-
Die Erfindung betrifft ein Axialgleitlager, insbesondere ein Axialgleitlager einer Abgasturboladerwelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 1.
-
Die Abgasturboaufladung ermöglicht die Steigerung von maximalem Drehmoment und maximaler Leistung, bei konstantem Arbeitsvolumen, ohne einem Verbrennungsmotor mechanische Antriebsleistung abzufordern. Ein Turbolader besteht aus einer Turbine und einem Verdichter, die über eine Welle mechanisch miteinander verbunden sind. Ein Turbolader kann Drehzahlen von über 200.000 1/min erreichen. Um diesen enorm hohen Drehzahlen und der hohen Temperaturbelastung im Dauerbetrieb standhalten zu können, werden Turboladerwellen meist in Gleitlagern gelagert.
-
Gleitlager sind Bauelemente, die dazu dienen, die prinzipiellen sechs Freiheitsgrade (drei Verschiebungsrichtungen, drei Drehachsen) zweier Körper zueinander auf eine einzige Rotationsachse einzuschränken. Abhängig von Belastung und Geschwindigkeit müssen die Lagermaterialien aufeinander abgestimmt sein. Häufig verwendete Lagerwerkstoffe sind Bronze, Weißmetalle, Bleilagermetalle, Aluminiumlegierungen, Kunststoffe und verschiedene Legierungen, die speziell mit geringen Reibungskoeffizienten entwickelt werden, sowie Keramiken und in geringerem Umfang auch faserverstärkte Keramik.
-
Man unterscheidet Festkörperreibungslager, hydrodynamische Gleitlager und hydrostatische Gleitlager. Durch die Relativbewegung der beiden Lagerpartner, z.B. Schale und Welle, tritt Reibung auf. Beim Festkörperreibungslager tritt Festkörperreibung auf, bei den anderen Lagertypen erfolgt die Trennung der relativ zueinander bewegten Oberflächen durch einen Schmierfilm. Hydrodynamische Gleitlager haben allerdings „Mischreibung“ zu bewältigen; im Normalbetrieb sollen die Feststoffe durch den Schmierstofffilm voneinander getrennt sein, aber in der Anlaufphase ist ein Festkörperkontakt und dementsprechender Verschleiß meist nicht gänzlich zu vermeiden.
-
Ein hydrostatisches Axialgleitlager zeichnet sich durch einen aktiven Schmierstoffkreislauf aus, welcher mit einer externen Pumpe aufrecht erhalten wird und der durch den Lagerspalt geführt wird. Dadurch wird der Nachteil der hydrodynamischen Gleitlager vermieden, nämlich der beim Anfahren und Auslaufen durch die Mischreibung verursachte hohe Gleitwiderstand und damit verbundene Verschleiß des Lagers. Die Funktion beruht darauf, dass mittels einer externen Druckversorgung fortwährend der Schmierstoff über Einlasskanäle in keilartige Schmiermitteltaschen zwischen den Lagerflächen gepresst wird und diese dadurch stets durch einen dünnen Schmierfilm voneinander getrennt sind. Dadurch tritt Reibungsverlust nur durch die Scherkräfte der Flüssigkeit auf, die proportional zur Geschwindigkeit sind, mit der sich die Lagerflächen gegeneinander bewegen. Der Reibungskoeffizient ist damit sehr niedrig. Im Grenzfall verschwindender Relativgeschwindigkeit laufen hydrostatische Lager daher praktisch reibungsfrei; ein Stick-Slip-Effekt tritt nicht auf, da kein direkter Kontakt zwischen den Lagerflächen stattfindet. Dies ermöglicht somit hochgenaue Positionierregelungen.
-
Axiallager, auch als Längslager, Drucklager oder Spurlager bezeichnet, nehmen Kräfte in Richtung der Wellenachse auf.
-
Eine Beispiel eines Axialgleitlagers mit externer Zwangsschmierung und einer zwischengelegten, schwimmenden Lagerscheibe ist in der europäischen Patentschrift
EP 0 840 027 B1 beschrieben. Die Auslegung des Axialgleitlagers funktioniert dabei nach dem Prinzip des Schmierkeils. Radiale Nuten in den Stirnflächen der Lagerscheibe transportieren das Schmieröl nach außen, wo es über Keilflächen, welche an die Nuten in Umfangsrichtung anschließen, in einen sich in Bewegungsrichtung des Schmierstoffs gesehen verengenden Querschnitt befördert wird. Die Keilflächen sind dabei bis auf schmale Durchbrüche umfangsseitig von einem Rand umfasst, so dass Taschen gebildet werden, die das Schmiermittel aufnehmen. Durch die Rotation der Scheibe und den Druck der externen Pumpe wird ein Ölvolumenstrom in den Keil, bzw. in die Keilflächentaschen hinein gefördort. Da sich der Querschnitt verengt, der Volumenstrom aber nach der Kontinuitätsgleichung konstant bleibt, entsteht eine hydrodynamische Druckverteilung, die auf die dazu parallel angeordneten Gegenlagerflächen eine Kraft ausübt und somit den erforderlichen Schmierspalt erzeugt.
-
Hierbei ist zu beachten, dass diese keilförmigen Vertiefungen in der Lagerscheibe eine für herkömmliche Fertigungsmethoden relativ aufwendig ausgebildete Geometrie ist. Die Schmierkeile müssen mit hoher Genauigkeit in die Lagerschalen eingebracht werden, um eine gleichmäßige Druckverteilung bei allen Taschen zu erreichen. Dies kann meist nur durch eine aufwendige Bearbeitung mit hochgenauen Werkzeugmaschinen erreicht werden. Zudem ist die im Schmierspalt erzeugte Druckverteilung des Schmiermediums nicht konstant, was wiederum zu einer ungleichmäßigen Flächenbelastung der Lagerflächen durch die erzeugten Kräfte führt.
-
Um den Druck im Schmierkeil aufrecht zu erhalten bzw. ein abschleudern des Öls zu verhindern wird z.B. ein umlaufender Staurand auf der Lagerscheibe notwendig. Der Staurand weist kleine radiale Durchbrüche auf Höhe der Ölzuführnuten auf. Diese werden benötigt, um die Größe des durch die Zentrifugalkraft der rotierenden Lagerscheiben abfließenden Schmiermittelvolumenstroms einzustellen und Schmutzpartikel abzuführen, die aufgrund ihrer größeren Masse nach außen zentrifugiert werden. Diese relativ kleinen Durchbrüche müssen somit ebenfalls sehr genau gefertigt werden und können unter Umständen durch im Schmierstoff mitgeführte Schmutzpartikel verstopfen, wodurch die Funktionstüchtigkeit der Lagerung negativ beeinflusst wird.
-
Weiterhin wird auf die
US 36 92 373 A , die
JP S59-222 619 A und die
DE 40 12 211 C1 verwiesen, die Schmiersysteme im Bereich Lageranordnungen offenbaren.
-
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Aufbau eines gattungsgemäßen Axialgleitlagers zu vereinfachen, eine hohe Funktionssicherheit und den flexiblen Betrieb des Axialgleitlagers zu gewährleisten, sowie die Kosten für die Herstellung und den Betrieb der Lagerung zu reduzieren.
-
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
-
Erfindungsgemäß wird dazu ein Axialgleitlager vorgeschlagen, welches insbesondere zur Abstützung einer gleitgelagerten Abgasturboladerwelle benützt werden kann. Dabei ist eine Lagerscheibe vorgesehen, welche in schwimmender Anordung in einem zylindrischen Abschnitt eines Lagergehäuse zentriert ist, und einerseits an einem umlaufenden Gehäuserücksprung anliegt und andererseits an einem umlaufenden Wellenvorsprung. Die erzwungene Schmiermittelzufuhr erfolgt wellenseitig zur an dem Gehäuserücksprung anliegenden Stirnfläche des Lagers. Die Lagerscheibe ist dabei mit ihrer Außenumfangsfläche so in dem dazu feststehenden Lagergehäuse zentriert, dass sich ein ringförmiger Überströmspalt zwischen der Außenumfangsfläche der Lagerscheibe und dem dazu feststehenden Lagergehäuse bildet. Die Zentrierung ist dabei so ausgelegt, dass der ringförmige Überströmspalt als Öldrosselspalt wirkt. Damit bildet sich zumindest zwischen einer ersten Stirnfläche der Lagerscheibe und dem Lagergehäuserücksprung ein Lager- bzw. Schmierspalt.
-
Mit dieser Anordnung gelingt einerseits eine gute Zentrierung der Lagerscheibe. Denn die schwimmende Lagerung wirkt durch den durch den Öldrosselspalt zwischen der Außenumfangsfläche der Lagerscheibe und dem Lagergehäuse hindurchströmenden Schmierstoffvolumenstrom selbstzentrierend. Somit stellt sich ein konstanter Volumenstrom des Schmiermittels in Abhängigkeit der wählbaren Größe des ringförmigen Drosselspalts und des aufgebrachten Schmiermitteldruckes ein.
-
Anderseits kann mit dem erfindungsgemäßen Axiallager die Existenz eines Lagerspalts zumindest zwischen dem Gehäuserücksprung und der zugeordneten Stirnseite der Lagerscheibe, selbst dann sichergestellt werden kann, wenn die Geometrie dort wesentlich einfacher aufgebaut ist als bei bekannten, schwimmenden Axiallagerscheiben. Denn dadurch, dass die Zentrierung und damit der ringförmige Überströmspalt als Öldrosselspalt zur Drosselung des Ölflusses ausgelegt ist, wird das radial abschleudernde Öl aufgestaut.
-
Ein zusätzlicher, umlaufender Staurand kann somit entfallen, so dass die Keilflächen wesentlich leichter in die Lagerscheibe eingebracht werden können als taschenförmige Keilflächen, wodurch die Herstellungskosten stark gesenkt werden können. In bestimmten Anwendungsfällen kann der Staudruck sogar so eingestellt werden, dass zumindest diese Seite der Lagerscheibe vorwiegend plan oder bis auf Radialnuten vorwiegend plan ausgebildet sein kann, was die Herstellungskosten weiter senkt und wegen der größeren Auflagefläche einen sicheren Betrieb des Lagers begünstigt.
-
Die Breite des Drosselspaltes wird durch den Durchmesserunterschied zwischen dem Außendurchmesser der Lagerscheibe und dem kreisförmigen Lagergehäuseinnendurchmesser bestimmt. Dadurch, dass die Lagerscheibe in dem Lagergehäuse zentriert ist und nicht auf der Welle und durch die selbstzentrierende Wirkung des Schmiermittelstroms kann der Durchmesserunterschied recht eng gewählt werden, so dass sich eine gute Stauwirkung ergibt. Dabei kann die Höhe des Druckabfalls innerhalb des Drosselspaltes sowohl durch die Breite (in Radialrichtung) als auch die Länge (in Axialrichtung) des Drosselspaltes entsprechend dem geforderten Schmiervorgang eingestellt werden, indem eine Lagerscheibe mit dem gewünschten Durchmesser und der gewünschten Scheibendicke gewählt wird.
-
Der Lagerspalt zwischen Gehäuserücksprung und Lagerspalt kann für viele Anwendungsfälle ausreichend sein. Falls durch die Rotation der Axiallagerscheibe auf halber Wellendrehzahl jedoch die Reibung weiter abgesenkt werden soll, kann zwischen der zweiten Stirnfläche der Lagerscheibe und dem senkrecht zur Wellenachse umlaufenden Wellenvorsprung mit geeigneten Oberflächengeometrien ein weiterer Lagerspalt oder Dichtspalt erzeugt werden.
-
Wenn eine entsprechende Zentrierung des sich auf der dem Gehäuserücksprung gegenüberliegenden Stirnseite der Lagerscheibe befindenden, umlaufenden Wellenvorsprungs in dem zylindrischen Abschnitt des Lagergehäuses gelingt, kann dabei der Öldrosselspalt um die Breite des umlaufenden Wellenvorsprungs verlängert werden und die Stauwirkung auch auf dieser Seite der Lagerscheibe erzielt werden.
-
Hierzu besteht auch die Möglichkeit, durch ein Aneinanderreihen von mehreren Axiallagerscheiben diesen Effekt den notwendigen Erfordernissen der Lagerung schnell und kostengünstig anzupassen.
-
Durch das Einbringen von einer oder mehrerer Ablaufbohrungen in das Lagergehäuse, welche von außen in den jeweiligen Schmierspalt münden, können eventuell im Schmierstoff mitgeführte Schmutzpartikel aus dem Bereich der Lagerscheibe abgeleitet bzw. auszentrifugiert werden. Dadurch kann die Lebensdauer erhöht und ein sicherer Betrieb der Lagerung gewährleistet werden. Vorteilhaft ist es dabei, wenn die Ablaufbohrungen in Radialrichtung zur Wellenachse in der Verlängerungsachse des jeweiligen Schmierspalts oder tangential verlaufen.
-
Werden die Einlassöffnungen dieser Abflussbohrungen trichterförmig ausgestaltet, wirkt sich dies positiv auf das Abfließverhalten der Schmutzpartikel aus.
-
Durch zumindest einen, in das Lagergehäuse eingebrachten, um den jeweiligen Schmierspalt umlaufenden Freistich auf Höhe der jeweiligen Abflussbohrungen ergibt sich damit ein Sammeleffekt, denn der abfließende Schmierstoff mit den darin enthaltenen Schmutzpartikeln sammelt sich in dem jeweiligen Freistich, wobei die Schmutzpartikel aufgrund der Bewegungsrichtung nach radial außen und in Umfangsrichtung an den Abflussbohrungen eingesammelt werden.
-
Eine gleichmäßige und damit homogene Umströmung der Lagerscheiben mit dem zugeführten Schmierstoff kann dadurch erreicht werden, dass die umlaufenden Scheibenkanten abgeschrägt bzw. abgefast oder abgerundet werden. Denn dadurch wird einer Verwirbelung des Schmierstoffvolumenstroms und der entsprechend inhomogenen Druckverteilung entgegengewirkt. Diese Maßnahme kann zudem vorteilhaft so auf den jeweiligen Freistich am Lagergehäuse abgestimt sein, dass sich das Ölsammelvolumen und damit der Schmutzpartikelfang entsprechend vergrößert.
-
Durch die konstruktive Auslegung der Axiallagerscheibe können die Eigenschaften der Lagerung auf unterschiedliche Anforderungen eingestellt werden. Durch die entsprechende Festlegung des Innen- und Außendurchmessers der Lagerscheibe erfolgt im Zusammenspiel mit dem Außendurchmesser der Welle und dem Bohrungsdurchmesser eine Drosselung des Schmiermittelvolumenstroms durch den durchströmten Schmierspalt zwischen der einen Lagerscheibenstirnseite und dem Lagergehäuse, während auf der Lagerscheibeninnenseite genügend Öl zum Schmierspalt zwischen der anderen Lagerscheibenstirnseite und der Wellenschulter durchtritt.
-
Ferner kann auf zumindest einer Seite der Axiallagerscheibe die bekannte Oberflächengeometrie vorgesehen sein, bei der umlaufend eine Anzahl von Einlasskanälen in keilartige Schmiermitteltaschen münden, wodurch der einströmende Schmiermittelvolumenstrom zwischen die Lagerflächen gepresst wird. Der Reibungskoeffizient kann damit weiter reduziert werden.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Unteransprüche.
-
Die einzelnen Merkmale der Ausführungsformen gemäß den Ansprüchen lassen sich, soweit es sinnvoll erscheint, beliebig kombinieren. Dabei versteht es sich von selbst, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
-
Nachfolgend wird anhand einer schematischen Zeichnung eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung näher erläutert.
- 1 zeigt eine Schnittzeichnung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Axialgleitlagers.
-
1 zeigt die in dem Lagergehäuse 5, 7 rotierend gelagerte Welle 1 mit ihrem umlaufenden Vorsprung 13 (auch Spurring oder Laufring genannt), mit dem die Welle 1 in Achsrichtung gleitgelagert abgestützt ist. Die Axialgleitlagerung weist eine Axiallagerscheibe 3 auf, mit ggf. mindestens einer umlaufenden Abschrägung 23, welche sich in schwimmender Anordnung auf der Welle 1 befindet, wobei ihr Innendurchmesser als Übermaßbohrung im Vergleich zum Wellendurchmesser der Welle 1 ausgeführt ist.
-
Das Lagergehäuse 5, 7 weist im Bereich der Axiallagerung einen zylindrischen Abschnitt 7 auf, in dem die Axiallagerscheibe 3 zentriert ist. Der zylindrischen Abschnitt 7 legt somit durch seinen Bohrungsdurchmesser die schwimmende Lagerung der Axiallagerscheibe 3 fest. Das Gehäuse weist ferner einen umlaufenden Rücksprung 5 von dem Bohrungsdurchmesser des zylindrischen Abschnitts 7 zu einem geringeren Durchmesser hin auf, welcher als axialer Anschlag des Lagergehäuses 5, 7 an der Axiallagerscheibe 3 dient.
-
Zwischen dem Rücksprung 5 und der Axiallagerscheibe 3 bildet sich ein erster Lagerspalt 9. Auf Seiten der gegenüberliegenden Stirnflächen der Axiallagerscheibe 3 bildet sich ein zweiter Lagerspalt 11 zwischen der Lagerscheibe 3 und dem umlaufenden Vorsprung 13 der Welle 1.
-
Durch eine nicht dargestellte Pumpe wird ein Schmierstoffvolumenstrom erzeugt und durch einen kreisringförmigen Querschnitt zwischen der Welle 1 und dem Durchmesser des umlaufenden Rücksprungs 5 geführt. Der Durchmesser des Rücksprungs innerhalb dessen sich die rotierende Welle befindet, muss dabei einen hinreichend großen Durchmesser besitzen, um den von einer nicht gezeigten Schmierstoffpumpe erzeugten Schmiervolumenstrom in Pfeilrichtung zu den Lagerspalten 9, 11 transportieren zu können. Von dort strömt das Schmiermittel sowohl in den ersten Lagerspalt 9 zwischen der der Stirnfläche des Rücksprungs 5 und der Axiallagerscheibe 3, als auch durch den kreisringförmigen Spalt zwischen dem Innendurchmesser der Axiallagerscheibe 3 und der Welle 1 zu dem zweiten Lagerspalt 11. Dort strömt das Schmiermittel radial nach außen zu der Mantelfläche des zylindrischen Abschnitts 7 hin.
-
Durch die Zentrierung der schwimmend gelagerten Axiallagerscheibe 3 in dem zylindrischen Abschnitt 7 und verursacht durch den Schmiermittelvolumenstrom, bildet sich zwischen der äußeren Umfangsfläche der Axiallagerscheibe 3 und dem Durchmesser des zylindrischen Abschnitts 7 einen Öldrosselspalt 10, der aufgrund seiner Ausprägung die Schmierstoffdruckverhältnisse und auch Schmierstoffvolumenströme beeinflusst.
-
Als weitere Drosselstelle ergibt sich der kreisringförmige Querschnitt zwischen der äußeren Umfangsfläche des umlaufenden Vorsprungs 13 und dem Durchmesser des zylindrischen Abschnitts 7. Nach Durchtritt durch diese weitere Drosselstelle strömt der Schmiervolumenstrom schließlich in den hinteren Abschnitt des Lagergehäuses, von wo aus er nach außen hin abgeführt wird.
-
Um in dem Schmierölstrom vorhandene Schmutzpartikel vor Eintritt in den Öldrosselspalt 10 bzw. die weitere Drosselstelle ausfiltern zu können, sind dabei auf Höhe der Lagerspalte 9, 11 radiale Abflussbohrungen 15, 17 in das Lagergehäuse 5, 7 eingebracht, welche mit einem trichterförmigen Sammelvolumen versehen sind, und welche mit im zylindrischen Abschnitt 7 des Lagergehäuses befindlichen, umlaufenden Freistichen 19, 21 in Verbindung stehen.
-
Durch die Abschrägung 23 der Axiallagerscheibe 3 wird der Ölvolumenstrom möglichst verwirbelungsfrei im rechten Winkel zu dem Öldrosselspalt 10 hin gefördert. Mittels der Abschrägung 23 und der Freistiche 19, 21 können die im Schmiermittel mitgeführten Schmutzpartikel umlaufend eingefangen werden und über die trichterförmige Ausbildung der Abflussbohrungen 15, 17 abfließen.
-
Selbstverständlich sind Abweichungen von den gezeigten Varianten möglich, ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen.