DE102007036912A1

DE102007036912A1 - Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102007036912A1
Application number: DE102007036912A
Authority: DE
Inventors: Roland Dr. Baar
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2007-08-06
Filing date: 2007-08-06
Publication date: 2009-02-19

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Turbolader für eine Brennkraftmaschine - mit einer Turbine; - mit einem Verdichter; - mit einer Welle, auf der die Turbine und der Verdichter drehfest montiert sind; - mit einer Lagereinheit, umfassend ein Axiallager, ein Radiallager sowie ein Lagergehäuse. Die Erfindung ist gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: - das Axiallager ist in einem mittleren Bereich zwischen dem Turbinenrad und dem Verdichterrad angeordnet; - das Axiallager ist gebildet aus einer Zentralscheibe, die die Welle umgibt, sowie aus zwei Anlaufkörpern, die die Zentralscheibe sandwichartig zwischen sich einschließen und Anlaufflächen für die Zentralscheibe bilden; - eines der beiden Elemente, nämlich die Zentralscheibe oder die Anlaufkörper, sind mit der Welle fest verbunden, während das andere der beiden Elemente mit dem Lagergehäuse verbunden ist oder einen Bestandteil hiervon bildet; - beidseitig des Axiallagers ist ein Radiallager angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Abgasturbolader. Siehe zum Beispiel WO 00/73630 A1 .
Abgasturbolader sind bei modernen Kraftfahrzeugen unverzichtbar. Sie umfassen als wichtige Bauteile eine Turbine und einen Verdichter. Diese beiden Bauteile sitzen im Allgemeinen auf ein- und derselben Welle und stehen somit in Triebverbindung miteinander. Der Turbine wird das Abgas einer Brennkraftmaschine zugeleitet. Das Abgas treibt die Turbine an. Die Turbine treibt ihrerseits den Verdichter an. Dieser saugt Luft aus der Umgebung an und verdichtet diese. Die verdichtete Luft wird sodann dem Brennraum der Brennkraftmaschine zugeführt. Abgasturbolader haben den Zweck, die Leistung zu steigern und die Abgasemissionen zu verringern sowie den Wirkungsgrad des Motors und dessen Drehmoment zu erhöhen. Sie haben außerdem eine wichtige Funktion bezüglich der Wirkung des Katalysators.
Abgasturbolader sind mechanisch und thermisch hoch beanspruchte Aggregate. Die Beanspruchung führt zu Verschleiß und bestimmt die Lebensdauer. Die Lebensdauer eines Turboladers ist daher im Allgemeinen wesentlich geringer, als die des gesamten Fahrzeuges, bei dem der Turbolader eingesetzt wird.
Ein besonders neuralgisches Bauteil ist die Welle, die das Turbinenrad und das Verdichterrad trägt. Diese Welle sowie das zugehörende Lager sind entscheidend für die Lebensdauer des gesamten Abgasturboladers. Welle und Lager sind außerdem unter anderem entscheidend für die Geräuschentwicklung.
Es gibt eine Vielzahl von Lösungen, Welle und Lagerung eines Abgasturboladers zu verbessern, um den Verschleiß und das Betriebsgeräusch zu senken, und außerdem die Herstellungskosten in Grenzen zu halten. Die bekannten Lösungen haben aber nicht voll befriedigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Abgasturbolader, der gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 aufgebaut ist, derart zu gestalten, dass seine Lebensdauer größer als diejenige von bekannten Ladern ist, dass das Betriebsgeräusch minimiert wird und dass die Herstellungskosten gesenkt werden.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
Demgemäß werden die folgenden Maßnahmen ergriffen:

– das Axiallager der Lagereinheit zum Lagern der Welle wird in einem mittleren Bereich der Längserstreckung der Welle angeordnet, somit in der Mitte zwischen Turbinenrad und Verdichterrad;
– das Axiallager wird gebildet aus einer Zentralscheibe, die konzentrisch zur Welle angeordnet ist, sowie aus zwei Anlaufkörpern, die die Zentralscheibe sandwichartig zwischen sich einschließen und die Anlaufflächen für die Zentralscheibe bilden;
– eines der beiden Elemente – die Zentralscheibe oder die Anlaufkörper – sind mit der Welle fest verbunden, während das andere der beiden Elemente mit dem Lagergehäuse fest verbunden ist oder einen Bestandteil hiervon bilden;
– beidseits des Axiallagers wird jeweils ein Radiallager angeordnet.

Die Radiallager werden zweckmäßigerweise derart angeordnet, dass das eine Radiallager denselben Abstand zur Zentralscheibe aufweist, wie das andere Zentrallager. Die Lagereinheit ist damit symmetrisch aufgebaut, bezogen auf eine Ebene, die senkrecht zur Welle sowie durch die Mittelebene der Zentralscheibe verläuft.
Auch das Lagergehäuse wird zweckmäßigerweise in Bezug auf die genannte Symmetrieebene symmetrisch gestaltet.
Im Einzelnen wird hierdurch Folgendes erreicht: Durch die symmetrische Anordnung lässt sich die gesamte Lagereinheit aus gleichen Bauteilen herstellen. So sind die beiden Anlaufkörper, die die Zentralscheibe zwischen sich einschließen, absolut identisch. Ferner sind die beiden Radiallager völlig identisch miteinander. Das Lagergehäuse kann aus zwei miteinander identischen Bauteilen bestehen, die wiederum an der genannten Symmetrieebene zusammengefügt werden. Das Lagergehäuse besteht somit aus zwei baugleichen und zueinander symmetrischen Hälften. Die beiden Lagerhälften können als Druckgussteile hergestellt werden.
Alle diese Maßnahmen verringern die Herstellungskosten und die Montagekosten.
Durch die strenge Symmetrie des Aufbaus wird außerdem vermieden, dass auf einer Seite der Symmetrieebene höhere Belastungen auftreten, als auf der anderen Seite. Damit wird ein lokaler Verschleiß verringert und somit die Lebensdauer der Lagereinheit und damit des gesamten Abgasturboladers gesteigert.
Die beiden Radiallager können geteilt sein, so dass jedes Lager aus zwei halben Ringen besteht.
Eine besonders interessante Lösung besteht darin, das Lagergehäuse in einer Ebene zu teilen, die durch die Achse der Welle verläuft. Das Lagergehäuse besteht auch hierbei wiederum aus zwei völlig identischen Lagerhälften. Diese Lösung hat den Vorteil, dass die Radiallager ungeteilt sein können, somit aus Vollringen bestehen, weil sich nämlich die beiden Gehäusehälften über die Radiallager stülpen und miteinander verbinden lassen.
Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im Einzelnen Folgendes dargestellt:
1 zeigt einen Abgasturbolader in einem Axialschnitt.
2 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Turbinenrads, des Verdichterrads sowie der Lagereinheit des in 1 gezeigten Abgasturboladers.
Der in 1 gezeigte Abgasturbolader weist eine Turbine 1 und einen Verdichter 2 auf. Der Turbinenrad 1.1 und der Verdichterrad 2.1 sind auf einer Welle aufgekeilt und somit drehfest miteinander verbunden.
Die Turbine umfasst ferner ein Gehäuse 1.2. Das Gehäuse umfasst einen spiralförmigen Einlauf sowie einen Auslassstutzen 1.3. Das Rad 1.1 ist ein Kranz von verstellbaren Leitschaufeln 4 vorgeschaltet.
Während des Betriebes wird dem spiralförmigen Einlauf des Gehäuses 1.2 ein Abgas-Massestrom zugeführt. Dieser Abgasstrom tritt durch die Zwischenräume zwischen den Leitschaufeln 4 hindurch und gelangt zum Rad 1.1. Er verlässt das Gehäuse 1.2 durch den Auslassstutzen 1.3.
Der Verdichter 2 saugt durch einen Einlassstutzen Frischluft an. Diese gelangt unter erhöhtem Druck in einen Sammelraum 2.3, und von dort zu einem Verbrennungsmotor.
Welle 3 ist in einer Lagereinheit 5 gelagert, deren Aufbau sich genauer aus 2 ergibt.
In 2 erkennt man wiederum das Turbinenrad 1.1, das Verdichterrad 2.1 sowie die Welle 3. Jedes der beiden Räder 1.1 und 2.1 befindet sich in einem Endbereich der Welle 3.
Die Lagereinheit 5 umfasst die folgenden Bauteile: Ein Axiallager, bestehend aus einer scheibenförmigen Zentralscheibe 5.1 sowie zwei Anlaufkörper 5.2 und 5.3, ferner ein erstes Radiallager 5.4 und ein zweites Radiallager 5.5, und schließlich ein Lagergehäuse 5.6.
Das Axiallager 5.1, 5.2, 5.3 befindet sich in der Mitte zwischen den beiden Rädern 1.1 und 1.2. Die Zentralscheibe 5.1 ist mit dem Lagergehäuse 5.6 fest verbunden. Er könnte auch Bestandteil dieses Gehäuses sein. Die beiden Anlaufkörper 5.2 und 5.3 hingegen sind mit der Welle 3 fest verbunden. Sie laufen somit mit der Welle um. Sie führen auch jegliche Axialbewegungen aus, die die Welle 3 selbst ausführt. Ihre beiden der Zentralscheibe 5.1 zugewandten Flächen dienen als Anlaufflächen. Bewegt sich die Welle in axialer Richtung, was natürlich nur in minimalem Ausmaße geschehen kann, so gelangt einer der beiden Anlaufkörper 5.2, 5.3 zum Anliegen an der betreffenden Seitenfläche der Zentralscheibe 5.1.
Die beiden Radiallager 5.4 lagern die Welle 3 in radialer Richtung. Sie sind ihrerseits im Lagergehäuse 5.6 gelagert.
Das Axiallager 5.1, 5.2, 5.3 befindet sich im vorliegenden Falle genau in der Mitte zwischen den beiden Rädern 1.1 und 2.1, genauer gesagt zwischen deren inneren Begrenzungsflächen 1.1.1 und 2.1.1.
Das Lagergehäuse 5.6 ist in zwei Hälften geteilt. Siehe die Trennebene 5.7. Die Längsmittelebene der Zentralscheibe 5.1 liegt in der Ebene 5.7.
Die beiden Radiallager 5.4 und 5.5 haben von der Trennebene 5.7 der Lagereinheit 5 denselben axialen Abstand. Dieser Abstand ist relativ groß. Die Radiallager 5.4, 5.5 sollen so nah wie möglich an den inneren Begrenzungsflächen 1.1.1 beziehungsweise 2.1.1 der Räder 1.1 und 2.1 liegen, somit in den axial äußeren Bereichen der Lagereinheit 7. Die Lagereinheit 5 sollte sich demgemäß ebenfalls so weit wie möglich bis zu den Innenflächen 1.1.1 beziehungsweise 2.1.1 der Räder 1.1 und 2.1 erstrecken. Der Abstand zwischen der Mittelachse der beiden Radiallager 5.4 und 5.5 und den inneren Flächen 1.1.1 und 2.1.1 der Räder sollte nach Möglichkeit so groß sein, wie die Breite der beiden Radiallager, oder kleiner.
Die Außenradiallager können geteilt sein, so dass jedes Radiallager aus zwei Halbringen besteht, um die Montage der gesamten Lagereinheit 5 zu erleichtern oder zu ermöglichen.
Es ist auch denkbar, statt der Trennfuge 5.7 oder zusätzlich zu dieser das Lagergehäuse 5.6 in einer Ebene zu teilen, in der die Längsachse der Welle 3 liegt.

1: Turbine
1.1: Turbinenrad
1.1.1: innere Begrenzungsfläche des Turbinenrads
1.2: Turbinengehäuse
1.3: Auslassstutzen
2: Verdichter
2.1: Verdichterrad
2.1.1: innere Begrenzungsfläche des Verdichterrads
2.2: Einlassstutzen
2.3: Sammelraum
3: Welle des Abgasturboladers
4: Leitschaufeln
5: Lagereinheit
5.1: Zentralscheibe
5.2: Anlaufkörper
5.3: Anlaufkörper
5.4: Radiallager
5.5: Axiallager
5.6: Lagergehäuse
5.7: Teilungsebene

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 00/73630 A1 [0001]

Claims

Turbolader für eine Brennkraftmaschine 1.1 mit einer Turbine (1); 1.2 mit einem Verdichter (2); 1.3 mit einer Welle (3), auf der die Turbine (1) und der Verdichter (2) drehfest montiert sind; 1.4 mit einer Lagereinheit (5), umfassend ein Axiallager (5.1, 5.2, 5.3), ein Radiallager sowie ein Lagergehäuse (5.6); gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: 1.5 das Axiallager (5.1, 5.2, 5.3) ist in einem mittleren Bereich zwischen dem Turbinenrad (1.1) und dem Verdichterrad (2.1) angeordnet; 1.6 das Axiallager (5.1, 5.2, 5.3) ist gebildet aus einer Zentralscheibe (5.1), der die Welle (3) umgibt sowie aus zwei Anlaufkörpern (5.2, 5.3), die die Zentralscheibe (5.1) sandwichartig zwischen sich einschließen und Anlaufflächen für die Zentralscheibe (5.1) bilden; 1.7 eines der beiden Elemente, nämlich die Zentralscheibe (5.1) oder die Anlaufkörper (5.2, 5.3) sind mit der Weile (3) fest verbunden, während das andere der beiden Elemente mit dem Lagergehäuse (5.6) verbunden ist oder einen Bestandteil hiervon bildet; 1.8 beidseits des Axiallagers (5.1, 5.2, 5.3) ist ein Radiallager (5.4, 5.5) angeordnet.
Turbolader nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: 2.1 das Lagergehäuse (5.6) ist aus zwei identischen Lagergehäusehälften gebildet; 2.2 die beiden Anlaufkörper (5.2, 5.3) sowie die beiden Radiallager (5.4, 5.5) sind von identischem Aufbau und symmetrisch beidseits einer Teilungsebene (5.7) angeordnet, die senkrecht zur Längsachse der Welle (3) durch die Mittelebene der Zentralscheibe (5.1) verläuft.
Turbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beide Radiallager (5.4, 5.5) jeweils denselben axialen Abstand vom Axiallager (5.1, 5.2, 5.3) haben.
Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: 4.1 die Anlaufkörper (5.2, 5.3) sind mit der Welle (3) festverbunden; 4.2 die Zentralscheibe (5.1) ist mit dem Lagergehäuse (5.6) fest verbunden.
Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagergehäuse (5.6) in einer Ebene geteilt ist, die senkrecht zur Welle (3) durch die Zentralscheibe (5.1) verläuft.
Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagergehäuse (5.6) in einer Ebene geteilt ist, in der die Längsachse der Welle (3) verläuft.
Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Radiallager (5.4, 5.5) in zwei Halbringe unterteilt ist.
Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlaufkörper (5.2, 5.3) beziehungsweise die Zentralscheibe (5.1) mit der Welle (3) durch eine Elektronenstrahlschweißung fest verbunden sind.