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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Lageranordnung für eine schnelldrehende
Welle, die über mehren
Wälzlager
gelagert ist, welche jeweils einen Lagerinnenring sowie einen Lageraußenring
aufweisen, zwischen denen Wälzkörper angeordnet
sind. Weiterhin betrifft die Erfindung auch einen Abgasturbolader
für eine
Verbrennungskraftmaschine, dessen Welle mit einer derartigen Lageranordnung
gelagert ist.
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Das
Einsatzgebiet der vorliegenden Erfindung erstreckt sich vornehmlich
auf die Kraftfahrzeugtechnik. Bei Abgasturboladern in Kraftfahrzeugen
wird die das Turbinenrad mit dem Verdichterrad verbindende Welle
mit einer sehr hohen Drehzahl betrieben, und zwar mit bis zu ca.
300.000 1/min. Daneben kann die erfindungsgegenständliche
Lageranordnung auch für
andere schnelldrehende Wellen, beispielsweise Werkzeugmaschinenspindeln
und dergleichen, eingesetzt werden.
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Aus
der
DE 10 2004
061 407 A1 geht eine Lageranordnung für die Welle eines Abgasturbolagers
hervor. Der Abgasturbolader besteht im Wesentlichen aus einem einen
Verdichterrücken
aufweisenden Verdichter und einer einen Turbinenradrücken aufweisenden
Turbine, wobei der Verdichter und die Turbine über die gemeinsame Welle miteinander
verbunden sind, welche über
eine Lageranordnung abgestützt
ist. Die Lageranordnung ist hier nach Art eines berührungslos
funktionierenden aerostatischen Lagers gestaltet und weist insoweit
ein in einer Kammer befindliches Medium auf, welches über eine
erste Eintrittsöffnung
an der Lageranordnung in die Kammer gelangt. Darüber hinaus ist eine zweite Kammer
vorgesehen, wobei der Verdichterradrücken eine erste Kammerwand
der ersten Kammer und der Turbinenradrücken eine erste Kammerwand
der zweiten Kammer bilden. Die Zufuhr des Mediums erfolgt bei diesem
Stand der Technik über
Eintrittsöffnungen,
welche jeweiligen Lagerdeckeln zugeordnet sind.
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Zwar
eignet sich eine solche aerostatische Lageranordnung zur Lagerung
der schnelldrehenden Welle des Abgasturboladers, jedoch ist der
konstruktive Aufwand relativ hoch und es muss insbesondere eine
kontinuierliche Mediumdurchströmung
sichergestellt werden, damit die berührungslose Lagerung zuverlässig funktioniert.
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Aus
der
DE 10 2004
057 138 A1 geht eine andere Lösung für eine Lageranordnung einer schnelldrehenden
Welle eines Abgasturboladers hervor, bei welcher die vorstehend
erläuterte
Problematik dadurch gelöst
wird, dass auf zwei axial voneinander beabstandete Wälzlager
zurückgegriffen
wird. Die Lager sind vorzugsweise am Wellenansatz ausgebildet, wobei
die Lagerinnenringe, insbesondere deren Laufbahnen direkt aus dem
Material des Wellenansatzes herausgearbeitet sind. An der Nabe sind vorzugsweise
Kühlelemente,
wie Kühlrippen,
Kühlschaufeln
und dergleichen ausgebildet, welche zur Kühlung der Welle von einem Kühlfluid
umströmt werden.
Durch diese Maßnahme
wird einem Heißlaufen
der Wälzlager
bei hoben Umdrehungszahlen entgegengewirkt. Die Wälzlager
sind wegen der hohen Beanspruchung vorzugsweise als Hybrid- oder
Vollkeramiklager auszuführen.
Die Summe dieser Konstruktionsmerkmale erzeugt einen recht hohen
Material- und Fertigungsaufwand.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lageranordnung
für eine
schnelldrehende Welle zu schaffen, welche unter minimalem Material-
und Fertigungsaufwand eine zuverlässige Lagerung ermöglicht.
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Die
Aufgabe wird ausgehend von einer Lageranordnung gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen
gelöst.
Die nachfolgenden abhängigen
Ansprüche
geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder. Hinsichtlich
eines Abgasturboladers wird die Aufgabe durch Anspruch 12 gelöst.
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Die
Erfindung schließt
die technische Lehre ein, dass für
zumindest eine Lagerstelle einer schnelldrehenden Welle mindestens
drei vorzugsweise in einer Ebene angeordnete und die Welle umgebende
Wälzlager
vorgesehen sind, deren Lagerinnenringe ortsfest angeordnet sind,
wogegen die je zugeordneten relativ hierzu drehbaren Lageraußenringe
in Kontakt mit der eingeschlossenen Welle kommen, so dass die Welle
die Lageraußenringe
in Drehbewegung versetzt.
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Der
Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt
insbesondere darin, dass als Wälzlager
standardisierte Kugellager, Nadellager, Rolllager oder dergleichen
verwendet werden. Speziallager sind somit entbehrlich. Denn die
erfindungsgemäße Lösung vermeidet
eine hohe thermische und mechanische Beanspruchung der Wälzlager,
in dem die schnelle Drehzahl der Welle nicht auf das Wälzlager übertragen
wird. Vielmehr bewirkt die Reibpaarung zwischen Welle und jedem
Lageraußenring
eine Drehzahlübersetzung
ins Langsame, so dass die bei der erfindungsgemäßen Lösung eingesetzten Wälzlager stets
im unterkritischen Drehzahlbereich betrieben werden.
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Zur
Realisierung der erfindungsgemäßen Lageranordnung
sind vorzugsweise genau drei in einer Ebene angeordnete Wälzlager
vorgesehen, deren Drehachsen in derselben Schnittebene die Eckpunkte
eines gleichseitigen Dreiecks bilden. Somit sollten die Wälzlager
in einem Winkel von ca. 120° zueinander
angeordnet, wobei auf einen ausreichenden Abstand der Lageraußenringe
zueinander zu achten ist. Die vorzugsweise Verwendung von nur drei
Wälzlagern
bewirkt eine stabile Drei-Punkt-Lagerung der hiervon eingeschlossenen
Welle, was ungewolltes Spiel zwischen einem der Lageraußenringe
und der Welle zu vermeiden hilft.
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Vorzugsweise
sollte der Abstand zwischen den Wälzlagern und der hiervon eingeschlossenen Welle
derart bemessen sein, dass sich die Wälzlager an die Welle anpressen.
Hierdurch wird eine Art Vorspannung erzeugt. Somit bildet die Welle
im Zusammenwirken mit den umgebenden Wälzlagern eine leichte Presspassung.
Diese Vorspannung darf natürlich
nicht so groß sein,
dass eine Beschädigung der
Wälzlager,
insbesondere an der Kontaktstelle der Wälzkörper seitens der Lauffläche des
Lagerinnenrings, welche der Welle gegenüberliegt verursacht wird.
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Die
gewünschte
Vorspannung zwischen Wälzlager
und Welle wird gemäß einer
weiteren, die Erfindung verbessernden Maßnahme durch eine elastische
Zwischenschicht erzielt, welche zwischen einem das Wälzlager
tragenden Bolzen und dem Lagerinnenring angeordnet ist. Die elastische
Zwischenschicht kann beispielsweise aus einem Elastomerwerkstoff
bestehen. Alternativ hierzu ist es auch denkbar, eine radial wirkende
Wellfeder oder dergleichen zu verwenden. Durch die elastische Zwischenschicht
fahren die Wälzlager
die notwendigen Freiheitsgrade, um sich in der jeweiligen Lage der
Welle anzupassen. Zusätzlich
werden eventuell vorhandene Schwingungen und Unwuchten gedämpft. Sollte wider
Erwarten ein zu großer
Schlupf zwischen Welle und Lageraußenring auftreten, bietet sich
der Einsatz spezieller Schmiermedien – wie Tractionfluid – an.
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Eine
weitere Möglichkeit,
eine exakte Führung
der Wälzlager
hinsichtlich Abstand und Parallelität zu gewährleisten besteht darin, dass
die Lageraußenringe
jedes Wälzlagers
mit einer elastischen Zwischenschicht versehen sind, welche direkt mit
der Welle in Kontakt kommt. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass
das Material der elastischen Zwischenschicht genügend abriebfest ist und eine
möglichst
geringe Dichte aufzuweisen hat, um hierdurch das Massenträgheitsmoment
nicht signifikant nachteilig zu vergrößern.
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Gemäß einer
weiteren, die Erfindung verbessernde Maßnahme ist vorgesehen, dass
die ortsfeste Anordnung der Lagerinnenringe der Wälzlageranordnung über ein äußeres Gehäuse erfolgt,
an dem Bolzen zur Führung
und Befestigung der Lagerinnenringe vorgesehen sind. Vorzugsweise
ist das Gehäuse aus
einer Gehäusegrundplatte
aufgebaut, an der die Bolzen mit einem Ende eingepresst sind, wogegen die
distalen Enden der Bolzen ein gegenüberliegender Gehäusedeckel
aufnimmt, welcher mit passenden Bolzenausnehmungen versehen ist.
Das die Wälzlager
umgebende Gehäuse
kann als vormontierte Einheit hergestellt werden und bietet den
Vorteil, dass sich die Bolzen zur Aufnahme der Wälzlager exakt positionieren
lassen.
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Vorteilhafterweise
sollte die Gehäusegrundplatte
mit dem Gehäusedeckel über Befestigungsmittel
direkt verbindbar sein. Als Befestigungsmittel eignen sich beispielsweise
Nieten oder Schrauben. Hierdurch kann der Gehäusedeckel relativ zur Gehäusegrundplatte
vor der endgültigen
Befestigung verdreht und/oder bewegt werden, um somit eine sehr
exakte Ausrichtung der Bolzen zu erzielen. Nachdem die Bolzen derart
positioniert wurden, können
Gehäusegrundplatte
und Gehäusedeckel
miteinander verbunden, beispielsweise verschraubt werden.
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Im
Rahmen der Möglichkeiten
einer solchen Lagerjustage können
die Drehachsen der Wälzlager so
ausgerichtet werden, dass diese bezüglich der Drehachse der Welle
parallel zueinander verlaufen, um auf diese Weise auf die Welle
ausschließlich
eine Radialkraft aufzubringen. Alternativ hierzu ist es jedoch auch
möglich,
die Drehachsen der Wälzlager bezüglich der
Drehachse der Welle schräg
zu stellen, um auf die Welle eine Axialkraftkomponente aufzubringen.
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Es
könnte
auch mit einer leichten Schrägstellung
der Drehachsen der Wälzlager
ein Axialhub in der Welle erzeugt werden, um in Kombination mit
einem geeigneten Axiallager zu einer definierten axialen Positionierung
der Welle zu kommen. Dabei hat ein vorhandenes Spiel im Wälzlager
keinen Einfluss auf die axiale Position der Welle. Fertigungstoleranzen
werden so teilweise kompensiert und – im Anwendungsfall eines Abgasturboladers – wird der
Wirkungsgrad der Verdichterturbine erhöht.
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Weitere,
die Erfindung verbessernde Maßnahmen
werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels
der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
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1 eine
perspektivische Ansicht des prinzipiellen Aufbaus einer Lageranordnung
für eine schnelldrehende
Welle mit drei Wälzlagern,
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2 eine
Draufsicht der Lageranordnung nach 1, und
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3 einen
perspektivischen Teilschnitt der Lageranordnung mit Gehäuse.
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Gemäß 1 besteht
die hier schematisch dargestellte Lageranordnung für eine schnelldrehende
Welle 1 aus insgesamt drei Wälzlagern 2a–2c, welche
jeweils einen Lagerinnenring 3a–3c sowie einen Lageraußenring 4a–4c aufweisen.
Zwischen den Lagerinnenringen 3a–3c und den Lageraußenringen 4a–4c sind
jeweils Wälzkörper 5a–5c (exemplarisch) angeordnet,
welche in diesem Ausführungsbeispiel kugelförmig ausgebildet
sind. Somit handelt es sich bei den Wälzlagern 2a–2c um
Kugellager.
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Die
drei Wälzlager 2a–2c bilden
eine Lagerstelle für
die von ihnen eingeschlossene Welle 1, dem die Wälzlager 2a–2c in
einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind. Die Lagerinnenringe 3a–3c der
Wälzlager 2a–2c sind
jeweils ortsfest über – nicht weiter
dargestellte – Bolzen
fixiert, wogegen die hier zugeordneten relativ hierzu drehbaren
Lageraußenringe 4a–4c in
einen Linienkontakt mit der eingeschlossenen Welle kommen, so dass
die Welle 1 die Lageraußenringe 4a–4c in
Drehbewegung versetzt.
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Die
Drehzahl der Lageraußenringe
4a–
4c entspricht
dabei dem Produkt aus der Drehzahl der Welle
1 und dem
Verhältnis
des Durchmessers der Welle
1 zum Durchmesser der Lageraußenringe
4a–
4c,
welche jeweils gleich bemessen sind. Hierdurch ergibt sich bei einer
angenommenen Drehzahl der Welle
1 von n
w =
100.000, einem Durchmesser der Welle
1 von d
w =
12,5 mm und einem Durchmesser der Lageraußenringe
4a–
4c von
jeweils d
AR = 72 mm nach nachfolgender Formel
die entsprechend langsamere Drehzahl der Lageraußenringe
4a–
4c:
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Gemäß 2 bilden
die Drehachsen der drei Wälzlager 2a–2c in
derselben Schnittebene die Eckpunkte eines gleichseitigen Dreiecks.
Der Abstand zwischen den Wälzlagern 2a–2c und
der hiervon eingeschlossenen Welle 1 ist derart bemessen, dass
sich die Wälzlager 2a–2c an
der jeweiligen – hier
exemplarisch gezeichneten – Stelle 6 an
die Welle 1 anpressen. Bei der Anordnung der Wälzlager 2a–2c zueinander
und bezüglich
der Welle 1 ist weiterhin darauf zu achten, dass zwischen
den Wälzlagern 2a–2c jeweils
ein zumindest geringfügiger
Abstand 7 verbleibt.
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Zur
Gewährleistung
der Anprssung der Wälzlager 2a–2c an
die Welle 1 ist – hier
exemplarisch anhand von Wälzlager 2a gezeigt – zwischen dem
das Wälzlager 2a aufnehmenden
Bolzen 8 und dem Lagerinnenring 3a eine elastische
Zwischenschicht 9a angeordnet. Die elastische Zwischenschicht 9a ist
ein Elastomer und gewährleistet
eine Anpassung des Wälzlagers 2a an
die Welle 1, so dass idealerweise der gewünschte Linienkontakt
entsteht.
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Gemäß 3 erfolgt
die ortsfeste Anordnung der Lagerinnenringe – hier exemplarisch anhand
des Wälzlagers 2a dargestellt – über ein äußeres Gehäuse 10,
an dem jedem Wälzlager 2a–2c zugeordnete
Bolzen 8a zur Führung
und Befestigung der – hier
nicht erkennbaren – Lagerinnenringe 3a–3c vorgesehen
sind. Das Gehäuse 10 besteht
im Wesentlichen aus einer Gehäusegrundplatte 11,
an der die Bolzen 8a–8c mit
einem Ende eingepresst sind. Die gegenüberliegenden, distalen Enden
der Bolzen 8a–8c greifen
in korrespondierender Bolzenausnehmungen seitens eines gegenüberliegenden
Gehäusedeckels 12 ein.
Die Gehäusegrundplatte 11 ist
mit dem Gehäusedeckel 12 direkt über hier
als Nieten ausgebildete Befestigungsmittel 13 verbindbar.
Vor dem Anbringen der Befestigungsmittel 13 erfolgt eine relative
Ausrichtung von gehäusegrundplatte 11 zu Gehäusedeckel 12 über eine
relative Verdrehung, um die Achsrichtung der Bolzen 8a–8c hierüber zu bestimmen.
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Die
Erfindung ist nicht beschränkt
auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Es sind vielmehr
auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der
nachfolgenden Ansprüche
umfasst sind. So können
auch mehr als drei Wälzlager
zur Ausbildung der erfindungsgemäßen Lageranordnung
verwendet werden. Reicht die Führung
der Welle 1 mit einer einzigen Lageranordnung nicht aus,
so besteht auch die Möglichkeit,
mehrer dieser Lageranordnungen hintereinander zu verschachteln.
Ferner besteht die Möglichkeit,
die Lagerung aus dünnwandigen,
gezogenen Hülsen
zu fertigen. Diese Hülsen
können
entweder auf die Wälzlager
aufgepresst werden. Um eine größtmögliche Dynamik
hinsichtlich der erfindungsgemäßen Lageranordnung
sicherzustellen, ist bei der konstruktiven Auslegung prinzipiell
auf ein möglichst
geringes Massenträgheitsmoment
zu achten.
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- 1
- Welle
- 2
- Wälzlager
- 3
- Lagerinnenring
- 4
- Lageraußenring
- 5
- Wälzkörper
- 6
- Stelle
- 7
- Bolzen
- 9
- Zwischenschicht
- 10
- Gehäuse
- 11
- Gehäusegrundplatte
- 12
- Gehäusedeckel
- 13
- Befestigungsmittel
