DE102008000554A1

DE102008000554A1 - Welle für einen Abgasturbolader und Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102008000554A1
Application number: DE102008000554A
Authority: DE
Inventors: Claus Fleig
Original assignee: Bosch Mahle Turbo Systems GmbH and Co KG
Current assignee: BMTS Technology GmbH and Co KG
Priority date: 2008-03-07
Filing date: 2008-03-07
Publication date: 2009-09-10

Abstract

Es wird ein Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine vorgeschlagen, bei dem im Bereich von Radiallagerflächen 27 eine Beschichtung 29 aufgebracht ist, welche das Betriebsverhalten der Radiallagerung verbessert und die Lebensdauer der Radiallagerung erhöht.

Description

Stand der Technik
Abgasturbolader werden während des Betriebs Drehzahlen von weit über 100.000/min ausgesetzt. Als Radiallagerung wird üblicherweise eine hydrodynamische Lagerung, entweder mit zwei schwimmenden Lagerbuchsen oder einer sogenannten Einbuchsenlagerung eingesetzt. Eine unerwünschte Eigenschaft der hydrodynamischen Lagerung ist, dass es durch Strömungseffekte des zwischen Lagerschale und Welle gebildeten Ölfilms zu Instabilitäten der Drehbewegung der Welle kommen kann. Diese Instabilitäten werden auch als Halbfrequenzwirbel bezeichnet. Der sogenannte Halbfrequenzwirbel ist eine selbst erregte Schwingung der Welle, die in Form einer ”rührenden” Bewegung des Rotors der Welle auftritt. Die Halbfrequenzwirbel treten dann auf, wenn die Rotordrehzahl das doppelte der Eigenfrequenz erreicht, auch dann, wenn diese erste Eigenfrequenz stark gedämpft sein sollte. Gleichzeitig wird ein Teil der Rotationsenergie der Welle in die rührende Bewegung des Rotors der Welle eingekoppelt. Wenn die Amplitude dieser Bewegung zu groß wird, berührt die Welle die Lagerschale und es kommt innerhalb kürzester Zeit zu einem Lagerschaden.
Um die Stabilität des Radiallagers zu verbessern ist es aus der WO 002007/005478 A1 bekannt, bei den hydrodynamischen Lagern von Abgasturboladern Nuten in die Lagerbuchsen einzuarbeiten. Diese Nuten haben den Nachteil, dass sie im Inneren in einer Bohrung der Lagerbuchsen durch spanende Fertigung, wie beispielsweise Räumen, hergestellt werden. Dadurch ist der Herstellungsaufwand vergleichsweise kostenintensiv und nach erfolgter Herstellung der Nuten ist eine sorgfältige Reinigung der Lagerbuchsen von Spänen oder sonstigen Partikeln unverzichtbar.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hydrodynamische Radiallagerung der Welle eines Abgasturboladers bereitzustellen, bei dem der das Auftreten der Halbfrequenzwirbel und andere Instabilitäten wirksam unterdrückt wird und die gleichzeitig fertigungstechnisch einfach und kostengünstig herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Welle für einen Abgasturbolader, umfassend eine erste Radiallagerfläche und eine zweite Radiallagerfläche, wobei die erste Radiallagerfläche und die zweite Radiallagerfläche mit mindestens einer Lagerbuchse eine Radiallagerung der Welle bilden, dadurch gelöst, dass die Radiallagerflächen mindestens teilweise eine Beschichtung und/oder dass die Dicke der Beschichtung ungleichförmig ist.
Durch das Aufbringen der teilweisen Beschichtung bzw. einer Beschichtung mit ungleichförmiger Dicke auf der Welle ist es möglich, die Tragfähigkeit des Radiallagers beispielsweise durch Öltaschen zu erhöhen. Außerdem ist es möglich mit Hilfe von erfindungsgemäßen Nuten Öl durch den Lagerspalt das Radiallager zu fördern. Durch eine gezielt mit der erfindungsgemäßen Beschichtung aufgebrachte Unrundheit der Welle kann ebenfalls das Betriebsverhalten des Radiallagers verbessert werden. Alle erfindungsgemäßen Maßnahmen können darüber hinaus dazu eingesetzt werden, das Gleitlager hinsichtlich seiner Eigenfrequenzen und der Drehzahl, bei der der sogenannte Halbfrequenzwirbel auftritt, soweit zu ”verstimmen”, dass der Halbfrequenzwirbel im Normalbetrieb des Abgasturboladers nicht auftritt oder die Amplitude der Rührbewegung der Welle so weit zu dämpfen, dass sie zu keiner Beeinträchtigung des Betriebsverhaltens und der Lebensdauer der Radiallagerung mehr führt.
Das erfindungsgemäße Aufbringen einer Beschichtung auf der Welle ist sehr viel einfacher und kostengünstiger als das Einbringen von Nuten in der Innenbohrung einer Lagerbuchse, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Dadurch, dass beim Aufbringen der Beschichtung keine Späne oder sonstigen Partikel entstehen und die beschichteten Bereiche der Welle gut sichtbar sind, ist auch die Kontrolle der erfindungsgemäßen Beschichtung sehr einfach und die Ausschussquote bzw. der Einbau einer Welle mit fehlerhafter Beschichtung kann auch bei einer Großserienfertigung ausgeschlossen werden.
Erfindungsgemäß können in der Beschichtung Öltaschen, insbesondere runde oder polygonale Öltaschen ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, in der Beschichtung Fördernuten auszubilden. Die erfindungsgemäßen Ausgestaltungen der Öltaschen und Fördernuten unterliegen nahezu keinen fertigungstechnischen Restriktionen, so dass durch eine geeignete Auswahl, Dimensionierung und Abmessungen der Öltaschen und/oder Fördernuten für jeden Anwendungsfall eine optimale Auslegung gefunden werden kann.
Wenn die Dicke der Beschichtung ungleichförmig sein sollte, hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, über den Umfang der Welle mindestens zwei Bereiche erhöhter Dicke und mindestens zwei Bereich reduzierter Dicke auszubilden. Dann nämlich hat die Welle im Querschnitt die Form einer Zitrone und es ergibt sich dadurch ein stabileres Betriebsverhalten der Welle. Es ist beispielsweise auch möglich, die Welle mit beispielsweise drei Bereichen erhöhter Dicke und drei Bereichen reduzierter Dicke auszubilden, so dass sich im Querschnitt eine Trochoide ausbildet. Auch diese Querschnittsform führt zu einer erhöhten Stabilität der Welle im Betrieb. Selbstverständlich können auch mehr als drei Bereiche erhöhter Dicke und reduzierter Dicke vorgesehen sein. Der Extremfall eines Bereiches mit reduzierter Dicke ist dann gegeben, wenn die Dicke der Beschichtung gleich null ist und in Folge dessen lokal keine Beschichtung vorhanden ist. Auch für diesen Extremfall wird Schutz beansprucht.
In vielen Anwendungsfällen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Dicke der Beschichtung kleiner als 8 μm ist. Dann nämlich kann sie noch mit geringen Fertigungskosten aufgebracht werden. Außerdem ist eine Beschichtung dieser Dicke ohne weiteres in die Toleranzkette, welche den Durchmesser der Welle und den Innendurchmesser der Lagerbuchse umfasst, integrierbar.
Vorteilhafterweise wird die Beschichtung durch die sogenannte physical vapour deposition (PVD) und/oder chemical vapour deposition (CVD) auf der Welle aufgebracht. Diese Verfahren haben den Vorteil, dass durch Blenden verschiedene Muster der Beschichtung auf der Welle aufgebracht werden können, so dass Öltaschen und/oder Fördernuten ohne nennenswerte zusätzliche Herstellungskosten in der Beschichtung eingearbeitet werden können. In gleicher Weise ist es auch möglich, die Dicke der Beschichtung punktuell beziehungsweise Bereichsweise zu erhöhen und zu reduzieren, beispielsweise indem die Drehgeschwindigkeit mit der die Welle unter der Dampfquelle aus der die Beschichtung bildende Material emittiert wird, mehr oder weniger schnell hindurch gedreht wird.
Als geeignete Beschichtungsmaterialien haben sich unter anderem DLC, Chrom und/oder Titannitrit (TiN) herausgestellt.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und in den Patentansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein. Es zeigen:
1 einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines Abgasturboladers mit einer sogenannten Zweibuchsenlagerung,
2 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Beschichtung mit unterschiedlichen Dicken sowie
3 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Beschichtung mit Öltaschen und/oder Fördernuten.
In 1 ist ein Gehäuse des Abgasturboladers mit dem Bezugszeichen 1 versehen. Das Gehäuse 1 kann einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein, je nach den Erfordernissen bei der Herstellung und Montage des Abgasturboladers.
Wie hinlänglich bekannt, weisen Abgasturbolader einen Turbinenteil, der in 1 rechts angeordnet ist und einen Verdichterteil, der in 1 links angeordnet ist, auf. Im Turbinenteil ist ein Turbinenlaufrad 3 drehbar auf einer Welle 5 gelagert.
An dem linken Ende der Welle 5 ist ein Verdichterlaufrad 7 angebracht. Die zu verdichtende Verbrennungsluft strömt dem Verdichterlaufrad 7 in axialer Richtung zu und verlässt es in radialer Richtung. Die Bewegungsrichtung der zu verdichtenden Verbrennungsluft ist in 1 durch Pfeile 9 angedeutet. Im rechten Teil des Gehäuses 1 ist eine Einlaufspirale 11 ausgebildet, durch die das von der nicht dargestellten Brennkraftmaschine ausgestoßene Abgas dem Turbinenlaufrad 3 zugeführt wird.
Um die auf die Welle 5 wirkenden Axialkräfte aufzunehmen, ist an dem Gehäuse 1 eine Lagerscheibe 15 angeordnet, die in einer von zwei Lagerhülsen 17 und 19 gebildete Nut eintaucht. Die Axiallagerhülsen 17 und 19 sind drehfest mit der Welle 5 verbunden.
Um zu verhindern, dass Öl in das Verdichterlaufrad 7 gelangt, ist ein Ölabweisblech 21 vorgesehen.
Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Radiallagerung der Welle 5 zwei schwimmende Lagerbuchsen 23, die über eine Ölversorgung 25 mit nicht dargestelltem Motoröl versorgt werden. Die zusammen mit den Lagerbuchsen 23 die Radiallagerung bildenden Radiallagerflächen auf der Welle 5 sind in 1 mit dem Bezugszeichen 27 versehen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, im Bereich der Radiallagerflächen 27 auf der Welle 5 eine Beschichtung 29 aufzubringen, die das Betriebsverhalten der Radiallagerung des Abgasturboladers deutlich verbessert.
In den 2 und 3 sind Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Beschichtungen dargestellt und werden nachfolgend näher erläutert.
In der 2 ist ein Teil einer Welle 5 umfassend eine Radiallagerfläche 27 mit einer Beschichtung 29 dargestellt. Es versteht sich von selbst, dass die zweite Radiallagerfläche 27 der Welle 5 ähnlich ausgestaltet ist, so dass auf eine Darstellung verzichtet werden kann.
In der 2a ist ein Schnitt entlang der Linie A-A dargestellt, bei dem die Beschichtung 29 Bereiche 31 mit erhöhter Dicke und entsprechend zwei Bereiche 33 mit reduzierter Dicke aufweist. Die beiden Bereiche 31 und 33 sind gleichmäßig über den Umfang der Welle 5 verteilt, so dass jeweils die Bereiche 31 und die Bereiche 33 gegenüberliegend angeordnet sind.
Wie aus der 2a gut zu erkennen, ergibt sich dadurch eine ”zitronenförmige” Außenkontur der Beschichtung 29. Diese zitronenförmige Außenkontur bewirkt zusammen mit einer kreisrunden Lagebuchse 23 eine verbesserte Stabilität der hydrodynamischen Radiallagerung. Die Beschichtung 29 kann, wie bereits erwähnt, beispielsweise durch PVD und/oder CVD, das heißt durch Aufdampfen, auf die Welle aufgebracht werden.
Da die Quelle aus der das die Beschichtung 29 bildende dampfförmige Material gradlinig emittiert wird, kann durch das Steuern der Drehung der Welle 5 während des Beschichtens die Dicke der Beschichtung 29 sehr genau und reproduzierbar gesteuert werden.
Alternativ zu der in 2a dargestellten Ausführungsform mit einem zitronenförmigen Querschnitt der Beschichtung 29 kann auch, falls gewünscht, der Querschnitt einer Trochoide erreicht werden. Dieses Ausführungsbeispiel ist in 2b dargestellt. Dabei sind jeweils drei Bereiche 31 mit erhöhter Dicke der Beschichtung 29 und drei Bereich 33 mit reduzierter Dicke der Beschichtung 29 vorhanden. Die Bereiche 31 sind dabei jeweils um 120° versetzt zueinander angeordnet. Entsprechendes gilt für die Bereiche 33.
Selbstverständlich ist es auch möglich, noch andere Querschnittsformen herzustellen. Die Zahl der Bereiche 31 und 33 hängt unter anderem von den Eigenfrequenzen der Welle ab und es ist im Einzelfall bei der Auslegung der Radiallagerung zu entscheiden, wie viele Bereiche 31 und wie viele Bereiche 33 vorteilhaft sind.
In der 3 sind verschiedene Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Beschichtungen 29 dargestellt, bei dem die Beschichtung 29 mindestens Bereichsweise unterbrochen ist. So ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3a eine Vielzahl von kreisrunden Öltaschen 35 vorhanden. Dort wo die Öltaschen 35 vorhanden sind, ist keine Beschichtung 29 vorhanden. Dies kann durch eine entsprechend ausgebildete Maske (nicht dargestellt) beim Beschichten einfach und zuverlässig sichergestellt werden.
Selbstverständlich ist es möglich nicht nur kreisrunde Öltaschen 35, sondern auch quadratische, polygonale oder länglich geformte Öltaschen 35 vorzusehen.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3b sind in der Beschichtung 29 Fördernuten 37 vorhanden, die ebenfalls durch Anwendung einer entsprechend geformten Maske (nicht dargestellt) einfach und kostengünstig hergestellt werden können. Auch hier ist es so, dass im Bereich der Fördernuten 27 keine Beschichtung vorhanden ist. Wie aus 3b gut sichtbar, weisen die Fördernuten 37 eine Steigung auf, so dass das Schmiermittel von den Fördernuten 37 in axialer Richtung durch das Radiallager gefördert wird. Auch dadurch wir die Stabilität des Radiallagers erhöht.
In 3c ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Beschichtung dargestellt, bei dem die Fördernuten 37 eine Pfeilverzahnung bilden. Dadurch wird das Schmiermittel in die Mitte der Radiallagerfläche 27 gefördert.
In der 3d ist eine Kombination aus Fördernuten 37 und Öltaschen 35 dargestellt.
Selbstverständlich ist es auch möglich, die Ausführungsbeispiele gemäß 2 und 3 miteinander zu kombinieren, so das in den Bereichen 31 mit erhöhter Dicke und den Bereichen 33 mit reduzierter Dicke Öltaschen 35 und/oder Fördernuten 37 vorhanden sind.
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 002007/005478 A1 [0002]

Claims

Welle für einen Abgasturbolader umfassend eine erste Radiallagerfläche (27) und eine zweite Radiallagerfläche (27), wobei die erste Radiallagerfläche (27) und die zweite Radiallagerfläche (27) mit mindestens einer Lagerbuchse (23) eine Radiallagerung der Welle (5) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Radiallagerfläche (27) und/oder die zweite Radiallagerfläche (27) der Welle (5) mindestens teilweise eine Beschichtung (29) aufweist.
Welle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Beschichtung (29) Öltaschen (35), insbesondere runde oder polygonale Öltaschen, ausgebildet sind.
Welle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Beschichtung (29) Fördernuten (37) ausgebildet sind.
Welle für einen Abgasturbolader umfassend eine erste Radiallagerfläche (27) und eine zweite Radiallagerfläche (27), wobei die erste Radiallagerfläche (27) und die zweite Radiallagerfläche (27) mit mindestens einer Lagerbuchse (23) eine Radiallagerung der Welle (5) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Radiallagerfläche (27) und/oder die zweiten Radiallagerfläche (27) der Welle (5) eine Beschichtung (29) aufweist, und dass eine Dicke der Beschichtung (29) ungleichförmig ist.
Welle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Beschichtung (29) über den Umfang der Welle (5) mindestens zwei Bereiche (31) erhöhter Dicke und mindestens zwei Bereiche (33) reduzierter Dicke ausgebildet sind.
Welle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicker der Beschichtung (29) in den mindestens zwei Bereichen (33) reduzierter Dicke gleich null ist.
Welle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Beschichtung (29) kleiner als 8 m ist.
Welle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (29) durch physical vapor deposition (PVD) und/oder chemical vapor deposition (CVD) auf die Welle (5) aufgebracht wird.
Welle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (29) DLC (diamond like carbon), Chrom (CR) und/oder Titannitird (TiN) umfasst.
Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine mit einem Gehäuse (1), mit einer Welle (5), mit einem Turbinenlaufrad (3) und mit einem Verdichterlaufrad (7), wobei das Turbinenlaufrad (3) und das Verdichterlaufrad (7) drehfest mit der Welle (5) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (5) mindestens im Bereich einer Radiallagerfläche (27) eine Beschichtung (29) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.