DE102011004975B4

DE102011004975B4 - Druckerzeugungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102011004975B4
Application number: DE102011004975.4A
Authority: DE
Inventors: Helmut Hauck; Thomas HEEGE; Hubert Herbst; Sandra Kamm
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2011-03-02
Filing date: 2011-03-02
Publication date: 2016-12-29
Anticipated expiration: 2031-03-03
Also published as: EP2681462A1; US20140041383A1; CN103403372A; WO2012117047A1; DE102011004975A1

Abstract

Druckerzeugungsvorrichtung (1), insbesondere Ladedruckerzeuger einer Brennkraftmaschine, die ein Gehäuse (2) aufweist, in der ein Rotor (3) drehbar angeordnet ist, wobei an zumindest einer axialen Position des Rotors (3) ein in radiale Richtung (r) verlaufender Spalt (4) zwischen dem Gehäuse (2) und dem Rotor (3) ausgebildet ist, wobei der Rotor (3) im Gehäuse (2) mittels einer Lageranordnung (5) axial und radial gelagert ist, wobei die Lageranordnung (5) ein ausschließlich zur Aufnahme axialer Kräfte ausgebildetes Axiallager (5') aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Axiallager (5') nahe des Spalts (4) angeordnet ist und als Wälzlager ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Druckerzeugungsvorrichtung, insbesondere einen Ladedruckerzeuger einer Brennkraftmaschine, die ein Gehäuse aufweist, in der ein Rotor drehbar angeordnet ist, wobei an zumindest einer axialen Position des Rotors ein in radialer Richtung verlaufender (also axialer) Spalt zwischen dem Gehäuse und dem Rotor ausgebildet ist, wobei der Rotor im Gehäuse mittels einer Lageranordnung axial und radial gelagert ist, wobei die Lageranordnung ein ausschließlich zur Aufnahme axialer Kräfte ausgebildetes Axiallager aufweist.
Eine solche Vorrichtung offenbart die EP 1 391 586 A1 . Eine Druckerzeugungsvorrichtung ähnlicher Art ist beispielsweise aus der DE 20 2004 017 194 U1 bekannt. Die Welle eines Abgasturboladers ist hier in zwei Schrägkugellagern geführt, die gegeneinander angestellt sind und so die Welle unter einer definierten Vorspannung halten.
Gattungsgemäße Systeme zum Aufladen eines Verbrennungsmotors basieren zumeist auf rotierenden Elementen, die in der Regel mittels einer Wälzlagerung in einem Gehäuse drehbar gelagert sind. Dies gilt insbesondere für die sog. gasdynamischen Druckwellenmaschinen, die ein bevorzugter Anwendungsfall der vorliegenden Erfindung sind. Diese Maschinen weisen mindestens zwei Bereiche auf, in denen unterschiedlicher Druck herrscht; derartige Maschinen haben also zumindest einen Niederdruck- und einen Hochdruckbereich. Das zentrale Bauteil eines solchen Laders ist der Rotor, der unter anderem für die Druckerhöhung und für die Trennung der beiden Druckbereiche benötigt wird. Der Rotor ist in einem Gehäuse in einer Lageranordnung radial und axial gelagert. Um die Funktion der Druckraumtrennung sicherzustellen, ist der Spalt zwischen dem Gehäuse und dem Rotor einerseits gering und andererseits im Betrieb konstant zu halten.
In diesem Zusammenhang hat es sich also problematisch herausgestellt, dass die Einstellung und Einhaltung eines präzisen axialen Spalts zwischen Gehäuse und Rotor schwierig ist.
Bekannte Systeme weisen eine kombinierte Radial-Axial-Lagerung auf, die aus mindestens zwei Lagerreihen bestehen, die angestellt werden müssen, um technisch bedingte Axialluft der Lagerungen zu eliminieren. Weiterhin müssen die Lager mit zusätzlichen Passscheiben montiert werden, um axiale Bauteiltoleranzen eliminieren zu können. Schließlich ist zumeist noch eine Spannmutter erforderlich, um unter Last mitdrehende Lagerringe zu vermeiden, was infolge einer unterschiedlichen thermischen Ausdehnung der Bauteile auftreten kann.
Demgemäß ist ein hoher Aufwand zur Sicherstellung eines minimalen und konstanten Spaltes zwischen Rotor und Gehäuse zu treiben, was entsprechend hohe Fertigungs- und Montagekosten bedingt. Auch bestehen viele Fehlermöglichkeiten aufgrund der erforderlichen vielfältigen Montageschritte. Diese Fehlermöglichkeiten können zu einer vorzeitigen Schädigung des Lagers führen und den Spalt zwischen Rotor und Gehäuse negativ beeinflussen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Druckerzeugungsvorrichtung der eingangs genannten Art so fortzubilden, dass die genannten Nachteile verhindert werden können. Demgemäß soll eine wirtschaftliche Lösung der Herstellung einer gattungsgemäßen Druckerzeugungsvorrichtung bereitgestellt werden, bei der es in einfacherer Weise als bisher möglich ist, einen möglichst kleinen Spalt zwischen Rotor und Gehäuse einzustellen und aufrecht zu erhalten.
Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Axiallager nahe des Spalts angeordnet ist und als Wälzlager ausgebildet ist.
Der radial verlaufende (d. h. der axiale) Spalt grenzt bevorzugt einen Hochdruckbereich der Druckerzeugungsvorrichtung vom Bereich des Rotors ab.
Zumindest eine Laufbahn für die Wälzkörper des Axiallagers kann direkt in das Gehäuse und/oder in den Rotor eingearbeitet sein.
Es ist alternativ auch möglich, dass Teile des Lagers als separates Bauteil mit bekannten Verbindungstechniken (z. B. Stoffschluss durch Kleben oder Löten, Formschluss) in ein Umgebungsbauteil integriert werden, wobei dieses Bauteil mit dem Umgebungsbauteil dann bevorzugt eine vormonierte (teilmontierte) Einheit bildet.
Die Lageranordnung weist zumeist des Weiteren mindestens ein, vorzugsweise zwei axial beabstandete Lager zur Aufnahme von Radialkräften auf, das bzw. die zwischen dem Gehäuse und dem Rotor wirksam angeordnet ist bzw. sind. Das mindestens eine bzw. die beiden axial beabstandeten Lager ist bzw. sind bevorzugt als Wälzlager ausgebildet, insbesondere als ein Rillenkugellager und als ein Rollenlager.
Eine Fortbildung sieht vor, dass ein Federelement zwischen dem Gehäuse und dem Rotor wirksam angeordnet ist, das auf das Axiallager eine axiale Vorspannkraft ausübt. Das Federelement kann als Klemmring oder als Schraubenfeder ausgebildet sein.
Die als Wälzlager ausgebildeten Lager der Lageranordnung können Lagerelemente, insbesondere Wälzkörper, aus keramischem Material aufweisen.
Das Gehäuse besteht vorzugsweise aus gegossenem Metall, insbesondere aus Leichtmetall. Insoweit kann also beispielsweise Stahlguss zur Anwendung kommen. Auch eine Herstellung des Gehäuses aus einem Blech ist möglich. Weiterhin ist auch Kunststoff als Material für das Gehäuse vorteilhaft; eine Variante sieht den Einsatz von Kunststoff-Metall-Hybriden vor.
Die Druckerzeugungsvorrichtung ist bevorzugt ein Ladedruckerzeuger einer Brennkraftmaschine, wobei der Ladedruckerzeuger ein Abgasturbolader, ein mechanischer Lader oder eine gasdynamische Druckwellenmaschine ist.
Möglich ist es auch, dass neben dem Axiallager eine angestellte Lagerung für die kombinierte axiale und radiale Lagerung des Rotors in dem Gehäuse vorgesehen wird.
Die Lageranordnung ist bevorzugt abgedichtet ausgebildet, und zwar sowohl axial als auch radial. Die Lageranordnung kann hierbei fettgeschmiert sein. Ferner können Nachschmiermöglichkeiten vorgesehen sein. Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht dabei vor, dass zwischen den Lagerstellen der Lageranordnung Zwischenelemente vorgesehen sind, die Schmierfettreservoire bilden. Die Zwischenelemente dienen dazu, Schmiermittel im Bereich der Lagerstellen zu halten. Diese Zwischenelemente können auch dazu ausgebildet sein, Lager oder Lagerteile zu fixieren.
Die Lagerung kann gegebenenfalls auch einteilige Außenringe für zwei Lagerstellen aufweisen. Entsprechend können auch einteilige Innenringe für zwei Lagerstellen vorgesehen werden. Vorgesehen kann auch werden, dass eine oder mehrere Laufbahnen der Lager direkt in den Außenumfang des zu lagernden Rotors eingearbeitet ist; ein separater Lagerring entfällt dann entsprechend.
Dabei können zumindest zwei Teile der gesamten Lagerung derart miteinander verbunden sein, dass sie eine vormonierte Einheit bilden. Hierdurch kann der Montageprozess weiter vereinfacht werden. Es wurde bereits oben erwähnt, dass Teile der Lagerung in Umgebungsbauteile (wie z. B. Gehäuse oder Rotor) integriert werden können.
Die bevorzugten Lader-Typen, bei denen die Erfindung eingesetzt wird, sind der Abgasturbolader, der mechanische Lader (Kompressor) oder die gasdynamische Druckwellenmaschine. Die Lader werden vorzugsweise in Brennkraftmaschinen von Personenkraftwagen eingesetzt. Generell geeignet sind die vorgeschlagenen Lader aber auch in all den Applikationen zur Druckerhöhung, bei denen zwei unterschiedliche Druckbereiche vorliegen und ein Rotor den (axialen) Trennspalt zwischen den Bereichen bildet und somit die Minimierung und Konstanz des Trennspalts von großer Wichtigkeit ist.
Um eine kostengünstige Möglichkeit zu schaffen, den radial verlaufenden (d. h. den axialen) Spalt zwischen Gehäuse und Rotor auf einen minimalen Wert einzustellen und einzuhalten – insbesondere zwischen dem Rotor und einem festen Hochdruckbereich eines Druckwellenlagers für einen PKW-Motor –, sieht die Erfindung also vor, dass die Lagerung für den Rotor über ihre hochpräzise Fertigung die Funktion des Spaltminimierens und der Konstanthaltung des Spalts übernehmen können, wobei die kombinierte Last, die auf den Rotor wirkt, in einen radialen und einen axialen Anteil zerlegt wird und jeder Anteil einzeln mit einem jeweiligen Lager aufgenommen wird. Die Axiallast wird dabei namentlich über ein reines Axiallager aufgenommen, über das der Spalt zwischen Rotor und Gehäuse präzise eingestellt bzw. eingehalten werden kann.
Ein weiterer Vorteil der vorgeschlagenen Lösung besteht darin, dass Mischreibung vermieden werden kann, da die axiale und die radiale Lagerung getrennt erfolgen. Hierdurch kann generell die Reibung reduziert werden. Die Lebensdauer erhöht sich demgemäß und auch die Temperaturentwicklung ist geringer. Weiterhin wird die Tendenz zur Anregung von Schwingungen vermindert, d. h. das Betriebsgeräusch ist geringer.
Von Vorteil ist, dass die Montageschritte der Lageranstellung und Passscheibenmontage auf diese Weise eliminiert werden können. Eine axiale Fixierung mittels einer Spannmutter kann zusätzlich den Toleranzausgleich und die Axiallufteliminierung übernehmen.
Demgemäß wird der Montageprozess schneller, einfacher und sicherer, wobei auch entsprechende wirtschaftliche Vorteile entstehen. Auch die Funktion des Laders ist sicherer und somit das Ausfallrisiko minimiert.
Der Spalt zwischen Rotor und Gehäuse wird nur über die engen Lagertoleranzen des Axiallagers bestimmt und kann damit minimiert werden. Weiterhin übernimmt das Axiallager das Konstanthalten des axialen Spalts zwischen Gehäuse und Rotor. Durch die Verminderung des Spalts in seiner Größe verbessert sich die Trennung zwischen den Druckbereichen des Laders, womit die Leistung des Laders und dessen Wirkungsgrad verbessert werden. Letzteres führt auch zu einem breiteren Einsatzfeld des Laders.
Die vorgeschlagene Lösung ist insbesondere vorgesehen für einen Lader für Brennkraftmaschinen. Sie ist jedoch auch geeignet für alle Applikationen, bei denen eine Druckerhöhung eines Mediums Funktionsgrundlage ist.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
1 den Radialschnitt durch eine Druckerzeugungsvorrichtung in Form eines Druckwellenladers gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung und
2 den Radialschnitt durch eine Druckerzeugungsvorrichtung in Form eines Turboladers gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
In 1 ist eine Druckerzeugungsvorrichtung 1 dargestellt, ausgebildet als Druckwellenlader. Die Druckerzeugungsvorrichtung 1 weist ein Gehäuse 2 auf, in dem ein Rotor 3 drehbar angeordnet ist. Der Rotor 3 ist dabei zum Gehäuse 2 sowohl radial als auch axial gelagert. Hierfür dient eine Lageranordnung, die aus drei Lager 5', 5'' und 5''' besteht.
Der Lader hat einen Niederdruckbereich 9 und einen Hochdruckbereich 10. Durch die Rotation des Rotors 3 wird Gas aus dem Niederdruckbereich 9 verdichtet und dem Hochdruckbereich 10 zugeführt.
Zwischen einer Stirnseite des Rotors 3 und dem Gehäuse 2 ist ein axialer Spalt 4 ausgebildet. Es ist für einen hohen Wirkungsgrad der Druckerzeugungsvorrichtung 1 wichtig, dass die Größe des axialen Spalts 4 einerseits klein gehalten wird, andererseits aber im Betrieb auch konstant bleibt.
Die Lageranordnung weist einmal ein Axiallager 5' auf, das ausschließlich dafür vorgesehen ist, die axiale Position des Rotors 3 relativ zum Gehäuse 2 festzulegen. Daneben weist die Lageranordnung im Ausführungsbeispiel zwei Lager 5'' und 5''', auf, nämlich ein Rillenkugellager 5'' und ein Nadellager 5'''.
Wesentlich ist, dass die Größe des axialen Spalts 4 durch das Axiallager 5' bestimmt wird, das zu diesem Zweck nahe an dem Spalt 4 angeordnet ist. Vorliegend ist in eine Stirnseite des Gehäuses 2 eine Eindrehung eingearbeitet, in die ein Lagerring 11 des Axiallagers 5' eingesetzt ist. Die Wälzkörper 7 des Axiallagers 5' liegen am Lagerring 11 an. Die Gegenlaufbahn 6 des Axiallagers 5' wird direkt durch einen Abschnitt des Rotors 3 gebildet.
Zur Abdichtung des Laders 1 ist in 1 ein Dichtring 8 dargestellt.
Eine etwas anders ausgeführte Lösung der Druckerzeugungsvorrichtung 1 ist in 2 skizziert. Vom Grundsatz her gilt dasselbe, wie im Zusammenhang mit 1 ausgeführt.
Wiederum ist ein Axiallager 5' zwischen Rotor 3 und Gehäuse 2 wirksam angeordnet, um den Spalt 4 auf einem geringen und konstanten Wert zu halten.
Zu erwähnen ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 noch ein Federelement 12 – hierin Form einer Schraubenfeder –, das für eine axial wirkende Vorspannung auf das Axiallager 5' sorgt.
Bezugszeichenliste

1: Druckerzeugungsvorrichtung
2: Gehäuse
3: Rotor
4: radial verlaufender (axialer) Spalt
5: Lageranordnung
5': Axiallager
5'': Rillenkugellager
5''': Rollenlager/Nadellager
6: Laufbahn
7: Wälzkörper
8: Dichtring
9: Niederdruckbereich
10: Hochdruckbereich
11: Lagerring
12: Federelement
r: radiale Richtung

Claims

Druckerzeugungsvorrichtung (1), insbesondere Ladedruckerzeuger einer Brennkraftmaschine, die ein Gehäuse (2) aufweist, in der ein Rotor (3) drehbar angeordnet ist, wobei an zumindest einer axialen Position des Rotors (3) ein in radiale Richtung (r) verlaufender Spalt (4) zwischen dem Gehäuse (2) und dem Rotor (3) ausgebildet ist, wobei der Rotor (3) im Gehäuse (2) mittels einer Lageranordnung (5) axial und radial gelagert ist, wobei die Lageranordnung (5) ein ausschließlich zur Aufnahme axialer Kräfte ausgebildetes Axiallager (5') aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Axiallager (5') nahe des Spalts (4) angeordnet ist und als Wälzlager ausgebildet ist.
Druckerzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Laufbahn (6) für die Wälzkörper (7) des Axiallagers (5') direkt in das Gehäuse (2) und/oder in den Rotor (3) eingearbeitet ist.
Druckerzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lageranordnung (5) des weiteren mindestens ein, vorzugsweise zwei axial beabstandete Lager (5'', 5''') zur Aufnahme von Radialkräften aufweist, das bzw. die zwischen dem Gehäuse (2) und dem Rotor (3) wirksam angeordnet ist bzw. sind.
Druckerzeugungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine oder die beiden axial beabstandeten Lager (5'', 5''') als Wälzlager ausgebildet ist bzw. sind.
Druckerzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Federelement (12) zwischen dem Gehäuse (2) und dem Rotor (3) wirksam angeordnet ist, das auf das Axiallager (5') eine axiale Vorspannkraft ausübt.
Druckerzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die als Wälzlager (5', 5'', 5''') ausgebildeten Lager der Lageranordnung (5) Lagerelemente, insbesondere Wälzkörper, aus keramischem Material aufweisen.
Druckerzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) aus vorzugsweise gegossenem Metall, insbesondere aus Leichtmetall, oder aus Kunststoff besteht.
Druckerzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Ladedruckerzeuger einer Brennkraftmaschine ist, wobei der Ladedruckerzeuger ein Abgasturbolader, ein mechanischer Lader oder eine gasdynamische Druckwellenmaschine ist.