DE102007013727A1

DE102007013727A1 - Lagerung einer Welle eines Turboladers

Info

Publication number: DE102007013727A1
Application number: DE200710013727
Authority: DE
Inventors: Aaron Woodbury Chriss
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2007-03-22
Filing date: 2007-03-22
Publication date: 2008-11-13

Abstract

Die Lagerung (1) der Welle eines Turboladers, die über zwei in axialer Richtung voneinander beabstandete und axialer Vorspannung gesetzte Kugellager gehalten ist, wobei die Kugellager von einem Lagerträger (4) am Außenumfang konzentrisch umschlossen und durch einen Distanzring auf axialen Abstand gehalten sind, zeichnet sich dadurch aus, dass der Distanzring durch einen verlängerten Innenring (7) eines der beiden Kugellager (2) gebildet ist, beide Kugellager (2, 3) einer unterschiedlichen Kategorie angehören und eines der beiden Kugellager (2) durch ein Federelement (18) mit der axialen Vorspannung beaufschlagt ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft die Lagerung einer Welle eines Turboladers, die an einem Ende drehfest mit einem Laufrad einer Turbine und am anderen Ende mit einem Laufrad eines Kompressors verbunden ist und die über zwei in axialer Richtung voneinander beabstandete, unter Vorspannung gesetzte Kugellager gehalten ist, wobei die Kugellager von einem Lagerträger am Außenumfang konzentrisch umschlossen und durch einen Distanzring auf axialen Abstand gehalten sind.
Hintergrund der Erfindung
Es sind Turbolader mit einem Gehäuse bekannt, in dem eine Welle drehbar gelagert ist. Eine Turbine ist an einem Ende der Welle befestigt und ein Kompressor ist am anderen Ende der Welle angeordnet. Mehrteilige Lager, wie ein oder mehrere Kugellager, halten die Welle drehbar im Gehäuse. Im Betrieb ist der Auslass des Kompressors mit dem Einlass einer Verbrennungskraftmaschine verbunden, deren Abgas mit dem Einlass der Turbine in Wirkverbindung steht. Im Betrieb des Motors treiben Abgasprodukte des Motors die Turbine an, die wiederum den Kompressor antreibt, der Frischluft ansaugt, diese komprimiert und als Druckluft dem Motor zuführt. Für den effektiven Betrieb des Turboladers rotieren die Welle des Turboladers und damit auch die Turbine und der Kompressor notwendigerweise mit hoher Drehgeschwindigkeit. Jede Vibration oder jedes Spiel in den Lagern führt daher nicht nur zu außerordentlich hohem Lärm, sondern es führt auch zu einer raschen Abnutzung der Lager und der damit zugeordneten Bauteile.
Grundlegende Ausführungen zur Abgasturboaufladung sind dem Fachbuch „Ottomotor-Management", 2. vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage, Mai 2003, Friedr. Viehweg & Sohn, Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig/Wiesbaden auf den Seiten 62 bis 65 zu entnehmen.
Spezielle Lagerungen für die Wellen von Turboladern sind in nachstehenden Vorveröffentlichungen beschrieben:

DE 22 48 440 A1 , DE 26 27 527 A1 , DE 26 28 828 A1 , DE 36 17 402 A1 , DE 36 28 687 A1 , DE 38 01 590 A1 , DE 39 18 323 A1 , DE 20 2004 017 194 U1 , EP 0 272 151 B1 und EP 0 320 951 B1 .

Als nächstliegender Stand der Technik wird die DE 36 17 402 A1 angesehen, die einen Turbolader mit einem vorgespannten Lager beschreibt, dessen Welle 14 mit einem Kompressor 16 und am anderen Ende mit einer Turbine 18 verbunden ist, wobei die Welle 14 über zwei in axialer Richtung von einander beabstandente Lager 48, 50 in einem Gehäuse gelagert ist. Beide Lager 48, 50 weisen je einen Innen- 48, 62 und einen Außenring 74, 80 auf, wobei zwischen den Innenringen 58, 62 ein rohrförmiges Abstandsglied 54 positioniert ist, das koaxial zur Welle 14 angeordnet ist. Die Außenringe 74, 80 beider Lager 48, 50 werden von einem Lagerträger 40 umschlossen, der ebenfalls koaxial zur Welle 14 angeordnet ist. Eine erste ringförmige Abstandsbuchse 70 ist im inneren des Lagerträgers 40 enthalten und besitzt ein axiales Ende 72, das am inneren axialen Ende des Laufringes 74 des ersten Lagers anliegt. In ähnlicher Weise ist eine zweite ringförmige Abstandsbuchse 76 im inneren des Lagerträgers 40 enthalten und steht mit ihrem äußeren axialen Ende 78 in Anlage zum inneren axialen Ende der äußeren Lauffläche 80 des zweiten Lagers. Ein inneres axiales Ende 82 der Abstandsbuchse 76 liegt gegen ein sich radial nach innen erstreckendes Teil oder Flansch 84 des Lagerträgers 40 an. Eine Schraubendruckfeder 86 ist zwischen dem inneren axialen Ende 88 der Abstandsbuchse 70 und dem inneren axialen Ende des Flansches 84 des Lagerträgers gefügt. Die Druckfeder 16 ist vorgespannt. Im Betrieb übt sie eine nach außen gerichtete axiale Kraft auf die Abstandsbuchse 70 aus, die wiederum eine nach außen gerichtete axiale Kraft auf den äußeren Laufring 74 des ersten Lagers ausübt. Diese nach auswärts gerichtete axiale Kraft wird über die Welle 14 auf das andere Lager 50 übertragen, sodass eine nach auswärts gerichtet axiale Kraft auf den äußeren Laufring 80 des zweiten Lagers ausgeübt wird. Diese nach auswärts gerichtete Kraft wird wiederum über die Abstandsbuchse 76 und den Lagerträgerflansch 84 auf das entgegengesetzte Ende der Druckfeder 86 übertragen.
Nachteilig dabei ist, dass eine solche gattungsgemäße Lageranordnung aufgrund ihrer vielen Einzelbestandteile sehr kostenaufwendig und auch sehr montageunfreundlich ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Ausgehend von den Nachteilen des bekannten Standes der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Lagerung der Welle eines Turboladers mit zwei voneinander beabstandeten Kugellagern bereitzustellen, die günstig fertigbar und montierbar ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe nach dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen Oberbegriff dadurch gelöst, dass der Distanzring durch einen verlängerten Innenring eines der beiden Kugellager gebildet ist, beide Kugellager einer unterschiedlichen Kategorie angehören und eines der beiden Kugellager durch ein Federelement mit der axialen Vorspannung beaufschlagt ist.
Der Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, dass auf die beiden Kugellager unterschiedlicher Kategorien in Abhängigkeit von deren Anordnung am turbinenseitigen oder am kompressorseitigen Ende des Abgasturboladers bei dessen Betrieb ganz unterschiedliche Belastungen einwirken, sodass zum Erzielen einer möglichst langen Lebensdauer der Lagerung und einer möglichst geringen Geräuschentwicklung die beiden Lager für ein optimales Aufnehmen dieser Belastungen unterschiedlich auszubilden sind.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das erfindungsgemäße Lager, wie nachstehend noch erläutert wird, mit einer wesentlich geringeren Anzahl von Einzelbauteilen auskommt, sodass es günstig herstellbar und montierbar ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 11 beschrieben.
So hat es sich vorteilhaft erwiesen, dass ein Kugellager als ein Schrägkugellager und ein Kugellager als ein Drei-Punkt-Kugellager ausgebildet ist. Zweckmäßigerweise ist dabei das Schrägkugellager als ein Loslager und das Drei-Punkt-Kugellager als ein Festlager ausgebildet. Wegen ihres Druckwinkels sind Schrägkugellager für die Aufnahme größerer Axialkräfte geeignet, wobei diese aber nur in einer Richtung aufnehmbar sind. Bei vorliegender axialer Belastung werden auch radiale Kräfte übertragen. Der große Vorteil der Drei-Punkt-Kugellager besteht darin, dass sie neben radialen Kräften auch axiale Kräfte in beiden Richtungen aufnehmen können. Bei rein radialer Belastung berühren die Lagerkugeln an drei Punkten ihre Laufbahn, während bei vorhandener Axiallast die Berührung an zwei Punkten erfolgt.
Nach einem weiteren Merkmal gemäß Anspruch 3 ist vorgesehen, dass eine Außenlaufbahn des Schrägkugellagers durch einen äußeren Lagerring gebildet ist, der axial verschiebbar in einer Ausnehmung des Lagerträgers aufgenommen ist. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass thermische Ausdehnungen der Welle in einfacher Weise ausgleichbar sind.
Nach weiteren Merkmalen gemäß den Ansprüchen 4 und 5 soll der äußere Lagerring des Schrägkugellagers von einem Federelement mit der axialen Vorspannung beaufschlagt sein, wobei dieses Federelement eine Tellerfeder ist. Diese Anordnung und Ausbildung des Federelementes sorgt auch für eine wesentliche Vereinfachung der Lagerkonstruktion, weil einfach handhabbar und mit nur einem Lager der Lageranordnung in Wirkverbindung stehend.
Nach einem weiteren zusätzlichen Merkmal gemäß Anspruch 6 soll eine Außenlaufbahn des Drei-Punkt-Kugellagers durch den Lagerträger gestellt sein und der Lagerinnenring zweiteilig ausgebildet sein. Die Stellung der äußeren Laufbahn durch den Lagerträger sorgt dafür, dass auf einen zusätzlichen Lageraußenring gemäß dem bisherigen Stand der Technik verzichtet werden kann. Die zweiteilige Ausbildung des Innenringes erlaubt einerseits eine Montagevereinfachung und andererseits eine sichere Aufnahme von axialen Kräften in beiden Richtungen.
Nach einem weiteren zusätzlichen Merkmal gemäß Anspruch 7 soll das Schrägkugellager kompressorseitig und das Drei-Punkt-Kugellager turbinenseitig angeordnet sein.
Nach einem zusätzlichen anderen Merkmal ist gemäß Anspruch 8 vorgesehen, dass der Lagerträger Mittel zum verhindern seines Drehens aufweist.
Schließlich ist in den letzten drei Ansprüchen 9 bis 11 die Schmierung einer solch erfindungsgemäß ausgebildeten Lagerung beschrieben. Danach soll der Lagerträger wenigstens einen Kanal zum Einspritzen eines Schmiermittels in wenigstens eines der Kugellager aufweisen, wobei der Lagerträger für ein Abfließen dieses Schmiermittels mit einer, einen Mantel des Lagerträgers radial durchdringenden Öffnung versehen ist, wobei diese Öffnung in einem mittigen Bereich auf einer dem Kanal gegenüberliegenden Seite angeordnet ist.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel und aus der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in vereinfachter Form dargestellt ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die einzige Figur zeigt einen Axialschnitt einer erfindungsgemäßen Lagerung der Welle eines Turboladers.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
Die in der einzigen Figur dargestellte und mit dem Bezugszeichen 1 versehene erfindungsgemäße Lagerung besteht aus dem linksseitig angeordneten Schrägkugellager 2 und dem rechtsseitig angeordneten Drei-Punkt-Kugellager 3, wobei das Schrägkugellager 2 auf der Kompressorseite und das Drei-Punkt-Kugellager 3 auf der Turbinenseite angeordnet ist. Die beiden Lager 2, 3 sind konzentrisch vom Lagerträger 4 umschlossen, der im linksseitigen Bereich mit der Ausnehmung 5 versehen ist und im rechtsseitigen Bereich eine umlaufende Kugellaufrille aufweist, die die Außenlaufbahn 6 für das Drei-Punkt-Kugellager 3 stellt. Der Lagerinnenring 7 ist zweiteilig ausgebildet und besteht aus dem Teilring 8 und dem Teilring 9, die mit ihren Stirnflächen in der Ebene 10 aneinanderliegen. Der Teilring 8, der die Innenlaufbahn 11 für das Schrägkugellager 2 stellt, ist in axialer Richtung bis zur Ebene 10 verlängert und stellt so einen Teil der Innenlaufbahn für das Drei-Punkt-Kugellager 3, der mit 12 bezeichnet ist. Auf diese Weise ist der nach dem bisherigen Stand der Technik erforderliche Distanzring, der beide Lager auf axialen Abstand hält, nicht mehr erforderlich. Dessen Aufgabe wird vom verlängerten Teilring 8 übernommen. Der andere Teil der Innenlaufbahn für das Drei-Punkt-Kugellager 3 wird vom Teilring 9 gebildet, wobei dieser Teil der Laufbahn mit dem Bezugszeichen 13 versehen ist.
Wie weiter erkennbar, weist das linksseitig im Bereich des Kompressors angeordnete Schrägkugellager 2 den Lageraußenring 14 auf, der die Außenlauf bahn 15 für die im Käfig 16 geführten Lagerkugeln 17 stellt. Der Lageraußenring 14 ist über seine Mantelfläche verschiebbar in der in axialer Richtung offenen Ausnehmung 5 geführt, wobei in dieser Ausnehmung 5 ein Federelement 18 in Form einer Tellerfeder angeordnet ist. Dieses Federelement 18 stützt sich an der Schulter 19 der Ausnehmung 5 ab und beaufschlagt den Lageraußenring 14 mit einer axial nach außen gerichteten Kraft, so dass das Schrägkugellager 2 vorgespannt ist. Die verschiebbare Anordnung des Lageraußenrings 14 in der Ausnehmung 5 des Lagerträgers 4 sorgt dafür, dass das Schrägkugellager 2 als Loslager fungiert, sodass auftretende axiale Verschiebungen einer nicht dargestellten Welle eines Turboladers ausgeglichen werden können. Die Verschiebungen können dabei sowohl nach rechts als auch nach links erfolgen, so dass thermische Längenänderungen in beiden axialen Richtungen ausgleichbar sind.
Das rechtsseitig im Bereich der Turbine angeordnete Drei-Punkt-Kugellager 3 weist Lagerkugeln 20 auf, die im Käfig 21 gehalten sind. Die als Kugellaufrille ausgebildete Außenlaufbahn 6 weist im Vergleich zu den Lagerkugeln 20 einen größeren Radius auf, sodass die Lagerkugeln 20 die Kugellaufbahn 6 in einem Punkt berühren. Die Innenlaufbahn, die aus den beiden Teillaufbahnen 12 und 13 besteht, ist so ausgeführt, dass sich diese bei radialer Belastung der Welle jeweils an zwei Punkten an die einzelnen Lagerkugeln 20 anlegt, nämlich an einem Punkt der Teillaufbahn 12 und an einem Punkt der Teillaufbahn 13. In diesem Zustand der radialen Belastung der nicht dargestellten Welle eines Turboladers berühren die Lagerkugeln 20 einerseits die Außenlaufbahn 6 in einem Punkt und andererseits die Teillaufbahnen 12, 13 auch an je einem Punkt, sodass sich insgesamt ein Drei-Punkt-Kontakt ergibt. Im Falle einer axialen Belastung der Welle wirkt dieses Drei-Punkt-Kugellager 3 (Lagerkugeln 20, Außenlaufbahn 6, Teillaufbahn 12, 13) wie ein Schrägkugellager, d. h., die Lagerkugeln 20 legen sich an den Laufbahnen 6, 12, 13 diametral gegenüberliegend an jeweils einem Punkt der Außenlaufbahn 6 und an einem Punkt der Teillaufbahn 12, 13 an. Das Drei-Punkt-Kugellager 3 lässt weiter erkennen, dass die Anlagepunkte der Lagerkugeln 20 an den Teillaufbahnen 12, 13 einen gleichen Winkel aufweisen, wobei dieser Winkel α1 und α2 durch die jeweili gen Anlagepunkte an den Laufbahnen 12, 13 und einer Vertikalen gebildet ist. Dieses Drei-Punkt-Kugellager 3 wirkt als Festlager, wobei axiale Kräfte in beiden Richtungen aufgenommen werden können. Durch die genaue Abstimmung der Winkellage zur Aufnahme der Kräfte in beiden axialen Richtungen ist eine Anpassung an jeden Belastungsfall in einfacher Weise möglich, wobei die Winkel auch voneinander in der Größenanordnung abweichen können.
Wie der einzigen Figur auch entnehmbar, ist der Lagerträger 4 mit Kanälen 22 versehen, mit deren Hilfe beide Lager 2, 3 mit Schmiermittel versorgbar sind. Die Kanäle 22 sind geneigt angeordnet, sodass das Schmiermittel in Richtung der Lagerkugeln 17, 20 eingespritzt werden kann. Das Schmiermittel kann dabei das Öl eines Motorölkreislaufs einer Verbrennungskraftmaschine sein. Um möglichst viel Schmiermittel durch die Lageranordnung hindurchleiten zu können, was bei den hohen Temperaturen einer Turbolagerung ein unbedingtes Erfordernis ist, ist der Lagerträger 4 darüber hinaus mit der Öffnung 23 versehen, die den Kanälen 22 gegenüberliegt und für einen ungehinderten Austritt des Schmiermittels sorgt. Schließlich lässt die Figur auch erkennen, dass der Lagerträger 4 an seiner Mantelfläche die mit 24 bezeichnete Vertiefung aufweist, die als Verdrehsicherung wirkt, wenn in diese ein anderes Teil zum Eingriff gebracht ist.

1: Lagerung
2: Schrägkugellager
3: Drei-Punkt-Kugellager
4: Lagerträger
5: Ausnehmung
6: Außenlaufbahn
7: Lagerinnenring
8: Teilring
9: Teilring
10: Ebene
11: Innenlaufbahn
12: Teillaufbahn
13: Teillaufbahn
14: Lageraußenring
15: Außenlaufbahn
16: Käfig
17: Lagerkugel
18: Federelement
19: Schulter
20: Lagerkugel
21: Käfig
22: Kanal
23: Öffnung
24: Vertiefung
α1/α2: Neigungswinkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 2248440 A1 [0004]
- DE 2627527 A1 [0004]
- DE 2628828 A1 [0004]
- DE 3617402 A1 [0004, 0005]
- DE 3628687 A1 [0004]
- DE 3801590 A1 [0004]
- DE 3918323 A1 [0004]
- DE 202004017194 U1 [0004]
- EP 0272151 B1 [0004]
- EP 0320951 B1 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- „Ottomotor-Management", 2. vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage, Mai 2003, Friedr. Viehweg & Sohn, Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig/Wiesbaden auf den Seiten 62 bis 65 [0003]

Claims

Lagerung (1) einer Welle eines Turboladers, die an einem Ende drehfest mit einem Laufrad einer Turbine und am anderen Ende mit einem Laufrad eines Kompressors verbunden ist und die über zwei in axialer Richtung voneinander beabstandete, unter axialer Vorspannung gesetzte Kugellager gehalten ist, wobei die Kugellager von einem Lagerträger (4) am Außenumfang konzentrisch umschlossen und durch einen Distanzring auf axialen Abstand gehalten sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Distanzring durch einen verlängerten Innenring (7) eines der beiden Kugellager (2) gebildet ist, beide Kugellager (2, 3) einer unterschiedlichen Kategorie angehören und eines der beiden Kugellager (2) durch ein Federelement (18) mit der axialen Vorspannung beaufschlagt ist.
Lagerung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kugellager als ein Schrägkugellager (2) und ein Kugellager als ein Drei-Punkt-Kugellager (3) ausgebildet ist.
Lagerung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Außenlaufbahn (15) des Schrägkugellagers (2) durch einen äußeren Lagerring (14) gebildet ist, der axial verschiebbar in einer Ausnehmung (5) des Lagerträgers (4) aufgenommen ist.
Lagerung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Lagerring (14) des Schrägkugellagers (2) vom Federelement (18) mit der axialen Vorspannung beaufschlagt ist.
Lagerung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (18) eine Tellerfeder ist.
Lagerung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Außenlaufbahn (6) des Drei-Punkt-Kugellagers (3) durch den Lagerträger (4) gestellt ist und der Lagerinnenring (7) zweiteilig ausgebildet ist.
Lagerung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schrägkugellager (2) kompressorseitig und das Drei-Punkt-Kugellager (3) turbinenseitig angeordnet sind.
Lagerung (1) Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerträger (4) Mittel zum Verhindern seines Drehens aufweist.
Lagerung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerträger (4) wenigstens einen Kanal (22) zum Einspritzen eines Schmiermittels in wenigstens eines der Kugellager (2, 3) umfasst.
Lagerung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerträger (4) für ein Abfließen eines Schmiermittels mit einer, einen Mantel des Lagerträgers (4) radial durchdringenden Öffnung (23) versehen ist.
Lagerung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass diese Öffnung (23) in einem mittigen Bereich auf einer dem Kanal (22) gegenüberliegenden Seite angeordnet ist.