DE102010023475A1

DE102010023475A1 - Axiallager, Abgasturbolader mit einem Axiallager und Verfahren zur Herstellung eines Axiallagers

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Publication number: DE102010023475A1
Application number: DE102010023475A
Authority: DE
Inventors: Dr. Ing. Erdmann Christian Martin; Dipl.-Ing. Fernandez Alvaro; Dipl.-Ing. Heinemann Jan Peter; Dipl.-Ing. Hertweck Gernot; Dipl.-Ing. Maier Hans-Georg
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-06-11
Filing date: 2010-06-11
Publication date: 2011-12-15

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Axiallager zur Lagerung einer rotierbaren Welle, mit einem fest mit einem Lagergehäuse verbundenen ersten Lagerkörper (2) und einem mit der Welle rotierenden zweiten Lagerkörper (4), mit mindestens einer im wesentlichen ebenen Gleitfläche (3, 5) und mindestens einer mit dieser einen dazwischen liegenden Schmierspalt ausbildenden Lagerfläche (5, 3, 7) in Form einer Kreisringfläche mit einem Flächenprofil (8), wobei die Lagerfläche (7) eine Außenkante (9) und eine Innenkante (10) aufweist, und die Lagerfläche (7) mindestens drei sich in radialer Richtung erstreckende Schmiermittelnuten (11) aufweist, und das Flächenprofil (8) zwischen den Schmiermittelnuten (11) jeweils eine Keilfläche (15) sowie eine sich an die Keilfläche (15) angrenzend ausgebildete Rastfläche (16) aufweist, wobei die Keilfläche (15) mindestensist, und zwischen der Keilfläche (15) und der an die Keilfläche (15) angrenzend ausgebildete Rastfläche (16) eine Verbindungskante (19) ausgebildet ist, wobei die Verbindungskante (19) sich geradlinig erstreckend ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist der Lagerfläche (7) ein ringförmiger, nutartig ausgebildeter Schmiermittelkanal (22) zugeordnet, welcher an die Lagerfläche (7) angrenzend, die Lagerfläche (7) umfassend ausgebildet ist. Die Erfindung wird überwiegend im Nutzfahrzeugbau eingesetzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Axiallager der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zur Lagerung einer rotierbaren Welle. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Abgasturbolader der im Oberbegriff des Patentanspruchs 9 angegebenen Art sowie ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Axiallagers gemäß dem Patentanspruch 10.
Aus der europäischen Patentschrift EP 1 644 647 B1 geht ein Axiallager zur Lagerung einer rotierbaren Welle hervor. Das Axiallager weist einen fest mit einem Lagergehäuse verbundenen ersten Lagerkörper und einen mit der Welle rotierenden zweiten Lagerkörper auf. Das Axiallager umfasst eine im wesentlichen ebene Gleitfläche und mindestens eine mit dieser einen dazwischen liegenden Schmierspalt ausbildenden Lagerfläche in Form einer Kreisringfläche mit einem Flächenprofil, wobei die Lagerfläche mindestens drei sich in radialer Richtung erstreckende Schmiermittelnuten aufweist. Das Flächenprofil weist zwischen den Schmiermittelnuten jeweils eine Keilfläche sowie sich an die Keilfläche angrenzend ausgebildete Rastfläche auf. Ein Abgasturbolader und/oder ein Verfahren zur Herstellung des Axiallagers sind nicht angegeben.
Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde ein Axiallager für eine rotierbare Welle anzugeben, welches neben verbesserten Laufeigenschaften eine höhere Tragkraft bei gleichzeitig verbesserten Verschleißeigenschaften aufweist. Weiterhin ist es eine Aufgabe der Erfindung einen Abgasturbolader bereitzustellen, welcher sich durch reduzierten Verschleiß bei gleichzeitig verbesserten Wirkungsgraden auszeichnet. Zusätzlich ist es eine Aufgabe der Erfindung ein wirtschaftliches und prozesssicheres Verfahren zur Herstellung eines Axiallagers anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch ein Axiallager für eine rotierbare Welle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie einem Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 bzw. einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des Axiallagers als vorteilhafte Ausgestaltungen des Abgasturboladers und umgekehrt anzusehen sind.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe des anzugebenden Axiallagers dadurch gelöst, dass ein Axiallager zur Lagerung einer rotierbaren Welle, mit einem fest mit einem Lagergehäuse verbundenen ersten Lagerkörper und einem mit der Welle rotierenden zweiten Lagerkörper, mit mindestens einer im wesentlichen ebenen Gleitfläche und mindestens einer mit dieser einen dazwischen liegenden Schmierspalt ausbildenden Lagerfläche in Form einer Kreisringfläche mit einem Flächenprofil, wobei die Lagerfläche eine Außenkante und eine Innenkante aufweist, und die Lagerfläche mindestens drei sich in radialer Richtung erstreckende Schmiermittelnuten aufweist, und das Flächenprofil zwischen den Schmiermittelnuten jeweils eine Keilfläche sowie eine sich an die Keilfläche angrenzend ausgebildete Rastfläche aufweist, wobei die Keilfläche mindestens in Umfangsrichtung mindestens eine Steigung aufweist, und das Axiallager eine Lagerfläche aufweist, welcher ein ringförmiger, nutartig ausgebildeter Schmiermittelkanal zugeordnet ist, welcher an die Lagerfläche angrenzend, die Lagerfläche umfassend ausgebildet ist.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Axiallagers ist, dass ein Schmiermittelfluß des sich im Axiallager befindlichen Schmiermittels aufgrund einer Verbindung der Schmiermittelnuten mit Hilfe des ringförmigen Schmiermittelkanals mindestens über den gesamten Umfang der Lagerfläche gegeben ist. Eine gebietsweise oder punktuelle Ansammlung von Schmiermittel in einer der Schmiermittelnuten und eine gleichzeitige Mindervorsorgung weiterer Bereiche der Lagerfläche mit Schmiermittel sind somit vermeidbar. Daraus resultiert ein stabilerer Schmierfilm, wodurch eine Verbesserung der Laufeigenschaften im Betriebszustand des Axiallagers erzielbar ist, da ein plötzlicher Zusammenbruch des Schmierfilms weitestgehend vermeidbar ist. Dadurch ist sowohl eine Steigerung der Tragfähigkeit des Axiallagers als auch eine Reduzierung des verschleißherbeiführenden Festkörperkontaktes zwischen Lagerfläche und Gleitfläche herbeiführbar, da die Reibleistung aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung erheblich reduziert ist.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Axiallagers ist zwischen der Keilfläche und der an die Keilfläche angrenzend ausgebildete Rastfläche eine sich geradlinig erstreckende Verbindungskante ausgebildet, wobei die Verbindungskante einen ersten Endpunkt an der Außenkante und einen zweiten Endpunkt an der Innenkante aufweist, wobei der erste Endpunkt und der zweite Endpunkt in Bezug zu einer Längsachse der Schmiermittelnut eine bestimmte Positionierung aufweisen. Zwischen der Längsachse der Schmiermittelnut und einer ersten virtuellen Linie ist ein erster Winkel ausgebildet, wobei sich die erste virtuelle Linie durch den ersten Endpunkt und einen Axiallagermittelpunkt erstreckt. Weiterhin ist zwischen der Längsachse und einer zweiten virtuellen Linie ein zweiter Winkel ausgebildet, wobei sich die zweite virtuelle Linie durch den zweiten Endpunkt und den Axiallagermittelpunkt erstreckt. Der erste Winkel und der zweite Winkel weisen eine unterschiedliche Größe auf, wobei vorteilhafterweise der erste Winkel kleiner ist als der zweite Winkel. Dabei ist nicht wie üblicherweise die Verbindungskante in ihrer virtuellen Verlängerung sich durch den Axiallagermittelpunkt erstreckend ausgebildet, sondern sie weist eine vom Axiallagermittelpunkt unabhängige Lage auf. Somit sind die Größen der Keilfläche und der Rastfläche frei zu gestalten, derart dass ein hydrodynamisch optimierter Übergang zwischen der Keil- und Rastfläche ausbildbar ist, und zwar auch vor dem Hintergrund des Einsatzgebietes des Axiallagers. Je nach Einsatzgebiet des Axiallagers sind der erste Schnittpunkt und der zweite Schnittpunkt dementsprechend zu verändern, so dass die effektiven Flächen der Rast- und Keilflächen einem Anforderungsprofil einer Belastung entsprechend dem Einsatzgebiet des Axiallagers anpassbar sind. Mit dieser Ausbildung der Verbindungskante ist eine Lagerfläche geschaffen, deren radiales Flächenprofil die Ausbildung eines stabilen hydrodynamischen Schmierfilms ermöglicht. Dies führt zu einer weiteren Verbesserung der Laufeigenschaften und reduziertem Verschleiß des Axiallagers in Abhängigkeit des Einsatzgebietes.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Axiallagers ist die Keilfläche gegenüber der Rastfläche um einen Neigungswinkel geneigt, wobei der Neigungswinkel einen Wert aufweist, welcher idealerweise in einem Wertebereich von 0° bis 90° liegt. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass durch die ausgebildete Steigung der Keilfläche eine zur Ausbildung eines hydrodynamischen Schmierfilms verbesserte Kontur der Keilfläche geschaffen ist, woraus eine homogenere Druckverteilung des Schmierfilms und dementsprechend ein stabilerer Schmierfilm im Betrieb resultieren, so dass ein plötzliches Zusammenbrechen der hydrodynamischen Druckkräfte im Axiallager vermeidbar ist.
Grundsätzlich ist es zur Herbeiführung eines stabilen Schmierfilms im Betrieb vorteilhaft, zwischen der Keilfläche und Rastfläche sowie zwischen der Schmiermittelnut und der Keil- und/oder Rastfläche ausgebildete Kanten mit Radien zu versehen, damit ein Abreißen des Schmierfilms aufgrund von Scherwirkungen an den Kanten weitestgehend vermeidbar ist. Als besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, dass die Verbindungskante einen Radius aufweist, dessen Wert in einem Wertebereich zwischen 0 mm und 2,5 mm liegt. Die übrigen Kanten weisen vorteilhafterweise Radien auf, deren Werte in einem Wertebereich zwischen 0,05 mm und 1,5 mm liegen.
In einer weiteren Ausgestaltung weist das Axiallager mindestens eine Schmiermittelversorgungsbohrung auf, welche in die Lagerfläche mündet und eine unrunde, unsymmetrische und/oder frei geformte Austrittsöffnung in der Lagerfläche aufweist, wobei der Flächenübergang von der Austrittsöffnung zur Lagerfläche elastohydrodynamisch verbessert ausgebildet ist. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass die Schmiermittelversorgungsbohrungen direkt in der Lagerfläche eingebracht sind, die durch ihre spezielle Ausgestaltung ihrer Austrittsöffnung zur Lagerfläche hin eine definierte Zuführung von Schmiermittel im Schmierspalt ermöglichen, ohne den hydrodynamischen Schmierzustand im Betrieb des Axiallagers, d. h. bei vorherrschend schnell drehenden Relativbewegungen von Gleit- und Lagerfläche zueinander, hinsichtlich Turbulenzen wesentlich zu beeinflussen.
Vorzugsweise wird dabei das Schmiermittel unter Überdruck zugeführt. Die Ausgestaltung der Austrittsöffnung der Schmiermittelversorgungsbohrung ist dabei an die jeweilige konkrete Ausgestaltung des Axiallagers und des Schmiermittels anzupassen. Beispielsweise kann die Austrittsöffnung sternförmig ausgestaltet sein, oder in Form einer Ellipse. Grundsätzlich wesentlich für eine elastohydrodynamisch optimierte Ausgestaltung ist, dass ein Übergang einer Wandung der Schmiermittelversorgungsbohrung zur Lagerfläche so ausgestaltet ist, dass im Betrieb des Axiallagers möglichst wenig Verwirbelungen oder Abrisse des Schmierfilms auftreten, beispielsweise durch Abrundung des Übergangs.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weisen die Lagerfläche und/oder Gleitfläche zumindest teilweise eine Mikrostrukturierung insbesondere im Bereich mindestens einer Keilfläche und/oder Rastfläche auf, welche eine strömungsrichtende und mikrodynamische Wirkung auf ein Schmiermedium hat. Durch die Mikrostrukturierung ergibt sich eine strömungsrichtende und mikrodynamische Wirkung auf das Schmiermittel, wodurch ein stabilerer Schmierfilm herbeiführbar ist und somit die Tragkraft des Axiallagers erhöht werden kann, wodurch schließlich die Laufeigenschaften des Axiallagers weiter wesentlich verbessert und der Verschleiß des Axiallagers weiter reduziert werden. Alternativ oder additiv weist die Gleit- und/oder Lagerfläche des Axiallagers mindestens teilweise eine reibungs- und/oder verschleißmindernde Oberflächenbeschichtung auf, welche beispielsweise basierend auf einer Kohlenstoffbeschichtung ausgestaltet ist. Dadurch ergeben sich weiter verbesserte Laufeigenschaften und eine weitere Reduzierung des Verschleißes des Axiallagers.
Einen weiteren Aspekt der Erfindung betrifft einen Abgasturbolader mit einem Gehäuse und einem Laufzeug, insbesondere umfassend ein Verdichterrad und ein mit Hilfe einer Welle drehfest verbundenes Turbinenrad, wobei erfindungsgemäß zur Lagerung einer Welle des Laufzeugs das Gehäuse eine Axiallagerung aufweist, welche gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen ausgebildet ist. Dadurch ergibt sich für den Abgasturbolader eine Verbesserung seines Wirkungsgrades, da entsprechend den Ausgestaltungen des Axiallagers die Laufeigenschaften verbessert sind, welche im Betrieb des Abgasturboladers wesentlichen Einfluss auf den Wirkungsgrad des Abgasturboladers aufweisen. Des Weiteren ist infolge der verbesserten Verschleißeigenschaften die Lebensdauer des Abgasturboladers zu steigern.
Die Aufgabe hinsichtlich des anzugebenden Verfahrens zur Herstellung eines Axiallagers wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Lagerfläche in einem ersten Schritt mit Hilfe eines werkstoffabtragenden Verfahrens und in einem zweiten Schritt mit Hilfe eines elektrochemischen Verfahrens bearbeitet wird. Im Vergleich zu konventionellen Verfahren, bei denen die Lagerfläche allein durch zerspanende Bearbeitung hergestellt wird, können bei diesem Verfahren komplexe Oberflächen und Konturen realisiert werden. Des Weiteren wird mit Hilfe der elektrochemischen Bearbeitung der Lagerflächen eine Bearbeitung auf einfache Art und Weise möglich, welche im Gegensatz zum üblichen Fräsverfahren eines nur geringen Aufwands bedarf. Somit kann die Wirtschaftlichkeit der Herstellung von elastohydrodynamischen optimierten Axiallagern wesentlich verbessert werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind.
Dabei zeigen:
1 In einer Draufsicht eine Lagerfläche eines erfindungsgemäßen Axiallagers,
2 in einer vergrößerten Darstellung ein Ausschnitt einer Lagerfläche des Axiallagers gemäß 1,
3 in einem Querschnitt in radialer Richtung entlang der Linien A-A und B-B ein Flächenprofil des Axiallagers gemäß 2 und
4 in einem Schnitt entlang der Linie C-C ein Flächenprofil des Axiallagers gemäß 2.
Ein hier nicht näher dargestellter Abgasturbolader weist im Wesentlichen ein Gehäuse mit einem Abgasführungsabschnitt, einem Frischluftführungsabschnitt sowie einem Lagerabschnitt und ein Laufzeug mit einem Turbinenrad, einem Verdichterrad und eine das Turbinenrad mit dem Verdichterrad drehfest verbindende Welle auf. Das Laufzeug ist im Gehäuse drehbar aufgenommen derart, dass das Turbinenrad im Abgasführungsabschnitt, das Verdichterrad im Frischluftführungsabschnitt und die Welle im Lagerabschnitt drehbar angeordnet sind. Die Welle ist im Lagerabschnitt mit Hilfe von mindestens einem Radiallager zur Aufnahme radialer Kräfte und mindestens einem Axiallager 1 zur Aufnahme axialer Kräfte drehbar gelagert.
Das Axiallager 1 zur Lagerung der rotierbaren Welle umfasst einen fest mit einem Lagergehäuse des Lagerabschnitts verbundenen ersten Lagerkörper 2 mit einer ersten Lagerkörperfläche 3 und einen mit der Welle rotierenden zweiten Lagerkörper 4 mit einer zweiten Lagerkörperfläche 5. Sowohl der erste Lagerkörper 2 als auch der zweite Lagerkörper 4 weisen jeweils eine Zentralöffnung 6 mit einem Axiallagermittelpunkt 6.1 auf, innerhalb derer die Welle aufgenommen ist.
Die erste Lagerkörperfläche 3 ist der zweiten Lagerkörperfläche 5 unter Ausbildung eines Schmierspaltes zugewandt positioniert. Die erste Lagerkörperfläche 3 ist im Wesentlichen als ebene Gleitfläche ausgebildet. Die der ersten Lagerkörperfläche 3 zugewandt positionierten zweite Lagerkörperfläche 5 weist eine Lagerfläche 7 in Form einer Kreisringfläche mit einem Flächenprofil 8 sowie einer Außenkante 9 und einer Innenkante 10 auf.
Ebenso könnte auch die zweite Lagerkörperfläche 5 als im Wesentlichen ebene Gleitfläche ausgebildet sein, wobei dann die erste Lagerkörperfläche 3 eine Lagerfläche 7 aufweisen würde. Auch könnten die erste Lagerkörperfläche 3 und die zweite Lagerkörperfläche 5 mit einer Lagerfläche 7 ausgebildet sein, wodurch sich eine wesentliche Verbesserung von Laufeigenschaften des Axiallagers 1 und eine wesentliche Reduzierung des Verschleißes des Axiallagers 1 ergeben würde.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß 1 weist die Lagerfläche 7 acht sich in radialer Richtung erstreckende Schmiermittelnuten 11 mit je einer Längsachse 11.1 auf. Die Schmiermittelnuten 11 sind wannenförmig ausgestaltet und weisen eine erste Schmiermittelnutwandung 12, eine der ersten Schmiermittelnutwandung 12 gegenüber angeordnete zweite Schmiermittelnutwandung 13 sowie einen die erste Schmiermittelnutwandung 12 mit der zweiten Schmiermittelnutwandung 13 in Umfangsrichtung verbindenden Wannenboden 14 auf.
Zwischen jeweils der ersten Schmiermittelnutwandung 12 und der zweiten Schmiermittelnutwandung 13 zweier nebeneinander positionierter Schmiermittelnuten 11 ist eine Keilfläche 15 sowie eine sich an die Keilfläche 15 angrenzend angeordnete Rastfläche 16 ausgebildet. Sowohl die Keilfläche 15 als auch die Rastfläche 16 weisen in diesem Ausführungsbeispiel jeweils vier Begrenzungskanten auf.
Es entspricht eine sich von der Innenkante 10 zur Außenkante 9 erstreckend ausgebildete Kante der ersten Schmiermittelnutwandung 12 einer der ersten Schmiermittelnutwandung 12 zugewandt positionierten ersten Begrenzungskante der Keilfläche 15 und wird im Folgenden als erste Kante 17 bezeichnet. In Umfangsrichtung weist die Keilfläche 15 eine zweite Begrenzungskante auf, welche weitestgehend einem Abschnitt der Außenkante 9 entspricht und somit im Weiteren als Außenkante 9 der Keilfläche 15 bezeichnet wird. Eine dritte Begrenzungskante der Keilfläche 15 entspricht einem Abschnitt der Innenkante 10 und wird im Folgenden als Innenkante 10 der Keilfläche 15 bezeichnet.
Weiterhin entspricht eine sich von der Innenkante 10 zur Außenkante 9 erstreckend ausgebildete Kante der zweiten Schmiermittelnutwandung 13 einer ihr zugewandt positionierten ersten Begrenzungskante der Rastfläche 16 und ist im Folgenden als zweite Kante 18 bezeichnet. Die in Umfangsrichtung ausgebildete zweite Begrenzungskante der Rastfläche 16 entspricht weitestgehend einem Abschnitt der Innenkante 10 und wird im Weiteren als Innenkante 10 der Rastfläche 16 bezeichnet. Eine dritte Begrenzungskante der Rastfläche 16 entspricht einem Abschnitt der Außenkante 9 und wird im Folgenden als Außenkante 9 der Rastfläche 16 bezeichnet.
Zwischen der Keilfläche 15 und der an die Keilfläche 15 angrenzend ausgebildeten Rastfläche 16 ist die jeweils vierte Begrenzungskante der Keilfläche 15 und der Rastfläche 16 ausgebildet und ist im Weiteren als Verbindungskante 19 bezeichnet.
Erfindungsgemäß ist der Lagerfläche 7 ein ringförmiger, nutartig ausgebildeter Schmiermittelkanal 22 zugeordnet, welcher direkt an die Lagerfläche 7 angrenzend, die kreisförmige Lagerfläche 7 umfassend ausgebildet ist. Da die Schmiermittelnuten 11 über die Außenkante 9 der Lagerfläche 7 hinaus, sich in radialer Richtung erstreckend ausgebildet sind, stellt der Schmiermittelkanal 22 ein Verbindungskanal der Schmiermittelnuten 11 dar. Ein Kanalboden 23 des Schmiermittelkanals 22 ist dabei in den Wannenboden 14 der Schmiermittelnuten 11 weitestgehend stufenlos übergehend ausgebildet. Ebenso könnte zwischen dem Wannenboden 14 und dem Kanalboden 23 auch ein Ebenenunterschied ausgebildet sein, so das beispielsweise der Wannenboden 14 tiefer oder weniger tief ausgebildet ist als der Kanalboden 23.
Der Schmiermittelkanal 22 weist einen ersten Außendurchmesser D1 und einen ersten Innendurchmesser d1, wobei der erste Innendurchmesser d1 einem zweiten Außendurchmesser D2 der Lagerfläche 7, nämlich einem Durchmesser der Außenkante 9, entspricht. Die Innenkante 10 weist einen zweiten Innendurchmesser d2 auf. Die Lagerfläche 7 ist sich zwischen dem zweiten Außendurchmesser D2 und dem zweiten Innendurchmesser d2 erstreckend ausgebildet. Der erste Außendurchmesser D1 weist idealerweise einen Wert im Bereich von 4 mm bis 54 mm auf, wobei der zweite Außendurchmesser D2 einen Wert im Bereich von 4 mm bis 50 mm aufweist. Somit ist eine bevorzugte Breite des Schmiermittelkanals 22 von bis zu 4 mm für einen günstigen Schmiermittelablauf realisierbar. Der zweite Innendurchmesser d2 ist neben einer Abhängigkeit von einem Durchmesser der Welle des Laufzeugs so zu wählen, dass eine maximale Differenz zwischen dem zweiten Außendurchmesser D2 und dem zweiten Innendurchmesser d2 ca. 10 mm beträgt.
Die Verbindungskante 19 ist sich in radialer Richtung und Umfangsrichtung geradlinig erstreckend ausgebildet. Eine virtuelle Verlängerung der Verbindungskante 19 in Richtung auf den Axiallagermittelpunkt 6.1 zeigt allerdings, dass diese sich nicht durch den Axiallagermittelpunkt 6.1 erstreckend ausgebildet ist. Die Verbindungskante 19 weist einen ersten Endpunkt 20 an der Außenkante 9 und einen zweiten Endpunkt 21 an der Innenkante 10 auf. Der erste Endpunkt 20 ist so positioniert, dass zwischen einer ersten virtuellen Linie 24, welche sich durch den Axiallagermittelpunkt 6.1 und dem ersten Endpunkt 20 erstreckend ausgebildet ist, und der Längsachse 11.1 ein erster Winkel α ausgebildet ist. Der zweite Endpunkt 21 ist nun so positioniert, dass zwischen einer zweiten virtuellen Linie 25, welche sich durch den Axiallagermittelpunkt 6.1 und dem zweiten Endpunkt 21 erstreckend ausgebildet ist, und der Längsachse 11.1 ein zweiter Winkel β ausgebildet ist. Der Winkel α ist kleiner als der Winkel β, wobei die Außenkante 9 der Rastfläche 16 kleiner ist als die Außenkante 9 der Keilfläche 15. Eine bevorzugte Größenordnung des Winkels α liegt in einem Bereich von ca. 0° bis 10°. In Abhängigkeit des Winkels α ist somit ein geeigneter Wert des Winkels β zu wählen, welcher in einem bevorzugten Bereich zwischen 0° und 90° liegen sollte.
Zusätzlich gilt es zu beachten, dass der erste Winkel α sowie der zweite Winkel β für ihren jeweils maximalen Wert α_max und β_max eine Abhängigkeit von einer Gesamtanzahl A der Rastflächen 16 sowie von einer Breite α der Schmiermittelnut 11 aufweisen. Es gilt für den maximalen Wert α_max des ersten Winkel α α_max < 2·π / A – arctan a / d1 und für den maximalen Wert _max des zweiten Winkel β β_max < 2·π / A – arctan a / d2.
In einem nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Verbindungskante 19 so positioniert, bzw. die Keilfläche 15 und die Rastfläche 16 dergestalt, dass der erste Endpunkt 20 als Schnittpunkt zwischen der Verbindungskante 19 und der zweiten Kante 18 ausgebildet ist. Das heißt, die Rastfläche 16 weist keine Außenkante 9 auf und ist somit annähernd dreiecksförmig ausgestaltet.
In einem weiteren, ebenfalls nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Keilfläche 15 und die Rastfläche 16 so ausgestaltet, dass der zweite Endpunkt 21 als Schnittpunkt zwischen der Verbindungskante 19 und der ersten Kante 17 ausgebildet ist. Das heißt, die Keilfläche 15 weist keine Innenkante 10 auf und ist somit annähernd dreiecksförmig ausgestaltet. Ebenso könnte auch hier zusätzlich der erste Endpunkt 20 als Schnittpunkt zwischen der Verbindungskante 19 und der zweiten Kante 18 ausgebildet sein, so dass sowohl die Keilfläche 15 als auch die Rastfläche 16 nahezu dreiecksförmig ausgebildet sind.
Die konkrete Gestaltung der Keilfläche 15 und der Rastfläche 16 und somit der konkrete Verlauf der Verbindungskante 19 sind abhängig vom Anwendungsfall des Axiallagers 1 zu gestalten.
2 zeigt einen Ausschnitt aus dem erfindungsgemäßen Axiallager 1. Neben Schnittlinien A-A und B-B, welche jeweils einen Schnitt entlang eines bestimmten Radius zeigen, ist des Weiteren eine Schnittlinie C-C eingetragen zur Veranschaulichung eines Neigungswinkels γ der Keilfläche 15.
In 3 ist in einem Querschnitt in radialer Richtung entlang der Schnittlinien A-A und B-B das Flächenprofil 8 des Axiallagers 1 dargestellt. Das Flächenprofil 8 weist eine maximale Profiltiefe H auf, wobei die Profiltiefe H einer Höhe der ersten Schmiermittelnutwandung 12, welche in diesem Ausführungsbeispiel senkrecht zum Wannenboden 14 ausgebildet ist, entspricht. Zur Ausbildung eines stabilen hydrodynamischen Schmierfilms sollte eine Höhe H von 3000 μm nicht überschritten werden.
Ausgehend von einer virtuellen Ebene entlang des Wannenbodens 14 als Bezugsfläche weist in diesem Ausführungsbeispiel die Verbindungskante 19 einen konstanten Abstand zu dieser virtuellen Ebene auf, welche der maximalen Profiltiefe H entspricht. Nicht näher dargestellt ist ein weiteres Ausführungsbeispiel, dessen Verbindungskante 19 einen veränderlichen Abstand von der virtuellen Ebene aufweist, das heißt die Rastfläche 16 kann auch gegenüber der virtuellen Ebene geneigt ausgebildet sein.
4 zeigt den Schnitt entlang der Schnittlinie C-C. Zur unverfälschten Darstellung des Neigungswinkels γ ist diese Schnittlinie C-C als Senkrechte zur Verbindungskante 19 in einer horizontalen Ebene des Axiallagers 1 ausgeführt. Idealerweise weist der Neigungswinkel γ einen Wert in einem Wertebereich zwischen 0° und 90° auf. Der Neigungswinkel γ kann derart gewählt werden, dass die erste Schmiermittelnutwandung 12 bis auf einen Wert von 0 mm reduziert ist, das heißt die Keilfläche 15' derart geneigt ist, dass mindestens abschnittsweise die erste Schmiermittelnutwandung 12 auf die erste Kante 17' reduziert ist, s. 3, Schnitt B-B.
Zur wesentlichen Verbesserung der hydrodynamischen Schmierung weisen insbesondere die zweite Kante 18, die Verbindungskante 19 und eine dritte Kante 27, welche als Kante zwischen der zweiten Schmiermittelnutwandung 13 und dem Wannenboden 14 ausgebildet ist, Rundungen in Form von Radien auf. Das heißt, diese Kanten sind nicht scharfkantig sondern mindestens leicht abgerundet ausgebildet, wobei sie zweite Kante 18 einen ersten Radius R1, die dritte Kante 27 einen zweiten Radius R2 und die Verbindungskante 19 einen Radius R3 aufweist. Zu bevorzugende Werte des ersten Radius R1 und des zweiten Radius R2 liegen dabei in einem Wertebereich zwischen 0,05 mm und 1,5 mm. Der bevorzugte Wertebereich des dritten Radius R3, der Radius der Verbindungskante 19 liegt in einem Wertebereich zwischen 0 mm und 2,5 mm. Da die Verbindungskante 19 als Übergang von der Rastfläche 16 zur Keilfläche 15 ausgebildet ist und die Keilfläche 15 bezogen auf die Rastfläche 16 den Winkel γ aufweist, kann hier auch auf eine Abrundung verzichtet werden, wobei die Ausbildung des zweiten Radius R2 der Verbindungskante 19 mit einem Wert von maximal 2,5 mm eine wesentliche Verbesserung des Aufbaus des hydrodynamischen Schmierfilms bewirkt.
Eine Ausbildung der übrigen Kanten der Lagerfläche 7 mit Radien in einem Wertebereich von 0,05 mm bis maximal 2 mm ist zu empfehlen, da sich hierdurch eine weitere Verbesserung des Aufbaus des hydrodynamischen Schmierfilms erzielbar ist.
Zur Versorgung des Axiallagers 1 mit Schmiermittel weist in einem nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel das Axiallager 1 mindestens eine Schmiermittelversorgungsbohrung auf, welche in eine Zentralbohrung mündet. Die Schmiermittelversorgungsbohrung weist eine unrunde, unsymmetrische und/oder frei geformte Austrittsöffnung in der Lagerfläche 7, wobei der Flächenübergang von der Austrittsöffnung zur Lagerfläche 7 elastohydrodynamisch verbessert ausgebildet ist.
Zur weiteren positiven Beeinflussung der strömungsrichtenden und mikrodynamischen Wirkung auf das Schmiermedium sind die Lagerfläche 7 und/oder Gleitfläche 3, 5 zumindest teilweise mit einer Mikrostrukturierung insbesondere im Bereich mindestens einer Keilfläche 15 und/oder Rastfläche 16 ausgestattet. Auch weisen die Gleitflächen 3, 5 und/oder die Lagerfläche 7 mindestens teilweise eine reibungs- und/oder verschleißmindernde Oberflächenbeschichtung auf.
Die Anzahl der Schmiermittelnuten 11 sowie die Anzahl der Keil- und Rastflächen 15, 16 sind beliebig variierbar. Weist die Lagerfläche 7 drei Schmiermittelnuten 11 und respektive jeweils zwei Keil- und Rastflächen 15, 16 auf, so ist das Axiallager 1 fertigungstechnisch in kurzer Zeit herstellbar. Weist die Lagerfläche 7 eine größere Anzahl von Schmiermittelnuten 11 und eine entsprechend größere Anzahl der Keil- und Rastflächen 15, 16 auf, so ist mit Erhöhung der Anzahl eine gleichmäßigere Belastung der Rastflächen 16 und damit einer weiteren Reduzierung des Verschleißes zu rechnen. Insgesamt ist beispielsweise bei einer Anzahl von zwölf Schmiermittelnuten 11 und respektive zwölf Keil- und Rastflächen 15, 16 ein hydrodynamischer Zustand im Instationärbetrieb schneller erreicht, als mit einer Anzahl von drei Schmiermittelnuten 11, respektive drei Keil- und Rastflächen 15, 16. Fertigungstechnisch betrachtet erhöht sich allerdings mit steigender Anzahl von Schmiermittelnuten 11, Keil- und Rastflächen 15, 16 der Zeitaufwand. Idealerweise liegt die Anzahl der Keil- und Rastflächen 15, 16 zwischen 2 und 10.
Verfahrenstechnisch ist das erfindungsgemäße Axiallager 1 erfindungsgemäß dadurch herstellbar, dass die Lagerfläche in einem ersten Schritt mit Hilfe eines werkstoffabtragenden Verfahrens und in einem zweiten Schritt mit Hilfe eines elektrochemischen Verfahrens bearbeitet wird. Das elektrochemische Verfahren kann ein gepulstes elektrochemisches Verfahren sein, ein so genanntes PECM-Verfahren (Pulsed ElectroChemical Machining), wobei kein direkter Kontakt zwischen einem Werkzeug und dem Werkstück besteht. Im Gegensatz zum elektrochemischen Verfahren liegt ein Bearbeitungsstrom nicht permanent an, sondern wird gepulst zugeführt. Zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück wird eine elektrische Spannung angelegt, wobei das Werkzeug als Kathode und das Werkstück als Anode geschaltet wird. Zur Bearbeitung wird ein zwischen der Kathode und der Anode existierender Spalt mit einer Elektrolytlösung durchspült. Eine Werkstoffabtragung erfolgt elektrochemisch und der vom Werkstück (Anode) abgetragene Werkstoff wird als Metallhydroxid von der Elektrolytlösung herausgespült. Im Gegensatz zum elektrochemischen Verfahren weist das gepulste elektrochemische Verfahren eine wesentlich geringere Spaltbreite auf und besitzt dadurch eine wesentlich höhere Bearbeitungsgenauigkeit. Das Verfahren zeichnet sich insgesamt durch eine hohe Prozessstabilität aus.
Vorteilhafterweise wird zur effektiven Herstellungsmethodik die Bearbeitung der Lagerfläche, alternativ oder kumulativ die Strukturierung der Lagerfläche, die Herstellung der Schmiermittelnuten, die Herstellung der Keil- und Rastflächen und die Herstellung der Austrittsöffnungen der Schmiermittelversorgungsbohrungen, kombiniert in einem Bearbeitungsschritt erfolgen.
Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Axiallagers 1, kann das Axiallager 1 auch mit Hilfe konventioneller Verfahren wie beispielsweise Fräsen oder Prägen hergestellt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1644647 B1 [0002]

Claims

Axiallager zur Lagerung einer rotierbaren Welle, mit einem fest mit einem Lagergehäuse verbundenen ersten Lagerkörper (2) und einem mit der Welle rotierenden zweiten Lagerkörper (4), mit mindestens einer im wesentlichen ebenen Gleitfläche (3, 5) und mindestens einer mit dieser einen dazwischen liegenden Schmierspalt ausbildenden Lagerfläche (5, 3, 7) in Form einer Kreisringfläche mit einem Flächenprofil (8), wobei die Lagerfläche (7) eine Außenkante (9) und eine Innenkante (10) aufweist, und die Lagerfläche (7) mindestens drei sich in radialer Richtung erstreckende Schmiermittelnuten (11) aufweist, und das Flächenprofil (8) zwischen den Schmiermittelnuten (11) jeweils eine Keilfläche (15) sowie eine sich an die Keilfläche (15) angrenzend ausgebildete Rastfläche (16) aufweist, wobei die Keilfläche (15) mindestens in Umfangsrichtung mindestens eine Steigung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerfläche (7) ein ringförmiger, nutartig ausgebildeter Schmiermittelkanal (22) zugeordnet ist, welcher an die Lagerfläche (7) angrenzend, die Lagerfläche (7) umfassend ausgebildet ist.
Axiallager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Keilfläche (15) und der an die Keilfläche (15) angrenzend ausgebildete Rastfläche (16) eine Verbindungskante (19) ausgebildet ist, wobei die Verbindungskante (19) sich geradlinig erstreckend ausgebildet ist, und die Verbindungskante (19) einen ersten Endpunkt (20) an der Außenkante (9) und einen zweiten Endpunkt (21) an der Innenkante (10) aufweist und die Schmiermittelnut (11) eine Längsachse (11.1) aufweist, und zwischen der Längsachse (11.1) und einer ersten virtuellen Linie (24) ein erster Winkel (α) ausgebildet ist, und wobei zwischen der Längsachse (11.1) und einer zweiten virtuellen Linie (25) ein zweiter Winkel (β) ausgebildet ist, wobei die erste virtuelle Linie (24) sich durch den ersten Endpunkt (20) und einen Axiallagermittelpunkt (6.1) einer Zentralöffnung (6) des Axiallagers (1) erstreckend ausgebildet ist, und die zweite virtuelle Linie sich durch den zweiten Endpunkt (21) und den Axiallagermittelpunkt (6.1) erstreckend ausgebildet ist, und der erste Winkel (α) ungleich dem zweiten Winkel (β) ist.
Axiallager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Winkel (α) einen Wert aufweist, welcher kleiner ist als der Wert des zweiten Winkels (β).
Axiallager nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Keilfläche (15) gegenüber der Rastfläche (16) um einen Neigungswinkel (γ) geneigt ist, wobei der Neigungswinkel (γ) einen Wert aufweist, welcher in einem Wertebereich von 0° bis 90° liegt.
Axiallager nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungskante (19) einen dritten Radius (R3) aufweist, wobei der dritte Radius (R3) einen Wert aufweist, welcher in einem Wertebereich von 0 mm und 2,5 mm liegt.
Axiallager nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Verbindungskante (19) gegenüberliegend angeordnete zweite Kante (18) der Rastfläche (16) einen ersten Radius (R1) aufweist und/oder eine dritte Kante (27), welche als Kante zwischen einer zweiten Schmiermittelnutwandung (13) der Schmiermittelnut (11) und einem Wannenboden (14) der Schmiermittelnut (11) ausgebildet ist, einen zweiten Radius (R2) aufweist, wobei der erste Radius (R1) und/oder der zweite Radius (R2) einen Wert aufweist, welcher in einem Wertebereich von 0,05 mm und 1,5 mm liegt.
Axiallager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Axiallager (1) mindestens eine Schmiermittelversorgungsbohrung (26) aufweist, welche in die Lagerfläche (7) mündet und eine unrunde, unsymmetrische und/oder frei geformte Austrittsöffnung in der Lagerfläche (7) aufweist, wobei der Flächenübergang von der Austrittsöffnung zur Lagerfläche (7) elastohydrodynamisch verbessert ausgebildet ist.
Axiallager nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerfläche (7) und/oder Gleitfläche (3, 5) zumindest teilweise eine Mikrostrukturierung insbesondere im Bereich mindestens einer Keilfläche (15) und/oder Rastfläche (16) aufweisen, welche eine strömungsrichtende und mikrodynamische Wirkung auf ein Schmiermedium hat.
Abgasturbolader mit einem Gehäuse und einem Laufzeug, insbesondere umfassend ein Verdichterrad und ein mit Hilfe einer Welle drehfest verbundenes Turbinenrad, dadurch gekennzeichnet, dass zur Lagerung einer Welle des Laufzeugs das Gehäuse mindestens ein Axiallager (1) gemäß den Ansprüchen 1 bis 8 aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Axiallagers gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerfläche (7) in einem ersten Schritt mit Hilfe eines werkstoffabtragenden Verfahrens bearbeitet wird und in einem zweiten Schritt mit Hilfe eines elektrochemischen Verfahrens bearbeitet wird.