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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Lagerscheibe für einen mit schwenkbaren
Leitschaufeln versehenen Leitschaufeleinsatz einer Turbine eines
Turboladers mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Anspruchs.
Eine solche Lagerscheibe ist beispielsweise aus der
EP 0 160 460 B1 bekannt.
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Abgasturbolader
mit einer Turbine variabler Turbinengeometrie sind bereits seit
längerem bekannt. Hierzu weist der Turbinenteil des Abgasturboladers
beispielsweise einen in den Turbinenteil eingesetzten Leitschaufeleinsatz
auf, der mit mehreren ringförmig um das Turbinenrad angeordneten
Leitschaufeln versehen ist. Die Leitschaufeln sind in einem Leitschaufelträger
des Leitschaufeleinsatzes schwenkbar angeordnet. Der Leitschaufelträger
wird auch als Lagerscheibe bezeichnet und weist in der Regel einen
kreisringförmigen Scheibenkörper auf. Das Turbinenrad
ist durch eine Innenausnehmung des Scheibenkörpers hindurch
in den Strömungskanal geführt. Die Leitschaufeln
des Leitschaufeleinsatzes greifen üblicherweise mit jeweils
einer Welle unter Ausbildung eines Schwenklagers durch jeweils eine
Bohrung der Lagerscheibe und werden mittels einer Verstelleinrichtung
relativ zu einer Strömungsrichtung eines die Turbine antreibenden
Abgasstromes verschwenkt. Dadurch kann eine für die jeweilige
Betriebssituation des Verbrennungsmotors optimale Schwenkstellung
eingestellt werden. In Abhängigkeit von den Einbaubedingungen
des Leitschaufeleinsatzes im Turbinengehäuse und vom Außendurchmesser
der Lagerscheibe kann es bei thermischen Belastungen, wie sie in
der Turbine üblicherweise auftreten, zur Verspannung und
Deformationen der Lagerscheibe kommen, was im ungünstigen Fall
ein Klemmen der variablen Turbinengeometrie bewirkt.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Lagerscheibe mit den Merkmalen
des kennzeichnenden Teils des unabhängigen Anspruchs weist
demgegenüber den Vorteil auf, dass bei thermischen Belastungen
in der Lagerscheibe nur geringe mechanische Spannungen auftreten
können und sich die Lagerescheibe bei thermischen Belastungen
in axialer Richtung nicht oder nur geringfügig deformiert.
Dadurch, dass die Lagerscheibe mit mehreren über den Umfang
der Lagerscheibe verteilt angeordneten Schlitzen versehen ist, wird
vorteilhaft erreicht, dass die Lagerscheibe in radialer Richtung
eine gewisse Elastizität aufweist. Die Schlitze unterteilen
die Lagerscheibe in Bereiche, die in radialer Richtung elastisch
zueinander bewegbar sind, wodurch mechanische Spannungen kompensiert
werden können, falls sich die Lagerscheibe erwärmungsbedingt
ausdehnt. Infolge davon wird die Lagerscheibe bei einer starken
Erwärmung in axialer Richtung nur geringfügig
oder gar nicht deformiert und ein Verklemmen der schwenkbaren Leitschaufeln
des Leitschaufeleinsatzes vermieden. Dies geht mit dem zusätzlichen
Vorteil einher, dass das notwendige Spiel der auf der Lagerscheibe
schwenkbar angeordneten Leitschaufeln minimiert werden kann, so
dass den Wirkungsgrad der variablen Turbine verringernde, größere
Abstände zwischen Leitschaufeln und Lagerscheibe und anderen
Bauteilen vorteilhaft vermieden werden können.
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Vorteilhafte
Ausbildungen und Weiterentwicklungen der Erfindung werden durch
die in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Maßnahmen ermöglicht.
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Die
Schlitze sollten die Lagerscheibe in Bereiche unterteilen, die in
radialer Richtung elastisch zueinander bewegbar sind. Dies wird
vorteilhaft dadurch erreicht, dass die Schlitze, welche eine gewisse
Länge aufweisen sollten, schräg oder gebogen zur radialen
Richtung verlaufen.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die Schlitze die Lagerscheibe von der ersten
Seite bis zur zweiten Seite vollständig durchdringen, da
hierdurch die relative Beweglichkeit der zueinander beweglichen
Bereichen möglichst groß ist. Allerdings kann heiße
Luft durch die Schlitze hindurchströmen.
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In
einem anderen vorteilhaften Ausführungsbeispiels ist vorgesehen,
dass die Schlitze nutartig ausgebildet sind und eine Nuttiefe aufweisen,
die etwas kleiner als die Dicke der Lagerscheibe ausgebildet ist.
Dies kann auch dadurch erreicht werden, dass Lagerscheibe aus zwei
parallelen Scheiben aufgebaut ist, wobei die Schlitze erst durchgehend
in die erste Scheibe eingebracht sind und mit einer dünnen zweiten
Scheibe abgedeckt werden, so dass die als Verbundbauteil gefertigte
Lagerscheibe die nutartigen Schlitze aufweist. Dadurch, dass die
Schlitze nicht durchgehend ausgebildet sind, wird vorteilhaft erreicht,
dass der Raum hinter der Lagerscheibe abgedichtet wird, da keine
Luft durch die Schlitze strömen kann.
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Die
Schlitze können nach der Herstellung der Lagerscheibe oder
auch während der Herstellung der Lagerscheibe in diese
eingebracht werden. Bei einer Lagerscheibe, die im Metallpulverspritzgießen (MIM-Verfahren,
Metall Injection Molding) hergestellt wird, können die
Schlitze bereits durch die während des MIM-Verfahrens verwandten
Spritzgussform in die Lagerscheibe eingebracht werden. Um dabei durchgehende
Schlitze zu vermeiden, können außerdem nutartig
ausgebildete Schlitze alternierend in die erste Seite und die zweite
Seite der Lagerscheibe eingebracht sein. Die nutartigen Schlitze
weisen dabei einen Versatz auf. Der daraus resultierende Aufbau
ist biegeweicher als bei einseitig eingebrachten nutartigen Schlitzen.
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Vorteilhaft
sind die Schlitze gebogen ausgebildet, da hierdurch die elastische
Wirkung der Lagerscheibe optimiert wird. In einem besonders vorteilhaften
Ausführungsbeispiel sind die Schlitze sichelförmig
gebogen ausgebildet. Hierdurch kann eine sehr große Länge
der Schlitze gewählt werden, die so groß ist,
dass sich die Schlitze überlappen. Bei einer Überlappung
schneidet wenigstens eine vom Mittelpunkt der Lagerscheibe ausgehende
und in radialer Richtung verlaufende Linie wenigstens zwei Schlitze
oder Nuten, so dass in diesem Fall drei Bereiche der Lagerschabe
radial beweglich zueinander sind, was die elastische Wirkung noch
vergrößert und einer axialen Deformation zuverlässiger
entgegenwirkt.
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Die
Schlitze sind vorzugsweise an den Enden geschlossen ausgebildet.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weisen die Schlitze
ein dem Innenumfang zugewandtes erstes Ende und ein dem Außenumfang
zugewandtes zweites Ende auf. Die Enden können in Form
von kleinen Bohrungen ausgebildet sein, damit beispielsweise ein
zur Herstellung der Schlitze ver wandter Erodierdraht eingeführt werden
kann. Außerdem reduzieren die Bohrungen die mechanischen
Spannungen an den Enden der Schlitze.
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Ein
Leitschaufeleinsatz für eine Turbine eines Turboladers
mit variabler Turbinengeometrie mit der erfindungsgemäßen
Lagerscheibe weist eine große Lebensdauer und Zuverlässigkeit
auf.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen
dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Es zeigt
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1 eine
Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Lagerscheibe
für einen mit schwenkbaren Leitschaufeln versehenen Leitschaufeleinsatz
einer Turbine eines Turboladers mit variabler Turbinengeometrie,
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2 einen
Querschnitt durch einen Leitschaufeleinsatz mit der in 1 dargestellten
Lagerscheibe,
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3 bis 5 jeweils
einen hälftig dargestellten Querschnitt durch weitere Ausführungsbeispiele
der Lagerscheibe,
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6 bis 9 jeweils
eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Lagerscheibe
mit unterschiedlichen Anordnungen und Ausbildungen der Schlitze.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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1 zeigt
eine Lagerscheibe 1 eines Leitschaufeleinsatzes für
eine Turbine eines Abgasturboladers. Die Blickrichtung in 1 ist
auf eine erste Seite 4 der Lagerscheibe gerichtet. Die
davon abgewandte Seite 5 der Lagerscheibe ist in 1 nicht
erkennbar. Die Lagerscheibe 1 weist einen kreisringförmigen
Scheibenkörper auf, der einen diesen begrenzenden Innenumfang 2 und
einen Außenumfang 3 aufweist. Die beiden Seiten 4 und 5 der
Lagerscheibe können beispielsweise durch zwei parallele
ebene Kreisringflächen gebildet werden, welche um die Dicke
D der Lagerscheibe voneinander beabstandet sind. Die Seiten 4 und 5 der
Lagerscheibe können aber auch beispielsweise konisch oder
mit anderer Form ausgebildet sein. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel
weist die erste Seite 4 der Lager scheibe an ihrem radial
innen liegenden Bereich einen vorspringenden Absatz 6 auf,
der aber auch entfallen kann. Die Lagerscheibe 1 weist
weiterhin einen Kranz von Bohrungen 7 auf, die beispielsweise
in dem mit dem Absatz 6 versehenen radial innen liegenden
Abschnitt der Lagerscheibe ausgebildet sind. Die Bohrungen 7 bilden
Lager für Leitschaufeln 20, die an der Lagerscheibe 1 schwenkbar
gelagert sind.
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2 zeigt
wie die Leitschaufeln 20 des Leitschaufeleinsatzes 30 an
der Lagerscheibe gelagert sein können. Jede Leitschaufel 20 kann
beispielsweise eine Welle 21 aufweisen, die in einer der
Bohrungen 7 drehbeweglich gelagert ist. An ihrem von der jeweiligen
Leitschaufel 20 abgewandten Ende ist die Welle 21 mit
einem Schwenkarm 22 versehen, der mit einer nicht dargestellten
Verstelleinrichtung, beispielsweise einem Verstellring des Leitschaufeleinsatzes 30 zusammenwirkt.
Durch eine Betätigung der Verstelleinrichtung können
die Leitschaufeln 20 mittels der Schwenkarme 22 verschwenkt
werden. Der Leitschaufeleinsatz 30 kann weiterhin auf der von
der Lagerscheibe 1 abgewandten Seite der Leitschaufeln
eine in 2 nicht dargestellte Deckscheibe
aufweisen, die beispielsweise mittels Distanzelementen in einem
Abstand zu der Lagerscheibe 1 gehalten wird. Die Distanzelemente
können beispielsweise in Bohrungen 8 der Lagerscheibe
befestigt werden. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt,
dass die in 1 dargestellte Lagerscheibe 1 beispielsweise
eine Entlüftungsbohrung 10 aufweisen kann.
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Wie
in 1 erkennbar, ist der radial außen liegende
Abschnitt der Lagerscheibe 1, welcher den Absatz 6 umgibt
mit über den Umfang verteilt angeordneten Schlitzen 9 versehen.
Die Schlitze weisen eine relativ kleine Breite auf. Die Schlitze 9 können die
Lagerscheibe 1 von der ersten Seite 4 bis zur zweiten
Seite 5 vollständig durchdringen. Es ist aber auch
möglich, dass die Schlitze 9 die Lagerscheibe 1 nicht
vollständig durchdringen und stattdessen nutartige Schlitze
beziehungsweise Nuten mit einer Nuttiefe bilden, die nur etwas kleiner
als die Dicke D der Lagerscheibe 1 ausgebildet ist. In
diesem Fall können die Schlitze 9 durch eine dünne
Wand auf der zweiten Seite 5 oder auf der ersten Seite 4 der
Lagerscheibe verschlossen werden, so dass Gas im Betrieb des Turboladers
nicht von der ersten Seite 4 zur zweiten Seite 5 und
umgekehrt durch die Schlitze 9 hindurchströmt.
Wie in 1 erkennbar ist, wird durch die Ausbildung der
Schlitze 9 erreicht, dass die Lagerscheibe in Bezug auf
den jeweiligen Schlitz 9 einen radial außen liegenden
Bereich 11 und einen radial innen liegenden Bereich 12 aufweist,
die elastisch zueinander beweglich sind. Zu diesem Zweck sollten die
Schlitze 9 nicht geradlinig in radialer Richtung verlaufen,
sondern sollten schräg oder gebogen zur radialen Richtung
R verlaufen. Im Kontext dieser Anmeldung wird dabei unter schräg
auch senkrecht zur radialen Richtung R oder im spitzen oder stumpfen Winkel
zur radialen Richtung R verstanden. In 1 ist erkennbar,
dass die Schlitze 9 jeweils ein radial innen liegendes
erstes Ende 9a und ein radial außen liegendes
zweiten Ende 9b aufweisen. Zwischen dem ersten Ende 9a und
dem zweiten Ende 9b erstrecken sich die Schlitze in radialer
Richtung R und zugleich aber auch in der Umfangsrichtung U.
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Die
Schlitze 9 können unterschiedliche Formen aufweisen
und beispielsweise geradlinig ausgebildet sein. Besonders bevorzugt
ist es jedoch, die Schlitze gebogen und insbesondere sichelförmig
gebogen auszubilden, wie dies in 1 dargestellt
ist. Durch die Sichelform der Schlitze 9 wird erreicht, dass
die Schlitze langer ausgebildet werden können und sich
stärker in Umfangsrichtung U krümmen, so dass
große Überlappungsbereiche entstehen. Wie in 1 erkennbar
ist, schneidet die vom Mittelpunkt M ausgehende in radialer Richtung
verlaufende Linie L beispielsweise zwei Schlitze 9. Überlappungsbereiche
bestehen also überall dort, wo die Linie L Schnittpunkte
mit zwei Schlitzen 9 aufweist. Bei einer Erwärmung
der Lagerscheibe können in den Überlappungsbereichen
nicht nur zwei sondern drei oder mehr Bereiche der Lagerscheibe
elastisch gegeneinander verschoben werden (beispielsweise die Bereiche 11, 12 und 13 in 1),
so dass mechanische Spannungen in der Scheibe noch besser vermieden werden.
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Weitere
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den 3 bis 5 dargestellt.
Diese Ausführungsbeispiele unterscheiden sich von dem in 2 dargestellten
Ausführungsbeispiels dadurch, dass die Schlitze 9 nicht
durchgehend in die Lagerscheibe eingebracht sind. Die nutartige
Schlitze 9 weisen eine Nuttiefe auf, die kleiner als die
Dicke D der Lagerscheibe 1 ausgebildet ist. Vorzugsweise sind
die Schlitze alternierend in die erste Seite 4 und die
zweite Seite 5 der Lagerscheibe 1 einbracht. Die Schlitze 9 können
also durch eine dünne Wand auf der zweiten Seite 5 oder
auf der ersten Seite 4 oder wechselseitig auf der ersten
und zweiten Seite der Lagerscheibe verschlossen werden, so dass
Gas im Betrieb des Turboladers nicht von der ersten Seite 4 zur
zweiten Seite 5 und umgekehrt durch die Schlitze 9 hindurchströmt.
Bei einer Lagerscheibe, die im Metallpulverspritzgießen
(MIM-Verfahren, Metall Injection Molding) hergestellt wird, können
die Schlitze bei der Herstellung der Lagerscheibe gleich mit erzeugt werden.
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In 6 ist
eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiels der
Erfindung gezeigt, bei dem die Schlitze 9 einen sich in
radialer Richtung und einen in Umfangsrichtung erstreckenden Abschnitt
aufweisen. Die sich in der Umfangsrichtung erstreckenden Abschnitte
zweier benachbarter Schlitze sind dabei alternierend dem Innenumfang 2 und
dem Außenumfang 9 zugewandt. Auch in diesem Ausführungsbeispiel
weisen die Schlitze 9 zumindest einen Abschnitt auf, welcher
schräg zur radialen Richtung verläuft.
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7 und 9 zeigt
jeweils ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Schlitze 9 sich
nur in Umfangsrichtung erstrecken. Jeder Schlitz läuft
dabei über ein bestimmtes Winkelsegment, wobei die Schlitze
in verschiedenen Lagen konzentrisch zum Mittelpunkt M der Lagerscheibe
angeordnet sind. Auch in diesem Fall schneidet vorzugsweise eine vom
Mittelpunkt der Lagerscheibe ausgehende in radialer Richtung verlaufende
Linie immer wenigstens zwei Schlitze 9.
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8 zeigt
ein Ausführungsbeispiel, bei dem sich die Schlitze 9 treppenartig
von einem dem Innenumfang 2 zugewandten Ende bis zu einem
dem Außenumfang 3 zugewandten Ende erstrecken.
Jeder Schlitz weist mehrere Abschnitte auf die sich schräg
zur radialen Richtung erstrecken.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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