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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine hydrodynamische Axiallagerung
zum Lagern eines Rotors in einem Stator, insbesondere bei einem
Abgasturbolader. Die Erfindung betrifft außerdem ein hydrodynamisches
Axiallager sowie einen Abgasturbolader mit einer derartigen Axiallagerung
bzw. mit einem derartigen Axiallager.
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Hydrodynamische
Lager bzw. hydrodynamische Gleitlager arbeiten mit einem Schmierölfilm zwischen
den aneinander zu lagernden Komponenten, also ohne Festkörperkontakt.
Dementsprechend eignen sich hydrodynamische Lager zur Realisierung besonders
reibungsarmer Lagerungen. Sie kommen bevorzugt dann zur Anwendung,
wenn hohe Lasten abgestützt
werden müssen
und/oder wenn hohe Drehzahlen gelagert werden müssen. Sie kommen beispielsweise
bei Abgasturboladern oder bei stationären Generatoren bzw. Turbinen
bei der Stromerzeugung, insbesondere bei Wasserkraftwerken, zum Einsatz.
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Ein
hydrodynamisches Axialgleitlager umfasst üblicherweise zumindest eine
statorseitige bzw. statorfeste Lagerfläche, die im Betrieb der Axiallagerung
mit einer rotorseitigen bzw. rotorfesten Stützfläche zusammenwirkt, um dadurch
axiale Lagerkräfte zu übertragen.
Beispielsweise umfasst ein hydrodynamisches Axialgleitlager eine
fest am Stator montierte Lagerscheibe, die auf beiden axialen Seiten
jeweils eine solche statorseitige Lagerfläche aufweist. Die beiden Lagerflächen können dabei
in einem ringförmigen
Lagerbereich angeordnet sein. Dieser Lagerbereich kann in Umfangsrichtung
segmentiert sein, wobei jedes Segment Keilabschnitte und Rastabschnitte
aufweist. Rotorseitig kann beispielsweise eine Lagerbuchse vorgesehen
sein, die zwei axial beabstandete und einander zugewandte, ringförmige Stützflächen aufweist,
die mit den Lagerflächen
der Lagerscheibe zusammenwirken. Die Lagerbuchse ist drehfest mit
dem Rotor verbun den und kann zumindest teilweise integral am Rotor
bzw. an einer Rotorwelle ausgebildet sein.
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt
sich mit dem Problem, für
die Lagerung eines Rotors in einem Stator, insbesondere bei einem
Abgasturbolader, eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich
insbesondere dadurch auszeichnet, dass eine reduzierte Reibung auftritt.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß durch
die Gegenstände
der unabhängigen
Ansprüche
gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die
vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, zumindest
eine statorseitige Lagerfläche
bzw. zumindest eine rotorseitige Stützfläche mit einer Riefenstruktur,
also mit einer riefenartigen Struktur zu versehen. Unter dem Begriff „Riefenstruktur” wird dabei
eine Struktur verstanden, die durch riefenartige Vertiefungen in
der jeweiligen Lagerfläche
erzeugt wird bzw. gebildet ist. Es hat sich gezeigt, dass mit Hilfe
einer solchen Riefenstruktur die viskose Reibung auf der jeweiligen
Lagerfläche bzw.
auf der jeweiligen Stützfläche reduziert
werden kann. Hierdurch wird zum Beispiel der Mitnahmeeffekt für das Schmieröl reduziert,
die Grenzschicht im Schmierölfilm
wird dadurch dünner
und führt
letztlich zu einer Reduzierung der Lagerreibung. Durch die verringerte
Reibung wird die Leistungsfähigkeit
der axialen Lagerung erhöht.
Gleichzeitig wird der Wärmeeintrag
in das Schmieröl
reduziert. Insgesamt kann eine signifikante Wirkungsgradsteigerung
für die
mit der vorgeschlagenen Axiallagerung ausgestattete Maschine, also
insbesondere für
einen Abgasturbolader, realisiert werden.
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Die
Erfindung nutzt hierbei Erkenntnisse aus der Bionik. Denn beispielsweise
besitzt ein Haifisch auf seiner Haut eine Haihautstruktur, die bei
mikroskopischer Betrachtung auch als komplexe Riefenstruktur bezeichnet
werden kann. Haifischhaut zeichnet sich unter anderem durch einen
extrem niedrigen Strömungswiderstand
aus. Die Erfindung schlägt quasi
vor, die Haihautstruktur in modifizierter, insbesondere stark vereinfachter
Form als Riefenstruktur auf die jeweilige Lagerfläche bzw.
Stützfläche zu übertragen,
um dort die viskose Reibung des Schmieröls an der jeweiligen Fläche zu reduzieren. Erklärt wird
die reibungsreduzierende Wirkung der Riefenstruktur unter anderem
damit, dass die Riefen in der Grenzschicht des Schmierölfilms Mikrowirbel erzeugen,
die zu einer Reduzierung der Grenzschichtdicke führen, was mit einer Abnahme
der viskosen Reibung einhergeht.
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Bevorzugt
wird die jeweilige Riefenstruktur als Mikrostruktur ausgestaltet,
so dass dann eine Mikroriefenstruktur vorliegt. Die Mikrostruktur
bzw. die Mikroriefenstruktur charakterisiert sich dadurch, dass sich
die einzelnen Riefen der Riefenstruktur hinsichtlich ihrer Höhe bzw.
Tiefe sowie hinsichtlich ihrer Breite bzw. ihres Abstands im einstelligen
oder zweistelligen Mikrometerbereich befinden. Derartige Mikrostrukturen
lassen sich beispielsweise mittels Lasergravurtechnik herstellen.
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Beispielsweise
kann die jeweilige Riefenstruktur geradlinige Riefen aufweisen,
die von einem Riefengrund stegartig abstehen. Bevorzugt besitzen benachbarte
Riefen einen Abstand voneinander, der kleiner ist als 50 μm oder maximal
25 μm beträgt. Ferner
können
diese Riefen bezogen auf den Riefengrund eine Höhe aufweisen, die kleiner ist
als 25 μm oder
maximal 12,5 μm
beträgt.
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Entsprechend
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann die Riefenstruktur
in mehreren Riefenzonen ausgebildet sein, wobei diese Riefenzonen
bezüglich
einer Rotationsachse des Rotors in Umfangsrichtung voneinander verteilt
an der jeweiligen Fläche,
also an der wenigstens einen Lagerfläche bzw. an der jeweiligen
Stützfläche angeordnet sind.
Somit kann insbesondere eine vergleichsweise große riefenfreie und bevorzugt
glatte Oberfläche
innerhalb der jeweiligen Lagerung verbleiben. Beispielsweise bedeckt
die Riefenstruktur maximal 25% oder maximal 10% der jeweiligen Fläche. Durch
diese Bauweise wird erreicht, dass die eigentliche Lagerungsfunktion
nach wie vor über
die verbleibende, riefenfreie Fläche
realisiert wird, während
die Riefenstruktur, die innerhalb der jeweiligen Fläche angeordnet
ist, zur gewünschten
Reibungsreduzierung führt. Da
somit nur ein vergleichsweise geringer Anteil der jeweiligen Fläche mit
der Riefenstruktur versehen werden muss, um die gewünschte reibungsreduzierende
Wirkung zu erzielen, ist auch der Aufwand zur Herstellung der mit
der Riefenstruktur versehenen Lagerung vergleichsweise gering.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, aus
den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand
der Zeichnungen.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert,
wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche
oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Es
zeigen, jeweils schematisch
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1 einen
stark vereinfachten, prinzipiellen Axialschnitt durch einen Abgasturbolader,
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2 eine
stark vereinfachte Axialansicht einer Lagerscheibe,
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3 eine
stark vereinfachte Radialansicht eines Lagerbereichs der Lagerscheibe,
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4 eine
vereinfachte Axialansicht des Lagerbereichs im Bereich eines Segments,
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5 eine
Ansicht wie in 4, jedoch bei einer anderen
Ausführungsform,
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6 eine
Ansicht wie in 4 und 5, jedoch
bei einer weiteren Ausführungsform,
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7 eine
stark vergrößerte, vereinfachte, teilweise
geschnittene, perspektivische Ansicht einer Riefenstruktur.
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Entsprechend 1 umfasst
ein Abgasturbolader 1, der beispielsweise zum Aufladen
einer Brennkraftmaschine verwendet werden kann, die sich insbesondere
in einem Kraftfahrzeug befinden kann, einen Rotor 2 und
einen Stator 3. Der Rotor 2 des Abgasturboladers 1 kann
dabei in üblicher
Weise eine Welle 4 aufweisen, die drehfest mit einem Verdichterrad 5 und
einem Turbinenrad 6 verbunden sein kann. Außerdem trägt die Welle 4 im
gezeigten Beispiel drehfest eine Lagerbuchse 7. Der Stator 3 ist üblicherweise
durch ein Gehäuse 8 des
Abgasturboladers 1 gebildet, in dem die Frischluftführung und Abgasführung erfolgt.
Der Rotor 2 ist mit Hilfe wenigstens eines Radiallagers 9 um
eine Rotationsachse 10 drehbar im Stator 3 gelagert.
Die Radiallager 9 sind dabei bevorzugt so ausgebildet,
dass sie im Betrieb des Turboladers 1 jeweils eine hydrodynamische
Radiallagerung 11 zwischen Rotor 2 und Stator 3 realisieren
können.
Dementsprechend handelt es sich hierbei um hydrodynamische Radiallager 9.
Der Rotor 2 ist gemäß 1 über wenigstens
ein Axiallager 12 am Stator 3 abgestützt. Dieses
Axiallager 12 ist so ausgebildet, dass es eine hydrodynamische Axiallagerung 13 zwischen
Rotor 2 und Stator 3 realisiert. Dementsprechend
ist das Axiallager 12 als hydrodynamisches Axiallager 12 ausgestaltet.
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Das
hydrodynamische axial wirkende Gleitlager 12 umfasst statorseitig
zumindest eine Lagerfläche 14 und
rotorseitig zumindest eine Stützfläche 15,
die im Betrieb des Axiallagers 12 zur Übertragung axialer Lagerkräfte zusammenwirken.
Im bevorzugten Beispiel sind zwei Lagerflächen 14 vorgesehen, die
mit zwei Stützflächen 15 zusammenwirken,
wobei die jeweilige Lagerfläche-Stützfläche-Kombination in entgegengesetzten
Richtungen wirken, um Lagerkräfte
in beiden Axialrichtungen der Rotationsachse 10 aufnehmen
zu können.
Somit lassen sich über
das Axiallager 12 am Rotor 2 wirkende Zugkräfte und Druckkräfte am Stator 3 abstützen. Die
Lagerflächen 14 erstrecken
sich bezüglich
der Rotationsachse 10 in Umfangsrichtung und sind bezüglich der
Rotationsachse 10 radial orientiert.
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Zur
Realisierung des Axiallagers 12 ist im gezeigten, bevorzugten
Beispiel eine Lagerscheibe 16 drehfest und axial fest am
Stator 3 befestigt. Sie wirkt mit der Lagerbuchse 7 zusammen,
die ihrerseits axial fest und drehfest an der Welle 4 befestigt
ist. Die Lagerscheibe 16 besitzt radial innen einen ringförmigen Lagerbereich 17,
der an den axialen Stirnseiten der Lagerscheibe 16 die
beiden Lagerflächen 14 aufweist.
Die Lagerflächen 14 sind
somit an voneinander abgewandten Seiten der Lagerscheibe 16 angeordnet.
Die Lagerbuchse 7 besitzt eine radial offene Ringnut 18,
in welche die Lagerscheibe 16 mit ihrem Lagerbereich 17 eingreift.
In dieser Ringnut 18 sind die beiden Stützflächen 14 der Lagerbuchse 7 ausgebildet,
und zwar an zwei sich axial gegenüberliegenden Seiten. Zweckmäßig kann
die Lagerbuchse 7 geteilt sein und/oder zumindest teilweise
in die Welle 4 integriert sein, also mit dieser in einem
Stück hergestellt
sein.
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Entsprechend
den 2 bis 4 ist die jeweilige Lagerfläche 14 in
der Umfangsrichtung segmentiert ausgestaltet. Die einzelnen Segmente 19 umfassen
dabei jeweils drei Abschnitte, nämlich
einen Keilabschnitt 20, einen Rastabschnitt 21 und
einen Distanzabschnitt 22. Die Rastabschnitte 21 liegen
jeweils in einer Radialebene 23, die sich senkrecht zur
Rotationsachse 10 erstreckt. Die Keilabschnitte 20 sind
ebenfalls eben ausgestaltet, sind jedoch gegenüber den Rastabschnitten 21 bzw.
gegenüber
den Radialebenen 23 geneigt. Die Distanzabschnitte 22 können grundsätzlich beliebig
ausgestaltet sein und sind von den Radialebenen 23, in
denen sich die Rastabschnitte 21 erstrecken, axial beabstandet.
Im Extremfall können
die Distanzabschnitte 22 auf eine Materialstärke von
Null reduziert werden, so dass die Distanzabschnitte 22 eine
Lücke bilden,
die benachbarte Segmente 19 voneinander trennt. Im Beispiel
sind beide Lagerflächen 14 mit
der Segmentierung 19 und mit den Keilabschnitten 20 und
den Rastabschnitten 21 ausgestattet. Im Unterschied dazu
sind die Stützflächen 15 durchgehend eben
ausgestaltet und erstrecken sich parallel zu den zuvor genannten
Radialebenen 23 der Rastabschnitte 21. Es ist
klar, dass grundsätzlich
auch eine umgekehrte Bauweise denkbar ist oder eine Kombination daraus.
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In
den Keilabschnitten 20 und/oder in den Rastabschnitten 21 können hier
nicht dargestellte Öffnungen
vorhanden sein, durch die das Schmieröl in das jeweilige Axiallager 12 gelangt.
Diese Öffnungen
kommunizieren dabei mit einem im Inneren der Lagerscheibe 16 ausgebildeten,
hier nicht gezeigten Kanalsystem zur Versorgung des Axiallagers 12 mit Schmieröl.
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Entsprechend
den 4 bis 7 ist das hier vorgestellte
Axiallager 12 mit einer Riefenstruktur 24 ausgestattet.
Diese Riefenstruktur 24 kann dabei an wenigstens einer
der Lagerflächen 14 und/oder
an wenigstens einer der Stützflächen 15 ausgebildet
sein. Im dargestellten, bevorzugten Beispiel sind beide Lagerflächen 14 mit
einer derartigen Riefenstruktur 24 versehen. Im Unterschied
dazu sind hier die Stützflächen 15 jeweils
ohne derartige Riefenstruktur 24 realisiert. Es ist jedoch
klar, dass zusätzlich
auch die Stützflächen 15 die
Riefenstruktur 24 aufweisen können. Ebenso ist es möglich, nur die
Stützflächen 15 mit
der Riefenstruktur 24 zu versehen.
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Diese
Riefenstruktur 24 charakterisiert sich entsprechend 7 durch
Vertiefungen, die in die jeweilige Fläche 14, 15,
hier in die jeweilige Lagerfläche 14 eingebracht
sind. Die Riefenstruktur 24 besitzt dadurch einen Riefengrund 25,
von dem stegartige Strukturelemente, nämlich die Riefen 26 abstehen. Die
Darstellung der 7 ist dabei mit übertrieben großem Maßstab wiedergegeben.
Die Riefenstruktur 24 ist nämlich vergleichsweise klein
dimensioniert und insbesondere als Mikrostruktur bzw. Mikroriefenstruktur
ausgestaltet. Dementsprechend liegen die Abmessungen der Riefen 26 innerhalb
der Riefenstruktur 24, wie zum Beispiel eine Riefenbreite
S, die durch den Abstand zwischen zwei benachbarten Riefen 26 definiert
ist, sowie eine Riefenhöhe
H, die durch den Abstand einer Riefenoberseite 27, die
hier als Kante oder Spitze ausgebildet ist, vom Riefengrund 25 definiert
ist, im zweistelligen oder sogar auch im einstelligen Mikrometerbereich.
Beispielsweise kann der Abstand S benachbarter Riefen 26 kleiner
als 50 μm
sein. Bevorzugt beträgt
der Abstand S maximal 25 μm.
Insbesondere liegt besagter Abstand S in einem Bereich von einschließlich 15 μm bis einschließlich 25 μm. Im Unterschied
dazu beträgt die
Höhe H
etwa 50% des Abstands S. Sie kann beispielsweise in einem Bereich
von einschließlich
40% bis einschließlich
60% des Abstands S liegen. Somit ist die Höhe H insbesondere kleiner als
25 μm. Bevorzugt
beträgt
sie maximal 12,5 μm.
Vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei
welcher die Höhe
H in einem Bereich von einschließlich 7,5 μm bis einschließlich 12,5 μm liegt.
Derartige kleine, mikroskopische Riefenstrukturen 24 lassen
sich beispielsweise mittels Lasergravurtechnik in die jeweilige
Fläche 14 bzw. 15 einarbeiten.
Grundsätzlich
sind jedoch auch andere Herstellungsverfahren denkbar, insbesondere Ätztechniken,
Funkenerosionsverfahren sowie zerspanende Verfahren.
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Im
gezeigten Beispiel besitzen die Riefen 26 bezüglich ihrer
Längsrichtung
jeweils ein Dreieck-Profil. Ebenso sind auch andere Profilgeometrien
denkbar. Die Riefen 26 erstrecken sich zweckmäßig geradlinig;
sie können
sich jedoch auch gekrümmt
erstrecken.
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Entsprechend
den 4 bis 6 ist die Riefenstruktur 24 bevorzugt
innerhalb mehrerer Riefenzonen 28 ausgebildet, die in den
Figuren durch Rahmen angedeutet sind. Diese Riefenzonen 28 sind
dabei bezogen auf die Rotationsachse 10 des Rotors 2 in
einer durch einen Pfeil angedeuteten Umfangsrichtung 29 verteilt
an der jeweiligen Lagerfläche 14 bzw.
Stützfläche 15 angeordnet.
Die Riefenstrukturen 24 bzw. die Riefenzonen 28 sind
bevorzugt so positioniert, dass sie nicht durch die das Schmieröl zuführenden Öffnungen
hindurchführen. Bezüglich der
Umfangsrichtung sind sie somit jeweils zwischen den Ölversorgungsöffnungen
angeordnet.
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In
den Beispielen der 4 bis 6 erstrecken
sich die Riefenzonen 28 jeweils nur in einem begrenzten
Bereich bezüglich
einer radialen Abmessung oder Tiefe 30 der jeweiligen Lagerfläche 14. Grundsätzlich können in
der Radialrichtung auch mehrere Riefenzonen 28 nebeneinander
und insbesondere zueinander radial beabstandet angeordnet sein.
Auch ist es möglich,
eine einzige Riefenzone 28 so auszugestalten, dass sie
sich über
die gesamte Tiefe 30 der Axiallagerung 13 erstreckt.
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Bei
der in 4 gezeigten Ausführungsform erstrecken sich
die Riefenzonen 28 entlang einer Krümmung. Das heißt, sie
sind in einer in den 4 bis 6 erkennbaren
Projektion, die parallel zur Rotationsachse 10 des Rotors 2 orientiert
ist, gekrümmt. Bevorzugt
erstrecken sich die Riefenzonen 28 dabei mit der gleichen
Krümmung
wie die ringförmige
Fläche 14 (oder 15),
also in Umfangsrichtung.
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Entsprechend 5 und 6 können sich die
Riefenzonen 28, insbesondere bezüglich der achsparallelen Projektion
geradlinig erstrecken. 5 zeigt dabei eine Ausführungsform,
bei welcher sich die Riefenzonen 28 parallel zu Tangenten
der Umfangsrichtung 29 erstrecken. Im Unterschied dazu
zeigt 6 eine Ausführungsform,
bei der erste und zweite Riefenzonen 28 vorgesehen sind,
die bezüglich
Tangenten 31, die in 6 durch
unterbrochene Geraden dargestellt sind, mit entgegengesetzter Neigung
angeordnet sind und sich dabei schneiden. Die Riefenzonen 28 sind
hierbei nach Art einer Kreuzschraffur angeordnet. Die entgegengesetzten Neigungswinkel
können
betragsmäßig gleich
groß sein.
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Innerhalb
der einzelnen Riefenzonen 28 können sich die Riefen 26 parallel
zur jeweiligen Riefenzone 28 bzw. mit der gleichen Krümmung erstrecken. Bei
der Ausführungsform
der 4 erstrecken sich somit die Riefen 26 gekrümmt, während sie
sich bei den Ausführungsformen
der 5 und 6 jeweils geradlinig erstrecken.
Die Längsrichtung
der Riefen 26 ist in den 4 bis 6 innerhalb
der Riefenzonen 28 jeweils durch einen Pfeil 32 angedeutet.
Wie erläutert
können
sich die Riefenzonen 28 bzw. kann sich die Riefenstruktur 24 über eine
wesentliche radiale Tiefe 30 der Axiallagerung 13,
also über
wenigstens 80% der radialen Gesamttiefe 30 der Axiallagerung 13 erstrecken.
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Anhand 7 wird
die Funktionsweise der hier vorgestellten Axiallagerung 13 bzw.
des hier vorgestellten Axiallagers 12 näher erläutert. Im Betrieb des Turbo laders 1 rotiert
die Welle 4. Durch diese Rotation wird das Schmieröl, das sich
im Spalt zwischen den miteinander zusammenwirkenden Flächen 14, 15 befindet,
in der Umfangsrichtung beschleunigt bzw. angetrieben. Dabei strömt das Schmieröl andererseits
in Umfangsrichtung mit einer Geschwindigkeit U und andererseits
in radialer Richtung mit einer Geschwindigkeit V. Über die
jeweilige Riefe 26 tritt das sich nahe an der hier betrachteten
Fläche 14, 15 befindende
Schmieröl
mit einer Geschwindigkeit W in die Riefenstruktur 24 ein.
Besagte Geschwindigkeit W besteht dabei aus den genannten Geschwindigkeitskomponenten
U und V. Innerhalb der Riefenstruktur 24 trifft die eintretende Ölströmung am
Riefengrund 25 auf eine untere Kante der benachbarten Riefe 26.
Als Folge entsteht an dieser Stelle ein Mikrowirbel 33,
der bezüglich
der Längsrichtung 32 der Riefen 26 rotiert.
Das heißt,
die Rotationsachse des jeweiligen Mikrowirbels 33 verläuft parallel
zur Längsrichtung 32 der
jeweiligen Riefen 26. Diese Mikrowirbel 33 bewirken
einen Austausch der laminaren Untergrenzschicht mit der oberen Grenzschicht,
die höhere
Strömungsgeschwindigkeiten
besitzt. Hierdurch kann die Dicke der Strömungsgrenzschicht reduziert und
somit die Reibleistung im Schmierölfilm des Axiallagers 12 reduziert
werden.