DE102009048511A1

DE102009048511A1 - Lagereinheit

Info

Publication number: DE102009048511A1
Application number: DE102009048511A
Authority: DE
Inventors: Heiko Schmidt
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2009-10-09
Filing date: 2009-10-09
Publication date: 2011-04-21

Abstract

Eine Lagereinheit (1) umfasst eine Welle (2), auf welcher mindestens ein Innenring (5, 6) angeordnet ist, sowie mindestens einen Außenring (4) und zwei Reihen zwischen dem Innenring (5, 6) und dem Außenring (4) angeordnete Wälzkörper (7), wobei jede Reihe der Wälzkörper (7) in einem von der Welle (2) abgehobenen Axialbereich (12) des Innenrings (5, 6) angeordnet ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine insbesondere für einen Turbolader geeignete, mindestens zwei Wälzkörperreihen aufweisende Lagereinheit.
Hintergrund der Erfindung
Eine Lagereinheit eines Turboladers ist beispielsweise aus der EP 0 504 138 B1 bekannt. Diese Lagereinheit ist als zweireihiges Kugellager mit einteiligem Außenring und geteiltem Innenring ausgeführt. Zur exakten Positionierung der Lagereinheit in einem Gehäuse des Turboladers ist ein Stift in miteinander fluchtende Bohrungen im Gehäuse sowie im Außenring des Lagers eingesetzt. Die in der EP 0 504 138 B1 als Lagerkassette bezeichnete Lagereinheit soll entlang der Achse des Stiftes beweglich sein, um Wellenauslenkungen auszugleichen, die auftreten können, wenn die Drehzahl der Welle des Turboladers kritische Frequenzen durchläuft.
Bei Wälzlagerungen für hohe Drehzahlen, wie sie beispielsweise bei Abgasturboladern auftreten, kommt es auf eine besonders genaue Einhaltung vorgegebener geometrischer Parameter, wie Lagerspiel und Druckwinkel, an. Soll eine aus Einzelteilen zusammengebaute Vorrichtung insgesamt eine besonders hohe Präzision aufweisen, so kommen grundsätzlich verschiedene Wege zur Erreichung dieses Ziels in Betracht: Zum Einen können für jedes Einzelteil sehr geringe Toleranzbereiche vorgegeben werden. Zum Anderen kann von einem etwas weiteren Toleranzbereich für jedes Einzelteil ausgegangen werden, wobei nach der Herstellung einer Vielzahl von Einzelteilen diese derart gruppiert werden, dass jede so genannte Maßgruppe an Einzelteilen innerhalb eines definierten, engen Teilbereichs des jeweiligen Toleranzbereichs liegt. Zum Zusammenbau der Vorrichtung werden schließlich Einzelteile aus zusammenpassenden Maßgruppen ausgewählt.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lagereinheit für eine mit hoher Drehzahl rotierende Welle, insbesondere in einem Turbolader, anzugeben, welche ein besonders günstiges Verhältnis zwischen Herstellungsaufwand und erzielbarer mechanischer Präzision aufweist.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Lagereinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Lagereinheit umfasst eine Welle, auf welcher mindestens ein Innenring angeordnet ist, sowie mindestens einen zugehörigen Außenring. Zwischen dem mindestens einen Innenring und dem mindestens einen Außenring rollen mindestens zwei Wälzkörperreihen ab. Jede Reihe der Wälzkörper ist in einem Axialbereich des Innenrings angeordnet, welcher von der Welle abgehoben, das heißt in radialer Richtung beabstandet, ist.
Die Begriffe „axial” und „radial” beziehen sich stets auf die Symmetrieachse der Welle, das heißt die Rotationsachse der Lagereinheit.
Dadurch, dass der Innenring in jedem Axialbereich, in dem er eine Laufbahn für die Wälzkörper der Lagereinheit aufweist, von der Welle abgehoben ist, wird in dem genannten Bereich keine Kraft direkt von der Welle in den Innenring eingeleitet. Dies sorgt dafür, dass für den Betrieb der Lagereinheit besonders wichtige Parameter, insbesondere Spiel und Druckwinkel, relativ tolerant gegenüber Schwankungen, betreffend die Abmessungen der Einzelteile der Lagereinheit, sind. Der Begriff Schwankungen bezieht sich hierbei sowohl auf geometrische Unterschiede zwischen Teilen einer Serie, als auch auf Abmessungsänderungen, die bei einer bestimmten Lagereinheit während des Betriebes, insbesondere durch thermische Einflüsse, auftreten.
Vorzugsweise ist der Innenring der Lagereinheit mit Presssitz auf der Welle gehalten. Der Presssitz erstreckt sich nur über einen Teilbereich der axialen Ausdehnung des Innenrings. Damit ist es im Vergleich zu einem Lagerring, welcher über seine volle Länge auf eine Welle aufgepresst ist, relativ leicht, in gewünschter Weise Axialkräfte zwischen den Stirnseiten des Innenrings zu übertragen.
In bevorzugter Ausgestaltung ist der Innenring als geteilter Lagerring ausgeführt, während der Außenring einteilig ist. Der geteilte Innenring umfasst zwei einzelne, vorzugsweise aneinander stoßende Lagerringe, wobei jeder dieser einzelnen Innenringe im Fall eines als zweireihiges Wälzlagers ausgebildeten Lagers eine Laufbahn für jeweils eine Wälzkörperreihe aufweist. In Fällen, in denen das Lager mehr als zwei Wälzkörperreihen umfasst, also mindestens einer der beiden Innenringe mehr als eine Laufbahn aufweist, befindet sich jede dieser Laufbahnen des betreffenden Innenrings in einem von der Welle abgehobenen Teilbereich dieses Innenrings, wobei axial zwischen diesen Teilbereichen eine die Welle kontaktierende Stütz- oder Zentrierfläche des Innenrings vorgesehen sein kann, welche den von der Welle abgehobenen Bereich, auch als freigestellter Bereich bezeichnet, unterbricht.
Gemäß einer ersten Variante weist jeder Innenring genau einen mit Presssitz auf der Welle gehaltenen Axialbereich auf. Der mit Presssitz die Welle kontaktierende Axialbereich ist von dem Bereich des Innenrings, in welchem sich die Laufbahn befindet, vorzugsweise axial geringer beabstandet als von der der Laufbahn abgewandten, den zweiten Innenring kontaktierenden Stirnseite des Innenrings. In einer möglichen Bauform ist der einzige mit Presssitz auf der Welle gehaltene Axialbereich des Innenrings geringer von der äußeren Stirnseite des Innenrings als von der den zweiten Innenring kontaktierenden, inneren Stirnseite beabstandet, wobei sich die Laufbahn axial zwischen der äußeren Stirnseite und dem Presssitz befindet. Der relativ nah an der Laufbahn angeordnete Presssitz sorgt für eine gute Zentrierung des Innenrings. Abweichend von dieser Bauform kann sich der Presssitz auch annähernd bis zur inneren Stirnseite erstrecken, womit die Zentrierung weiter verbessert ist.
Gemäß einer zweiten, besonders bevorzugten Variante weist jeder Innenring zwei mit Presssitz auf der Welle gehaltene Axialbereiche auf. Mit dieser zweifachen Abstützung des Innenrings auf der Welle ist eine besonders gute Koaxialität zwischen Welle und Innenring erzielbar. Zugleich kann die gesamte Breite der beiden mit Presssitz auf der Welle gehaltenen Axialbereiche im Vergleich zu einem einzigen, sich annähernd bis zur inneren Stirnseite erstreckenden Presssitz relativ gering gehalten werden, womit eine vergleichsweise leichte Verschiebung des Innenrings auf der Welle und damit eine definierte Übertragung von Axialkräften zwischen den beiden Innenringen möglich ist.
Bei jeder der beiden Varianten erstreckt sich der von der Welle abgehobene, eine Laufbahn für Wälzkörper aufweisende Axialbereich des Innenrings vorzugsweise bis zur Stirnseite, nämlich der dem zweiten Innenring abgewandten, äußeren Stirnseite, der Lagereinheit. Als Wälzkörper der Lagereinheit sind vorzugsweise Kugeln vorgesehen, wobei die Kugeln der beiden Wälzkörperreihen bevorzugt in O-Anordnung positioniert sind. Alternativ ist prinzipiell auch eine X-Anordnung der Wälzkörper realisierbar.
Die anmeldungsgemäße Lagereinheit ist nicht nur für Turbolader, sondern beispielsweise auch zur Lagerung einer Ausgleichswelle in einem Verbrennungsmotor, insbesondere Vierzylindermotor, geeignet. Ebenso ist die Lagereinheit beispielsweise für schnell rotierende Teile in Textilmaschinen oder Werkzeugmaschinen verwendbar.
Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen, teilweise vereinfacht:
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Lagereinheit eines Turboladers,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Lagereinheit eines Turboladers,
3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Lagereinheit eines Turboladers,
4 ein Detail einer Lagereinheit eines Turboladers.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
Einander entsprechende oder gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
In jedem der Ausführungsbeispiele nach den 1 bis 3 dient eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnete Lagereinheit der Lagerung einer Welle 2 eines nur andeutungsweise dargestellten Turboladers, hinsichtlich dessen grundsätzlicher Funktionsweise auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen wird. In den 1 bis 3 jeweils auf der linken Seite ist ein drehfest mit der Welle 2 verbundenes Verdichterrad 3 angedeutet, während ein auf der rechten Seite der Welle 2 angeordnetes, ebenfalls drehfest mit dieser verbundenes Turbinenrad nicht dargestellt ist.
Die Lagereinheit 1 weist einen Außenring 4, zwei auf die Welle 2 aufgepresste Innenringe 5, 6, sowie zwei Reihen Wälzkörper 7, nämlich Kugeln, auf. Die axiale Erstreckung des Außenrings 4 entspricht annähernd der gesamten axialen Erstreckung der beiden Innenringe 5, 6. Die Kugeln 7 befinden sich in O-Anordnung in der Lagereinheit 1 und sind jeweils in einem Käfig 8 geführt.
Die als vormontierte Baueinheit konzipierte Lagereinheit 1 wird bei der Montage des Turboladers von der Seite des – hierbei noch nicht montierten – Verdichterrades 3 aus auf die Welle 2 geschoben, bis der turbinenseitige Innenring 6 an einer Wellenflanke 9 der Welle 2 anschlägt. Anschließend werden – nach dem Aufsetzen des Verdichterrades 3 – die Innenringe 5, 6 zwischen einem verdichterseitigen Ringträger 10 und der Wellenflanke 9 verklemmt, wobei eine Axialkraft durch eine auf der Außenseite des Verdichterrades 3 angeordnete Mutter 11 aufgebracht wird. Die axiale Verklemmung der Innenringe 5, 6 trägt dazu bei, dass diese verdrehgesichert auf der Welle 2 angeordnet sind.
Die Innenringe 5, 6 sind auf die Welle 2 aufgepresst, wobei sie teilweise, nämlich in einem Axialbereich 12, in welchem sich die Wälzkörper 7 befinden, von der Welle 2 abgehoben sind. Durch die Presspassung zwischen Innenring 5, 6 und Welle 2 wird der Innenring 5, 6 bei der Montage etwas aufgeweitet. Dadurch, dass die Laufbahnen der Wälzkörper 7 von der Presspassung axial beabstandet sind, ergibt sich im Bereich der Laufbahnen höchstens eine sehr geringe Aufweitung, die praktisch nicht vom genauen Übermaß der Presspassung abhängig ist. Insbesondere das Axialspiel der Lagereinheit 1 ist somit von Toleranzen der Welle 2 sowie der Lagerringe 4, 5, 6 nahezu unabhängig. Unterschiedliche Gestaltungsmöglichkeiten der Presspassungen werden im Folgenden anhand der 1 bis 3 erläutert.
Im Ausführungsbeispiel nach 1 weist jeder Innenring 5, 6 zwei Axialbereiche 13, 14 auf, in denen eine Presspassung gegeben ist. An den von der Welle 2 abgehobenen Axialbereich 12, welcher sich bis zu einer äußeren Stirnseite 15 des jeweiligen Innenrings 5, 6 erstreckt, grenzt der erste mit Presspassung auf der Welle 2 sitzende Axialbereich 13, während der zweite derartige Axialbereich 14 nahe einer inneren Stirnseite 16 angeordnet ist, an welcher die Lagerringe 5, 6 aneinander stoßen. Der nur partielle Presssitz des Innenrings 5, 6 auf der Welle 2 ermöglicht eine weitgehend ungehinderte Durchleitung der axialen Klemmkraft zwischen dem Ringträger 10 und der Wellenflanke 9 durch die beiden Innenringe 5, 6 und damit eine zuverlässige Verdrehsicherung.
Das Ausführungsbeispiel nach 2 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel nach 1 dadurch, dass an Stelle der beiden mit Presssitz auf der Welle 2 gehaltenen Axialbereiche 13, 14 lediglich ein einziger, breiter Axialbereiche 13 vorgesehen ist, der per Presssitz auf der Welle 2 gehalten ist. Die Zentrierung des Innenrings 5, 6 relativ zur Welle 2 ist damit in beiden Ausführungsbeispielen mit vergleichbarer Präzision gegeben. Hinsichtlich der Gestaltung des von der Welle 2 radial beabstandeten Axialbereichs 12, in welchem sich die Wälzkörper 7 befinden, wobei in Axialrichtung keine Überschneidung zwischen den Wälzkörpern 7 und den die Welle 2 kontaktierenden Axialbereichen 13 gegeben ist, unterscheiden sich die Ausführungsbeispiele nach den 1 und 2 nicht voneinander. Dies gilt ebenso für das Ausführungsbeispiel nach 3, welches lediglich einen, schmalen, mit Pressitz auf der Welle 2 gehaltenen Axialbereich 13 pro Innenring 5, 6 aufweist. Besonders in diesem Ausführungsbeispiel tragen auch die Stirnseiten 15, 16 der Innenringe 5, 6 zur Ausrichtung der Lagereinheit 1 bei.
In 4 ist eine Einzelheit eines Innenrings 5, 6 erkennbar, die in jedem der Ausführungsbeispiele nach den 1 bis 3 realisierbar ist: Im von der Welle 2 abgehobenen Axialbereich 12 des Innenrings 5, 6, radial innerhalb einer Laufbahn 17 für die Kugeln 7, befindet sich eine ringförmig umlaufende Aussparung 18, die den Querschnitt des Innenrings 5, 6 gezielt schwächt. Auf diese Weise werden die Auswirkungen der Aufweitung des Innenrings 5, 6 beim Aufpressen auf die Welle 2 auf die Geometrie der Laufbahn 17 weiter minimiert. Der Innenring 5, 6 ist im Axialbereich 12, in welchem sich die Laufbahn 17 sowie die in der Art einer Ringnut gestaltete Aussparung 18 befindet, zumindest geringfügig in radialer Richtung elastisch nachgiebig.
Bezugszeichenliste

1: Lagereinheit
2: Welle
3: Verdichterrad
4: Außenring
5: Innenring
6: Innenring
7: Wälzkörper, Kugel
8: Käfig
9: Wellenflanke
10: Ringträger
11: Mutter
12: Axialbereich, abgehoben von der Welle
13: Axialbereich mit Presspassung
14: Axialbereich mit Presspassung
15: äußere Stirnseite
16: innere Strinseite
17: Laufbahn
18: Aussparung

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

EP 0504138 B1 [0002, 0002]

Claims

Lagereinheit, mit einer Welle (2), auf welcher mindestens ein Innenring (5, 6) angeordnet ist, sowie mit mindestens einem Außenring (4) und mit zwei Reihen zwischen dem mindestens einen Innenring (5, 6) und dem mindestens einen Außenring (4) angeordneten Wälzkörpern (7), dadurch gekennzeichnet, dass jede Reihe der Wälzkörper (7) in einem Axialbereich (12) des Innenrings (5, 6) angeordnet ist, welcher von der Welle (2) abgehoben ist.
Lagereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring (5, 6) mit Presssitz auf der Welle (2) gehalten ist.
Lagereinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Innenringe (5, 6) vorgesehen sind.
Lagereinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Innenring (5, 6) genau einen mit Presssitz auf der Welle (2) gehaltenen Axialbereich (13) aufweist.
Lagereinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Innenring (5, 6) zwei mit Presssitz auf der Welle (2) gehaltene Axialbereiche (13, 14) aufweist.
Lagereinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein einziger Außenring (4) vorgesehen ist.
Lagereinheit nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch in O-Anordnung positionierte Kugeln (7) als Wälzkörper.
Lagereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der von der Welle (2) abgehobe Axialbereich (12) bis zur Stirnseite (15) des Innenrings (5, 6) erstreckt.
Verwendung einer Lagereinheit nach Anspruch 1 in einem Turbolader.
Verwendung einer Lagereinheit nach Anspruch 1 zu Lagerung einer Ausgleichswelle eines Verbrennungsmotors.