-
Die Erfindung betrifft einen Turbolader, insbesondere Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem Turbinenrad und einem Verdichterrad, die drehfest auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind, und mit einem Axialgleitlager, das von einer gehäusefest angeordneten Lagerscheibe und einer drehfest auf der Welle angeordneten Anlaufbuchse gebildet wird.
-
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Turboladers, der ein Turbinenrad und ein Verdichterrad aufweist, die drehfest auf einer gemeinsamen Welle angeordnet werden, sowie ein Axialgleitlager, das eine Lagerscheibe und eine Anlaufbuchse umfasst, wobei die Lagerscheibe gehäusefest und die Anlaufbuchse drehfest auf der Welle angeordnet werden.
-
Stand der Technik
-
Turbolader sowie Verfahren zu deren Herstellung sind aus dem Stand der Technik bekannt. Üblicherweise werden die Welle und/oder das Turbinenrad und/oder das Verdichterrad axial und radial durch hydrodynamische Gleitlager im Gehäuse des Abgasturboladers gelagert. Das zur axialen Lagerung vorgesehene Axialgleitlager besteht dabei im Wesentlichen aus zwei Bauteilen, der gehäusefest angeordneten Lagerscheibe und der mitdrehenden Anlaufbuchse. Die Lagerscheibe ist ein scheibenförmiges, geometrisch kompliziertes und zumindest im Funktionsbereich hochgenau gefertigtes Bauteil. Zum Bilden der hydrodynamischen Gleitlagerung weist sie zumindest einen Schmiermittelkanal auf, der stirnseitig offen ausgebildet und der Anlaufbuchse zugeordnet ist, sodass durch Zuführen von Schmiermittel in den Schmiermittelkanal ein Gleitfilm zwischen der Anlaufbuchse und der Lagerscheibe bereitgestellt wird. Die Lagerscheibe weist häufig einen größeren Durchmesser auf als die Anlaufbuchse und umfasst an ihrem die Anlaufbuchse radial überragenden Stirnseitenbereich eine Schmiermittelaufnahmeöffnung auf, die mit einer entsprechenden Schmiermittelzuführung des Gehäuses des Abgasturboladers zusammenwirkt und in Verbindung mit dem Schmiermittelkanal steht. Üblicherweise werden die Lagerscheibe aus einer Kupferlegierung und die Anlaufbuchse aus Stahl gefertigt. Durch die Wahl der unterschiedlichen Materialien ergeben sich vorteilhafte Gleitlagereigenschaften. Aus der
US-Patentschrift US 6,793,468 B2 ist beispielsweise ein Abgasturbolader mit einem Axialgleitlager bekannt, dessen Lagerscheibe einen größeren Durchmesser als die Anlaufbuchse aufweist, und aus einer Kupferlegierung gefertigt ist. Da die Lagerscheibe jedoch ein kompliziert und aufwendig zu fertigendes Bauteil darstellt, bedeutet dies hohe Fertigungskosten für die Lagerscheibe. Um diese zu verringern, ist es beispielsweise aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2008 046 946 A1 bekannt, die teureren Werkstoffe nur an Stellen einzusetzen, an welchen sie notwendig sind. Hierzu schlägt die genannte Offenlegungsschrift vor, nur die mit der Anlaufbuchse zusammenwirkenden Lagerelemente/-bereiche der Lagerscheibe aus der teuren Kupferlegierung zu fertigen.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Der erfindungsgemäße Turbolader zeichnet sich dadurch aus, dass die Lagerscheibe zumindest im Wesentlichen aus Stahl beziehungsweise zumindest im Wesentlichen aus einem Stahl-Werkstoff und die Anlaufbuchse zumindest im Wesentlichen aus einer Kupferlegierung gefertigt sind. Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass das kleinere Bauteil aus dem teureren Werkstoff und das größere Bauteil aus dem günstigeren Werkstoff gefertigt ist. Dadurch ist auch das größere, geometrisch kompliziertere Bauteil, also die Lagerscheibe, aus einem einfach und kostengünstiger zu bearbeitenden Werkstoff gefertigt, als die Anlaufbuchse, die aus dem schwerer zu bearbeitenden Spezialwerkstoff (Kupferlegierung) besteht. Insgesamt weist somit das Axialgleitlager die gleichen Gleitlagereigenschaften wie bekannte Gleitlager auf, ist jedoch wesentlich einfacher und kostengünstiger zu fertigen. Insbesondere durch das Fertigen der Lagerscheibe aus Stahl wird die Fertigung der Lagerscheibe Herstellungsprozessen zugänglich, die sich auf die Technologien der Stahlherstellung und -bearbeitung mit ihren ausgereiften Hochleistungs-Standard-Fertigungsverfahren und der riesigen Auswahl an Standardhalbzeugen stützen können. So kann die Herstellung der Lagerscheibe zum Beispiel durch die Verwendung von Walzblechen und/oder Laserstrahlbearbeitungstechniken vereinfacht und/oder flexibilisiert werden. Gleichzeitig verbreitert sich die Basis an Lieferanten von Halbzeugen und Fertigteilen erheblich. Im Ergebnis bietet die Erfindung somit eine kostengünstigere Fertigung des Abgasturboladers bei gleichen Gleitlagereigenschaften.
-
Bevorzugt ist die Lagerscheibe zumindest im Wesentlichen aus CK45-Stahl gefertigt. Dies ist ein weit verbreiteter Stahl-Werkstoff, der kostengünstig und einfach zu bearbeiten ist.
-
Vorzugsweise ist die Anlaufbuchse zumindest im Wesentlichen aus CuZn37Mn3Al2PbSi gefertigt. Diese Kupferlegierung ermöglicht zusammen mit der aus Stahl gefertigten Lagerscheibe besonders günstige Reib-Gleit-Eigenschaften des Axialgleitlagers. An der Fertigung der Anlaufbuchse ändert sich somit, bis auf die Wahl des Werkstoffs, prinzipiell nichts. Lediglich ihr Preis erhöht sich durch die Wahl des teureren Werkstoffs, wobei unter Berücksichtigung der nun günstiger hergestellten Lagerscheibe die Herstellungskosten insgesamt dennoch verringert werden.
-
Vorzugsweise weist die Lagerscheibe wenigstens einen zumindest im Wesentlichen radial ausgerichteten Schmiermittelzulaufkanal auf, der in den Schmiermittelkanal mündet. Vorzugsweise führt der Schmiermittelzulaufkanal von einer Schmiermittelaufnahmeöffnung, die auf einem größeren Durchmesser der Lagerscheibe außerhalb der Anlaufbuchse beziehungsweise radial beabstandet zu der Anlaufbuchse liegt, zu dem randoffenen beziehungsweise stirnseitig offenen Schmiermittelkanal, der auf einem kleineren Durchmesser im Bereich der Anlaufbuchse liegt. Somit ist eine fluidtechnische Verbindung zwischen einem gehäuseseitigen Schmiermittelzulauf und dem Axialgleitlager gewährleistet. Die Lagerscheibe weist also bevorzugt einen größeren Durchmesser als die Anlaufbuchse auf, wobei alternativ auch eine Ausbildung bevorzugt wird, bei der die Durchmesser von Lagerscheibe und Anlaufbuchse zumindest im Wesentlichen einander entsprechen. Zumindest in letzterem Fall ist die Schmiermittelaufnahmeöffnung bevorzugt als Radialöffnung in der Mantelaußenwand der Lagerscheibe ausgebildet. Besonders bevorzugt ist die Schmiermittelaufnahmeöffnung als Schmiermittelverteilerniere ausgebildet, die eine kreisringsegmentförmige Kontur aufweist. Der Schmiermittelkanal ist vorzugsweise ebenfalls kreisringsegmentförmig ausgebildet. Vorzugsweise sind die Stirnseiten der Lagerscheibe spiegelbildlich ausgebildet, weisen also beide jeweils mindestens einen entsprechenden Schmiermittelkanal mit mindestens einem zugehörigen Schmiermittelzulaufkanal und entsprechender Schmiermittelaufnahmeöffnung auf.
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Lagerscheibe im Kontaktbereich zu der Anlaufbuchse mehrere voneinander beabstandete Rastflächen für die Anlaufbuchse aufweist. Steht die Welle des Abgasturboladers still, so liegt die Anlaufbuchse mit ihrer Stirnseite auf den Rastflächen der Lagerscheibe auf. Wird die Welle in Rotation versetzt, so wird ein Hydraulikfilm zwischen den Rastflächen und der Stirnseite der Anlaufbuchse gebildet, der die Reibung effizient verringert. Durch Vorsehen der mehreren, vorzugsweise – in Umfangsrichtung gesehen – voneinander beabstandeten Rastflächen wird das Reib-Verhalten bei Inbetriebnahme des Turboladers oder Abgasturboladers verbessert.
-
Vorzugsweise ist jeder der Rastflächen eine in Rotationsrichtung der Anlaufbuchse ausgerichtete Keilfläche zugeordnet. Rastflächen und Keilflächen sind zweckmäßigerweise einstückig mit der Lagerscheibe ausgebildet, wobei die Keilfläche besonders bevorzugt in die Rastfläche übergeht. Durch die Ausrichtung der Keilfläche in Rotationsrichtung wird das Erzeugen des Hydraulikfilms zwischen Anlaufbuchse und Lagerscheibe beschleunigt beziehungsweise sicher gewährleistet.
-
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass den Keilflächen der Schmiermittelkanal und/oder jeweils einer der Schmiermittelzulaufkanäle zugeordnet sind. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegen die Keilflächen und auch die Rastflächen in dem Schmiermittelkanal der Lagerscheibe. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform münden die Schmiermittelzulaufkanäle in den Schmiermittelkanal an der jeweiligen Keilfläche. Mit anderen Worten enden die Schmiermittelzulaufbohrungen in der jeweiligen Keilfläche, sodass an dieser Stelle, insbesondere durch Bereitstellen von unter Druck stehendem Schmiermittel, das Bilden des Hydraulikfilms stets gewährleistet wird.
-
Vorzugsweise ist die Lagerscheibe als Kreisringsegmentzylinder ausgebildet. Die Lagerscheibe weist somit eine ringsegmentförmige Radialaussparung auf, die insbesondere zur bereichsweisen Aufnahme der Anlaufbuchse dient.
-
Die Anlaufbuchse ist vorzugsweise als Kreisringzylinder ausgebildet und stellt somit ein rotationssymmetrisches Bauteil dar.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Turboladers, insbesondere wie er oben stehend beschrieben wurde, zeichnet sich dadurch aus, dass die Lagerscheibe zumindest im Wesentlichen aus Stahl und die Anlaufbuchse zumindest im Wesentlichen aus einer Kupferlegierung gefertigt werden. Hieraus ergeben sich die oben bereits genannten Vorteile. Vorzugsweise wird die Lagerscheibe durch Verwendung von Walzblechen und/oder Laserstrahlbearbeitungstechniken hergestellt.
-
Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigen
-
1 einen Abgasturbolader ohne Gehäuse in einer perspektivischen Darstellung,
-
2 eine Anlaufbuchse des Abgasturboladers,
-
3 eine Lagerscheibe des Abgasturboladers und
-
4 eine Schnittdarstellung der Lagerscheibe.
-
1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung einen Abgasturbolader 1 ohne dessen Gehäuse. Der Abgasturbolader 1 umfasst eine Welle 2, die in dem nicht dargestellten Gehäuse drehbar gelagert ist. Auf der Welle 2 sind zueinander beabstandet ein Turbinenrad 3 und ein Verdichterrad 4 angeordnet und jeweils drehfest mit der Welle 2 verbunden. Im Betrieb entstehen sowohl in dem das Verdichterrad 4 aufweisenden Verdichter sowie in der das Turbinenrad 3 aufweisenden Turbine Axialkräfte, die auf das jeweilige Rad 3, 4 und auf die Welle 2 wirken. Zum Aufnehmen der Axialkräfte ist ein Axialgleitlager 5 vorgesehen, das eine gehäusefest angeordnete Lagerscheibe 6 und eine drehfest mit der Welle 2 verbundene Anlaufbuchse 7 umfasst. Vorliegend ist das Axialgleitlager dem Verdichterrad 4 zugeordnet.
-
2 zeigt die Anlaufbuchse 7 in einer perspektivischen Darstellung. Die Anlaufbuchse 7 ist kreiszylinderförmig ausgebildet und weist eine Axialbohrung 8 zur Aufnahme der Welle 2 sowie eine sich über den Umfang ihrer Mantelfläche 9 erstreckende Nut 10 zur Aufnahme der Lagerscheibe 6 auf. Die Anlaufbuchse 7 ist zumindest im Wesentlichen aus CuZn37Mn3Al2PbSi gefertigt.
-
3 zeigt in einer perspektivischen Darstellung die aus einem Stahlwerkstoff gefertigte Lagerscheibe 6 des Axialgleitlagers 5. Die Lagerscheibe 6 ist kreisringsegmentförmig ausgebildet und weist einen größeren Außendurchmesser als die Anlaufbuchse 7 auf. Durch die kreisringsegmentförmige Ausbildung der Lagerscheibe 6 weist diese eine Radialaussparung 11 auf, die es erlaubt, die Lagerscheibe 6 in die Nut 10 der Anlaufbuchse 7, beziehungsweise die Anlaufbuchse 7 in die Lagerscheibe 6 derart weit einzuschieben, dass Lagerscheibe 6 und Anlaufbuchse 7 zumindest im Wesentlichen koaxial zueinander ausgerichtet/angeordnet sind. Alternativ ist natürlich auch eine kreisringförmige Ausbildung der Lagerscheibe 6 denkbar.
-
Weiterhin weist die Lagerscheibe 6 an ihren Stirnseiten 12, von denen hier nur eine erkennbar ist, jeweils einen stirnseitig offenen Schmiermittelkanal 13 auf, der koaxial zur Drehachse der Welle 2 kreisringsegmentförmig verläuft und im Wesentlichen als Vertiefung in der Stirnseite 12 ausgebildet ist. Der Schmiermittelkanal 13 erstreckt sich dabei auf einem Radius beziehungsweise Durchmesser, der kleiner ist, als der der Mantelfläche 9 der Anlaufbuchse 7, sodass durch den Schmiermittelkanal 13 und die an der Lagerscheibe 6 anliegende Innenfläche der Nut 10 der Anlaufbuchse 7 eine Schmiermitteltasche gebildet wird.
-
In dem Schmiermittelkanal 13 sind mehrere, in Umfangsrichtung gesehen voneinander beabstandet angeordnete Rastflächen 14 angeordnet, deren jeweilige Oberfläche mit der Stirnseite 12 der Lagerscheibe 6 bündig ist beziehungsweise in einer gemeinsamen Ebene liegt. Jeder der Rastflächen 14 ist eine Keilfläche 15 zugeordnet, die in Rotationsrichtung der Anlaufbuchse 7 vor der jeweiligen Rastfläche 14 liegt und in Rotationsrichtung ansteigt.
-
4 zeigt hierzu einen Schnitt durch die Lagerscheibe 6 im Bereich einer Keilfläche 14, in Umfangsrichtung gesehen. Die Bewegungsrichtung beziehungsweise Rotationsrichtung der Anlaufbuchse 7 ist in 4 durch einen Pfeil 16 angedeutet. Die Rastfläche 14 ist als Vorsprung in der den Schmiermittelkanal 13 bildenden Vertiefung ausgebildet. Die Keilfläche 15 verläuft schräg zu der Rastfläche 14 und geht in diese über, wobei in Bewegungsrichtung – gemäß Pfeil 16 gesehen – die Keilfläche 15 bis zu der Rastfläche 14 ansteigt. Im Betrieb wird hierdurch gewährleistet, dass in dem Schmiermittelkanal 13 befindliches Schmiermittel durch die Relativbewegung von Lagerscheibe 6 und Anlaufbuchse 7 zueinander zwischen Lagerscheibe 6 und Anlaufbuchse 7 zum Bilden eines hydraulischen Gleitfilms gefördert wird.
-
Wie aus 3 weiterhin ersichtlich, weist die Lagerscheibe 6 koaxial zu dem Schmiermittelkanal 13 eine Schmiermittelaufnahmeöffnung 17 auf, die als Schmiermittelverteilerniere 18 ausgebildet ist und sich auf einem Radius erstreckt, der größer ist, als der Radius des Schmiermittelkanals 13 und der Mantelfläche 9 der Anlaufbuchse 7. Wie aus 1 ersichtlich, liegt die Schmiermittelverteilerniere 18 in einem Bereich der Stirnfläche 12, der außerhalb der Anlaufbuchse 7 liegt. Zweckmäßigerweise befindet sich im Gehäuse an entsprechender Stelle ein Schmiermittelzulauf, der mit der Schmiermittelaufnahmeöffnung 17 in Fluidverbindung steht, sodass durch den Schmiermittelzulauf des Gehäuses Schmiermittel in die Schmiermittelaufnahmeöffnung 17 beziehungsweise in die Schmiermittelverteilerniere 18 gelangt.
-
In der Lagerscheibe 6 sind weiterhin mehrere im Wesentlichen radial ausgerichtete Schmiermittelzulaufkanäle 19 vorgesehen, die die Schmiermittelverteilerniere 18 mit dem Schmiermittelkanal 13 verbinden. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel münden dabei die Schmiermittelzulaufkanäle 19 im Bereich der Keilflächen 15 in den Schmiermittelkanal 13.
-
Durch die Ausbildung der Lagerscheibe 6 zumindest im Wesentlichen aus Stahl und der Anlaufbuchse 7 zumindest im Wesentlichen aus der Kupferlegierung werden die Herstellungskosten für den Abgasturbolader 1 verringert. Insbesondere das größere, geometrisch kompliziertere Bauteil, die Lagerscheibe 6, ist somit aus einem einfach zu bearbeitenden Standardwerkstoff gefertigt, während das kleinere, geometrisch einfachere Bauteil, die Anlaufbuchse 7, aus dem schwerer zu bearbeitenden und teureren Spezialwerkstoff gefertigt ist. Dabei werden für die Fertigung der Lagerscheibe 6 neue Herstellungsprozesse möglich, die sich auf die Technologien der Stahlherstellung und -bearbeitung und die riesige Auswahl an Standard-Halbzeugen stützen können. So kann die Herstellung der Lagerscheibe 6 zum Beispiel durch die Verwendung von Walzblechen und/oder Laserstrahlbearbeitungstechniken deutlich vereinfacht und/oder flexibilisiert werden. Gleichzeitig verbreitert sich die Basis von Lieferanten von Halbzeugen und Fertigteilen.
-
Die Ausgangsform der Lagerscheibe 6 besteht vorzugsweise oder wird vorzugsweise hergestellt aus einer von einem stranggepressten Rundstab abgesägten Ronde. Die Ronde wird vorzugsweise warmgeschmiedet, entgratet und zum Erstellen der Grobkonturen gestanzt und/oder gelocht. Die Keilflächen 15 und/oder die Rastflächen 14 werden vorzugsweise geprägt, das gesamte Bauteil anschließend thermisch entspannt und abschließend durch Tieflochbohren der Schmiermittelzulaufkanäle 19, Fräsen der Schmiermittelverteilerniere 18 und Flachschleifen von Vorder- und Rückseite beziehungsweise Stirnseiten 12 fertig gestellt. Die Anlaufbuchse 7 wird vorzugsweise durch Drehen vom Rundstab einer Halbzeugform gefertigt. Die Fertigung der Anlaufbuchse 7 ändert sich nicht grundlegend, es wird lediglich ein anderen Werkstoff für die Herstellung vorgesehen. Zwar ist dieser Werkstoff teurer als der herkömmliche Stahlwerkstoff, jedoch werden die Herstellungskosten für das Axialgleitlager 5 und den Abgasturbolader 1 insgesamt verringert.
-
Natürlich ist die Erfindung auch auf andere Arten von Turboladern anwendbar, insbesondere bei Turboladern für Brennstoffzellensysteme, die zum Erhöhen der Effizienz des Brennstoffzellensystems dienen.
-
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
-
- US 6793468 B2 [0003]
- DE 102008046946 A1 [0003]
