfacher Weise eine unrunde und zugleich
symmetrische Formgebung der inneren Durchbrechung des Wellenlagers
mittels der Bohrung im elastisch verformten Zustand erreicht, wobei
der Krümmungsradius
der einzelnen Lagerflächen
des Mehrflächenlagers
durch den Grad der elastischen Verformung bestimmt werden kann.
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Dabei
ist es auch besonders vorteilhaft, wenn die Verformungskraft durch
drei in radialen Richtungen, am Umfang gleich verteilt wirkende
Kräfte
aufgebracht wird, um so in einfacher Weise ein 3-flächiges Mehrflächenlager
herzustellen.
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Dabei
ist es selbstverständlich
ebenso realisierbar, dass die Verformungskräfte am Umfang des Wellenlagers
in Richtung der Längsachse
in unterschiedlichen Positionen angreifen, um so beispielsweise
einen spiralförmigen
Verlauf der Verformungskraft und damit eine homogene Krafteinleitung
zu ermöglichen.
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Die
Erfindung lässt
zahlreiche Ausführungsformen
zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon
in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese
zeigt in
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1 eine
Schnittdarstellung einer Lageranordnung eines erfindungsgemäßen Laders;
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2 eine
Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform einer Lageranordnung;
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3 eine
Prinzipdarstellung der Verfahrensschritte zur Herstellung einer
Lageranordnung.
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1 zeigt
ausschnittsweise einen für
eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges bestimmten, als Abgasturbolader
ausgeführten
Lader 1 mit einer Lageranordnung 2. Die Lageranordnung 2 hat
ein stationäres
Gehäuse 3 und
zwei übereinstimmende, relativ
zu dem Gehäuse
beweglich angeordnete, durch einen Distanzring 4 verbundene
Wellenlager 5. Jedes Wellenlager 5 nimmt seinerseits
eine Welle 6 des Laders 1 rotationsbeweglich in
einer Durchbrechung auf. Das Gehäuse 3 ist
mit einer Schmiermittelzufuhr 7 ausgestattet, durch welche
einer jeweiligen radialen Durchbrechung 8 des Wellenlagers 5 der
Lageranordnung 2 ein Schmiermittel zugeführt wird,
um so durch die Auswahl der geeigneten Druckverhältnisse zugleich die gewünschte viskose
Eigenschaft des Schmiermittels einstellen zu können.
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Demgegenüber ist
in 2 eine abgewandelte Ausführungsform einer Lageranordnung 9 in
einer längs
geschnittenen Ansicht sowie in einer Seitenansicht dargestellt.
in ein lediglich andeutungsweise dargestelltes Gehäuse 10 ist
dabei ein nicht rotationssymmetrisches Wellenlager 11 entsprechend einem
zwischen dem Wellenlager 11 und dem Gehäuse 10 eingeschlossenen
Spalt 12 drehfest und zugleich eingeschränkt radial
beweglich angeordnet. Hierzu weist das Wellenlager 11 zur
Begrenzung der Drehbeweglichkeit zumindest eine am äußeren Umfang
umlaufende Nut 13 auf, in welche ein das Wellenlager 11 mit
dem Gehäuse 10 verbindendes,
nicht gezeigtes Sperrmittel eingreift. Das Wellenlager 11 nimmt
seinerseits die Welle 6 rotationsbeweglich auf, wobei das
Wellenlager 11 in Bezug auf die Welle 6 als ein
mit drei übereinstimmenden
Lagerflächen 14a, 14b, 14c ausgestattetes
Mehrflächenlager 14 ausgeführt ist.
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Die
einzelnen Verfahrensschritte zur Herstellung eines Mehrflächenlagers 15 für eine Lageranordnung
eines Laders ist in 3 anhand von vier Bearbeitungsschritten
am Beispiel eines 2-flächigen Mehrflächenlagers 15 gezeigt.
Ausgehend von dem Wellenlager 11 mit einer konzentrischen
Bohrung 16 wird in einem ersten Bearbeitungsschritt eine
betragsmäßig übereinstimmende
Verformungskraft F mit gegenüberliegenden
Wirkrichtungen auf das Wellenlager 11 aufgebracht und dieses
dadurch elastisch verformt. Die nunmehr ebenfalls elliptisch verformte Bohrung 16 wird
anschließend
derart insbesondere durch Aufbohren nachbearbeitet, dass die Bohrung 16 eine
Kreisform erhält.
Im letzten Schritt ergibt sich daraus im unbelasteten Zustand des
Wellenlagers 11 eine elliptische Geometrie der Bohrung 16 mit
zwei übereinstimmenden
Lagerflächen 15a, 15b,
während eine
Außenfläche 17 des
Wellenlagers 11 die ursprüngliche, kreisförmige Querschnittsform
einnimmt.