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Die
Erfindung betrifft einen Turbolader zur Luftversorgung eines Antriebsaggregats
nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 und nach dem Oberbegriff
von Patentanspruch 7.
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Derartige
Turbolader sind aus dem Stand der Technik allgemein bekannt. Üblicher
Weise wird eine Antriebswelle des Turboladers mittels einer Fest-Loslagerung
im Turboladergehäuse
gelagert. Das Festlager nimmt hierbei neben den Radialkräften die
im Betrieb des Turboladers dominierenden Axialkräfte auf, die aufgrund der Gaskräfte auf
das Verdichterrad des Turboladers näherungsweise mit steigender Drehzahl
linear zunehmen. Das Loslager dient dagegen lediglich der Abstützung der
Radialkräfte
der bewegten Antriebswelle. Die Lager sind dabei üblicher Weise
als Wälzlager
ausgeführt.
Bekannte Wälzlager haben
nur eine geringe Eigendämpfung.
Hierdurch können
Kraftspitzen auf die Lager einwirken, die insbesondere wenn sie
periodisch in der Nähe
der ersten biegkritischen Eigenfrequenz auftreten, zu starkem Lagerverschleiß führen können. Weiterhin
können
externe Krafteinflüsse
auf die Lager – beispielsweise
durch Stöße, wie
sie im Fahrbetrieb eines Kraftwagens mit einem solchen Turbolader
auftreten – ebenfalls
zu hohen Beanspruchungen der Lager führen. Ein weiteres Problem üblicher
Turbolader ist die hohe Körperschallübertragung
durch die direkte Koppelung der Lager mit dem Gehäuse des
Turboladers, was eine aufwendige externe Schallisolierung notwendig
macht.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Turbolader
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 7 so weiter zu entwickeln, dass der Lagerverschleiß reduziert
wird und die Körperschallübertragung
von den Lagern auf das Gehäuse
des Turboladers vermindert wird.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Turbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 sowie durch einen Turbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs
7 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass eine Lagerhülse
eines Loslagers zur Lagerung einer angetriebenen Welle des Turboladers über wenigstens ein
Dämpfungselement
mit einem Gehäuse
des Turboladers verbunden ist. Alternativ oder auch zusätzlich kann
auch eine Festlagerhülse
eines Festlagers zur Lagerung der angetriebenen Welle des Turboladers über wenigstens
ein Dämpfungselement
mit dem Gehäuse
verbunden sein.
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Die
jeweilige Lagerhülse
wird somit durch das Dämpfungselement
vom Gehäuse
entkoppelt, so dass sowohl die Körperschallübertragung
vom Lager auf das Gehäuse
als auch die Übertragung
von externen Kräften
vom Gehäuse
auf das Lager reduziert wird. Hierdurch wird vorteilhafter Weise
der Verschleiß des
jeweiligen Lagers reduziert und dessen Lebensdauer erhöht. Gleichzeitig
entfällt
die Notwendigkeit einer externen Schallisolierung, was den Turbolader
leichter und kostengünstiger
macht. Das Dämpfungselement
entlastet das Lager zusätzlich von
Zusatzkräften,
welche aus geometrischen Ungenauigkeiten der benachbarten Bauteile
zum Lager resultieren. Damit können
diese Bauteile mit höheren Toleranzen
gefertigt werden, was ihre Herstellung verbilligt.
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Im
Falle eines derartigen gedämpften
Loslagers stellt das Dämpfungselement
zudem sicher, dass sich die Lagerhülse, welche fest mit einem
Lageraußenring
verbunden ist, relativ zum Gehäuse
in axialer Richtung verschieben lässt. Die axiale Verschiebung
wird dabei durch eine Verformung des Dämpfungselementes ermöglicht.
Durch eine feste Verbindung des Dämpfungselementes mit der Lagerhülse und
dem Gehäuse
ist zudem sichergestellt, dass die axiale und radiale Führung der
Lagerhülse stets
spielfrei ist. Somit wird bei einer axialen Verschiebung ein sogenanntes
Ruckgleiten der Lagerhülse
(Stick-Slip) vermieden.
Auch bei Stößen und Vibrationen
kommt es zu keinem Kontakt zwischen den metallischen Oberflächen der
Lagerhülse
und des Gehäuses,
wodurch die bei üblichen
Gleitpaarungen auftretende Tribokorrosion vermieden wird und die
Lebensdauer des Lagers weiter erhöht wird. Die Verwirklichung
der axialen Beweglichkeit der Lagerhülse des Loslagers durch eine
Verformung des Dämpfungselements
stellt sicher, dass in allen Betriebsbedingungen des Turboladers
axiale Verlagerungen aufgrund von drehzahlbedingtem Axialversatz
der Wälzlager,
von thermischer Differenzdehnung zwischen Welle und Gehäuse oder
von fliehkraftbedingter Aufweitung der Welle, ausgeglichen werden.
Die erfindungsgemäße Ausführung erlaubt dabei
höhere Toleranzen
als die Anwendung von bekannten Gleitlagerungen oder Linearwälzlagerungen.
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Bevorzugter
Weise weist die Lagerhülse
des Loslagers zudem wenigstens einen die Lagerhülse umfänglich umlaufenden Kühlkanal
auf. Hierdurch wird eine Alterung der Lagerschmierstoffe durch erhöhte Temperaturen
vermieden. Dies sichert eine hohe Schmierstofflebensdauer, was ganz
besonders vorteilhaft ist, da der Schmierstoff in üblichen
Turboladern während
deren Lebensdauer nicht ausgetauscht werden kann. Zur Kühlung wird
dabei beispielsweise Wasser-Ethylenglykol in einem Mischungsverhältnis von
1 zu 1 verwendet.
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Um
eine zuverlässige
Abdichtung des Kühlkanals
sicherzustellen, ist diesem weiterhin bevorzugt ein elastomeres
Dichtelement zugeordnet. Die Zuordnung ist hierbei als räumliche
Zuordnung zu verstehen, das elastomere Dichtelement befindet sich
also räumlich
unmittelbar benachbart zum Kühlkanal
und dichtet diesen bevorzugt in axialer Richtung ab. Um das axiale
Spiel des Loslagers durch ein derartiges Dichtelement nicht zu beeinträchtigen,
ist dieses bevorzugt in axialer Richtung bezüglich der Antriebswelle kompressibel.
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Wie
bereits eingangs geschildert, kann die Schwingungsentkopplung von
Lagerhülse
und Gehäuse über ein
Dämpfungselement
auch bei einem Festlager des Turboladers Anwendung finden. Auch hier
erfolgt vorteilhaft eine Entkopplung der Festlagerhülse vom
Gehäuse,
so dass die Körperschallübertragung
von der Festlagerhülse
auf das Gehäuse
sowie die Übertragung
externer Kräfte
vom Gehäuse
auf die Festlagerhülse
reduziert wird. Wie bereits für
den Fall des gedämpften
Loslagers geschildert, wird so der Verschleiß des Festlagers reduziert.
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Auch
eine so gedämpfte
Festlagerhülse weist
bevorzugter Weise wenigstens einen diese umfänglich umlaufenden Kühlkanal
auf. Wenigstens ein Dichtungselement ist dabei bevorzugt so angeordnet,
dass der Kühlkanal
durch dieses in axialer Richtung bezüglich der Antriebswelle abgedichtet
ist. Hierdurch entfällt
die Notwendigkeit zusätzlicher Dichtungselemente
an den Kühlkanälen des
Festlagers, wodurch der Turbolader vorteilhafter leichter gestaltet
werden kann. Zudem können
die Dichtungselemente axial wirkende Kräfte aufnehmen, so dass in diesem
Fall die axiale Position der Festlagerhülse auch bei Krafteinwirkungen – beispielsweise durch
externe Kräfte
oder durch axiale Kräfte,
welche durch Gaskräfte
auf das Verdichterrad des Turboladers hervorgerufen werden – immer
fest bleibt. Die radiale Zentrierung und Führung des Festlagers erfolgt über die
Dämpfungselemente.
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Sowohl
bei einem derart gedämpften
Loslager als auch bei einem derart gedämpften Festlager ist das Dämpfungselement
bevorzugt aus einem Elastomer ausgebildet. Elastomere Dämpfungselemente
können
herstellungstechnisch besonders einfach durch Spritzgießen, Verkleben
oder Einpressen in einen Nut mit der Lagerhülse bzw. dem Gehäuse des
Turboladers verbunden werden. Als Elastomere bieten sich hierbei
insbesondere Polyurethan, Silicon oder Acryl-Polymere an, welche
auch aufgeschäumt werden
können.
Ein besonders vorteilhaftes Material für die Dämpfungselemente ist ein gemischtzelliger Polyurethanschaum,
der mit einem mechanischen Verlustfaktor von 0,55 eine hervorragende
Dämpfung sicherstellt.
Auch die Temperaturbeständigkeit
von derartigen Polyurethanschäumen
ist besonders gut, so dass ein fehlerfreier Betrieb eines solchen
Turboladers über
die in seinem Betrieb üblicherweise
auftretenden Temperaturbereiche immer sichergestellt ist.
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Im
Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnungen
näher erläutert werden.
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Hierbei
zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht der Lagerung einer Antriebswelle eines Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Turboladers.
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2 eine
Schnittdarstellung durch das Loslager des Ausführungsbeispiels aus 1 und
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3 eine
Schnittdarstellung durch das Festlager des Ausführungsbeispiels aus 1.
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Eine
Antriebswelle 10 eines Turboladers wird üblicher
Weise in einer Fest-Loslagerkombination
in einem in der Figur nicht dargestellten Lagergehäuse gelagert.
Das Loslager 12 befindet sich dabei in der Regel auf der
Antriebsseite 14 der Welle 10. Im gezeigten Ausführungsbeispiel
ist der Antrieb nicht dargestellt. Bevorzugt handelt es sich hierbei
jedoch um einen elektrischen Antrieb, so dass der Turbolader zum
Versorgen einer Brennstoffzelle mit Ladeluft geeignet ist. Selbstverständlich kann
die gezeigte Lagerung auch bei einem turbinengetriebenen Abgasturbolader
Anwendung finden. Das Festlager 16 der Lageranordnung befindet
sich auf der Seite des Verdichterrades 18, welches die
Reaktionsluft für
die Brennstoffzelle verdichtet und fördert.
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Das
Loslager 12, das in 2 in Schnittdarstellung
gezeigt ist, dient dazu, axiale Verlagerungen bezüglich der
Rotationssymmetrieachse 20 der Welle 10 auszugleichen.
Solche axialen Verlagerungen entstehen durch einen drehzahlbedingten
Axialversatz der Kugellager 22 des Loslagers 12,
durch thermische Differenzdehnung zwischen der Welle 10 und dem
Gehäuse 24 des
Turboladers, sowie durch eine fliehkraftbedingte Aufweitung und
die damit einhergehende Verkürzung
der Welle 10. Es ist daher notwendig, dass das Loslager 12 unter
allen Betriebsbedingungen gegenüber
der Welle 10 frei verschiebbar ist.
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Im
Loslager 12 erfolgt die eigentliche Lagerung über ein
Wälzlager 22,
dessen innerer Lagerring 26 drehfest mit der Welle 10 und
dessen äußerer Lagerring 28 drehfest
mit einer Lagerhülse 30 verbunden
ist. Zwischen den Lagerringen 26, 28 sind die Wälzkörper 32 angeordnet.
Die Lagerhülse 30 steht bei
aus dem Stand der Technik bekannten Lagerungen in Gleitpaarung mit
dem Gehäuse 24.
Unter gewissen Betriebsbedingungen, beispielsweise bei unterschiedlichen
thermischen Ausdehnungen der einzelnen Bauteile kann es daher zu
Kontaktkräften
zwischen Lagerhülse 30 und
Gehäuse 24 kommen,
welche eine freie Beweglichkeit des Lagers 12 gegenüber dem
Gehäuse 24 beeinträchtigen.
Um diesem Effekt vorzubeugen, ist es erfindungsgemäß vorgesehen,
zwischen Gehäuse 24 und
Lagerhülse 30 Dämpfungselemente 34 vorzusehen.
Diese bestehen aus einem Polymer, bevorzugt aus einem gemischtzelligen
Polyurethanschaum. Durch die Dämpfungselemente 34 wird
ein direkter Metall-Metall-Kontakt
zwischen Gehäuse 24 und
Lagerhülse 30 vermieden.
Bei unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen der beiden Bauteile 24, 30 kompensieren
die Dämpfungselemente 34 den
entstehenden Versatz, so dass die freie Verschiebbarkeit zwischen Lagerhülse 30 und
Gehäuse 24 immer
gewährleistet bleibt.
Zusätzlich
sorgen die Dämpfungselemente 34 dafür, dass
im Lager 12 entstehender Körperschall nicht direkt auf
das Gehäuse 24 übertragen
werden kann. Damit können
gegebenenfalls aufwendige externe Schalldämmungsmaßnahmen entfallen. Gleichzeitig
verhindern die Dämpfungselemente 34 die Übertragung
von Stößen vom
Gehäuse 24 auf
die Lagerhülse 30,
so dass unerwünschte
Belastungen vom Lager 12 ferngehalten werden.
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In
der Lagerhülse 30 sind
zusätzlich
die Lagerhülse 30 umfänglich umlaufende,
ringförmige Kühlkanäle 36 vorgesehen.
Diese werden im Betrieb des Lagers 12 beispielsweise von
einem Wasser-Ethylenglykol-Gemisch, bevorzugt in einem Mischungsverhältnis von
1 zu 1 durchspült.
Hierdurch wird eine Überhitzung
der Schmierstoffe im Wälzlager 22 vermieden,
wodurch deren Lebensdauer erhöht
wird. Zur Abdichtung der Kühlkanäle 36 sind Dichtungselemente 38 vorgesehen,
bei denen es sich beispielsweise um O-Ringe aus einem Elastomer
handeln kann. Die Dichtungselemente 38 verlaufen dabei
in Nuten 40 der Lagerhülse 30 und
sind an die Innenwandung 42 des Gehäuses 24 angepresst.
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Die
Entkopplung von Lagerhülse
und Gehäuse
kann auch beim Festlager 16 Anwendung finden, wie in 3 dargestellt.
Das Festlager 16 umfasst zwei Wälzlager 22 mit jeweils
einem inneren, bezüglich
der Welle 10 drehfesten Lagerhülse 30 und einer äußeren bezüglich einer
Festlagerhülse 44 drehfesten
Lagerring 28, wobei in bekannter Weise zwischen den Lagerringen 26, 28 Wälzkörper 32 angeordnet
sind. Auch in der Festlagerhülse 44 sind diese
umfänglich
umlaufende, ringförmige
Kühlkanäle 46 vorgesehen.
Auch beim Festlager 16 erfolgt eine Entkoppelung der Festlagerhülse 44 vom
Gehäuse 24 durch
Dichtungselemente 48. Diese sind axial bezüglich der
Achse 20 der Welle 10 seitlich der Kühlkanäle 46 angeordnet
und dienen daher nicht nur der Dämpfung,
sondern gleichzeitig der Abdichtung der Kühlkanäle 46. Im Falle des
Festlagers werden die Dichtungselemente 48 unter Vorspannung montiert.
Sie dienen hier nicht wie beim Loslager 12 der Ermöglichung
einer Axialbewegung, sondern sollen diese vielmehr verhindern. In
axialer Richtung einwirkende Kräfte,
wie beispielsweise die in Richtung des Pfeiles 50 wirkenden
Gaskräfte
des Verdichterrades 18, werden von den Dichtungselementen 48 kompensiert,
so dass das Festlager 16 axial immer eine feste Position
gegenüber
dem Gehäuse 24 beibehält. Zur
weiteren Abstützung
können
hierbei gegebenenfalls zusätzliche,
axial neben der Festlagerhülse 44 angeordnete
Abstützelemente 52 vorgesehen
sein, welche ebenfalls aus einem Polymer gebildet sind.
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Zur
weiteren Vereinfachung des Aufbaus des Turboladers ist es weiterhin
möglich,
die bislang getrennt ausgebildeten Funktionen des Abdichtens des Kühlsystems
und des Dämpfens
und Führens
beider Lagerhülsen
mit einem einzigen Polymerformteil zu realisieren.