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Die Erfindung betrifft ein Gelenklager gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und einen Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 10.
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Stand der Technik
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Gelenklager werden für die verschiedensten technischen Anwendungen zur Realisierung von 3D-Kinematiken eingesetzt. Gelenklager umfassen einen konvexen Lagerkopf bzw. Kugelkopf, insbesondere eine Lagerkugel, die an einer Pfanne beweglich gelagert ist. Im Allgemeinen ist an dem Lagerkopf eine erste Anschlusseinrichtung zur Verbindung mit einer ersten Koppelstange angeordnet und eine zweite Anschlusseinrichtung dient zur Verbindung mit einer zweiten Koppelstange. Die zweite Anschlusseinrichtung ist dabei an der Pfanne befestigt. Dadurch können zwei Koppelstangen mit dem Gelenklager beweglich miteinander in sämtlichen Raumrichtungen verbunden sein.
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Gelenkköpfe weisen im Allgemeinen ein Aluminiumgehäuse auf und an dem Aluminiumgehäuse ist ein Käfig aus einem polymeren Kunststoff als Pfanne ausgebildet. In dieser Pfanne aus Kunststoff ist eine Kugel geführt. Für Anwendungen des Gelenkkopfes bei hohen Temperaturen von bis 650 °C kann deshalb der Gelenkkopf nicht eingesetzt werden, weil die Pfanne aus dem polymeren Kunststoff derartigen Temperaturen nicht standhält.
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Winkelgelenke bestehen aus meist temperaturbeständigem Stahl und verfügen über eine Kugelpfanne, in der eine Kugel eines Kugelzapfens gelagert ist. Die Kugel liegt dabei an der Kugelpfanne nur auf einer äquatornahen Linie auf und weist dadurch große Flächenpressungen mit einem hohen Verschleiß auf. Maßnahmen zur Verschleißminderung, zum Beispiel Härten oder Kolsterisieren, können bei der Anwendung des Winkelgelenkes bei hohen Temperaturen von bis zu 650 °C nicht ausgeführt werden. Aus diesem Grund können übliche Winkelgelenke dauerhaft bei Anwendungen mit hohen Temperaturen nicht eingesetzt werden.
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Kalottenlager bestehen im Allgemeinen aus Stahlbauteilen und sind temperaturbeständig. Das Kalottenlager weist ein Blechgehäuse auf, welches bezüglich Biegung in einem biegekritischen Bereich zwischen Gelenkauge und Koppelstange ein nur geringes Widerstandsmoment aufweist, sodass dadurch eine Bruchgefahr besteht.
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Abgasturbolader dienen dazu, mittels einer von Abgas angetriebenen Turbine Frischluft als Ladeluft mit einer Verdichterturbine zu verdichten. Das Abgas, welches durch ein Abgasteil mit der Abgasturbine geleitet wird, weist dabei sehr hohe Temperaturen im Bereich von 600 bis 800 °C auf. An der Abgasturbine bzw. am Abgasteil des Abgasturboladers ist ein Waste-Gate-Ventil angeordnet. Dieses Waste-Gate-Ventil ist sehr hohen Temperaturbeanspruchungen von bis zu 1050 °C ausgesetzt. Zum Betätigen bzw. Bewegen des Waste-Gate-Ventils wird ein Aktuator eingesetzt. Der Aktuator ist jedoch an einem Verdichterteil des Abgasturboladers mit einer erheblich geringeren Temperatur angeordnet, weil der Aktuator derart hohen Temperaturen an dem Abgasteil nicht standhält. Aus diesem Grund ist es erforderlich, mit einem Hebelmechanismus den Aktuator mit dem Waste-Gate-Ventil mechanisch zu koppeln. Hierzu ist an dem Aktuator ein Primärhebel angeordnet und an dem Waste-Gate-Ventil ein Sekundärhebel. Der Primär- und Sekundärhebel ist mittels einer Koppelstange miteinander verbunden. Dabei ist die Rotationsachse des Primär- und Sekundärhebels nicht immer parallel, sodass es erforderlich ist, mittels eines in sämtlichen Raumrichtungen beweglichen Gelenklagers die Koppelstange mit dem Sekundärhebel zu verbinden. Dieses Gelenklager muss dabei den hohen Temperaturen im Bereich des Abgasteils standhalten.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Erfindungsgemäßes Gelenklager, umfassend einen konvexen Lagerkopf bzw. einen konvexen Kugelkopf, vorzugsweise einer erste Anschlusseinrichtung für eine erste Koppelstange an dem Lagerkopf, eine Lagerpfanne mit einer ersten konkaven Lagerfläche, an welcher dar Lagerkopf gelagert ist, vorzugsweise eine zweite, mit der Lagerpfanne mittelbar oder unmittelbar in Verbindung stehende Anschlusseinrichtung für eine zweite Koppelstange, wobei die Lagerpfanne eine zweite Lagerfläche umfasst, an welcher der Lagerkopf gelagert ist. Der konvexe Lagerkopf, insbesondere eine Lagerkugel, ist somit an der Lagerpfanne an zwei getrennten Lagerflächen, nämlich der ersten und zweiten Lagerfläche, gelagert. Es handelt sich hierbei um eine Gleitlagerung und die Geometrie des Lagerkopfes ist dabei komplementär zur Geometrie der beiden Lagerflächen ausgebildet. Dadurch ist eine mechanisch sehr sichere und zuverlässige Lagerung des Lagerkopfes an der Lagerpfanne gewährleistet und es können in sämtlichen Raumrichtungen auch große Kräfte von dem Gelenklager aufgenommen werden. Ferner ermöglicht diese konstruktive Gestaltung mit zwei getrennten Lagerflächen es, den Lagerkopf aus Stahl auszubilden und aufgrund der vollständigen Ausbildung aus Metall, insbesondere Stahl, kann das Gelenklager sehr hohen Temperaturen im Bereich von 600 bis 800 °C dauerhaft standhalten.
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In einer ergänzenden Ausführungsform ist die zweite Lagerfläche bezüglich des Lagerkopfes gegenüberliegend der ersten konkaven Lagerfläche ausgebildet und/oder der Lagerkopf weist zwischen der ersten und zweiten Lagerfläche keinen Kontakt zu der Lagerpfanne auf. Der Lagerkopf ist dadurch in vorteilhafter Weise von beiden Lagerflächen aufgrund der gegenüberliegenden Ausbildung der beiden Lagerflächen besonders sicher an der Lagerpfanne gehalten.
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In einer ergänzenden Variante ist der Lagerkopf, insbesondere der konvexe Bereich des Lagerkopfes, teilkugelförmig ausgebildet und/oder die zweite Lagerfläche ist konvex, konkav oder eben ausgebildet. Bei einer konkaven, insbesondere teilkugelförmigen Ausbildung der zweiten Lagerfläche weisen die zweite Lagerfläche und der konvexe, insbesondere teilkugelförmige, Lagerkopf eine große Auflagefläche auf, sodass dadurch eine besonders tragfähige Lagerung des Lagerkopfes an der Lagerpfanne gewährleistet ist.
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Zweckmäßig sind die erste konkave Lagerfläche und/oder die zweite Lagerfläche teilkugelförmig ausgebildet.
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In einer zusätzlichen Ausführungsform ist die erste konkave Lagerfläche von einem im Wesentlichen zweidimensionalen gekrümmten ersten Bauteil, z. B. einer Kappe, gebildet. Ein im Wesentlichen zweidimensionales erstes Bauteil ist beispielsweise eine gekrümmte Blech- oder Metallplatte. Das erste Bauteil, zum Beispiel als Kappe ausgebildet, kann dabei beispielsweise aus einer ebenen Metallplatte durch Umformen, insbesondere Tiefziehen, hergestellt werden, sodass dadurch die Kappe die erste konkave Lagerfläche aufweist.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist die zweite Lagerfläche von einem, vorzugsweise teilweise konvexen, zweiten Bauteil, z. B. Anschlussteil, gebildet.
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In einer zusätzlichen Variante ist das erste Bauteil an dem zweiten Bauteil, insbesondere stoffschlüssig, z. B. mit Schweißen, befestigt. Bei einer Verbindung des ersten und zweiten Bauteils stoffschlüssig, insbesondere mit Schweißen, können die beiden Bauteile besonders zuverlässig miteinander verbunden werden und vor der Verbindung kann zwischen dem ersten und zweiten Bauteil der Lagerkopf mit einem definierten Spiel zwischen den beiden Bauteilen zuverlässig angeordnet werden.
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In einer zusätzlichen Ausführungsform weist das im Wesentlichen zweidimensionale erste Bauteil eine Öffnung auf, an welcher die erste Anschlusseinrichtung angeordnet ist oder durch welche die erste Anschlusseinrichtung geführt ist. Die Öffnung weist eine ausreichende Geometrie auf, sodass das Gelenklager in sämtlichen Raumrichtungen eine Bewegbarkeit aufweist, das heißt, der Lagerkopf an der Lagerpfanne in sämtlichen Raumrichtungen beweglich gelagert ist.
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Vorzugsweise besteht der Lagerkopf und/oder die Lagerpfanne, insbesondere das erste Bauteil und/oder das zweite Bauteil, und/oder die erste Anschlusseinrichtung und/oder die zweite Anschlusseinrichtung wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, aus Metall, z. B. Stahl, und/oder der Lagerkopf ist in sämtlichen Raumrichtungen beweglich an der Lagerpfanne gelagert. Bei einer Ausbildung des Gelenklagers wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, aus Metall, zum Beispiel Stahl, weist das Gelenklager eine hohe Temperaturbeständigkeit, zum Beispiel für Temperaturen im Bereich bis zu 600 bis 800 °C auf. Dadurch kann das Gelenklager an einem Sekundärhebel für ein Waste-Gate-Ventil eines Abgasturboladers eingesetzt werden, weil hier hohe Temperaturen aufgrund des Abgases im Bereich von bis zu 600 bis 700 °C auftreten.
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Erfindungsgemäßer Abgasturbolader umfassend ein Waste-Gate-Ventil, einen Aktuator zum Betätigen des Waste-Gate-Ventils, einen Primärhebel an dem Aktuator, einen Sekundärhebel an dem Waste-Gate-Ventil, eine Koppelstange, welche den Primärhebel mit dem Sekundärhebel verbindet, ein Gelenklager, welches den Sekundärhebel an dem Waste-Gate-Ventil mit der Koppelstange verbindet, wobei das Gelenklager als ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Gelenklager ausgebildet ist.
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Zweckmäßig weist der Abgasturbolader eine Einlassöffnung für Abgas und eine Auslassöffnung für Abgas auf.
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In einer zusätzlichen Variante weist der Abgasturbolader eine Einlassöffnung für Frischluft und eine Auslassöffnung für Ladeluft auf.
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Zweckmäßig weist der Abgasturbolader eine Abgasturbine und einen Verdichter auf und die Abgasturbine und der Verdichter sind mittels einer Welle mechanisch miteinander verbunden, sodass der Verdichter von der Abgasturbine antreibbar ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im Nachfolgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
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1 eine Ansicht eines Gelenklagers,
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2 einen Längsschnitt des Gelenklagers gemäß 1,
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3 eine Draufsicht eines Abgasturboladers und
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4 eine perspektivische Ansicht eines Aktuators mit einem Hebelmechanismus zum Bewegen eines Waste-Gate-Ventils.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Ein Gelenklager 1 wird in verschiedensten technischen Anwendungen zur gelenkigen Verbindung einer ersten Koppelstange 7 mit einer zweiten Koppelstange 8 eingesetzt, wobei mit dem Gelenklager 1 die beiden Koppelstangen 7, 8 in sämtlichen Raumrichtungen gelenkig bzw. beweglich miteinander verbunden sind (1 und 2). Das Gelenklager 1 besteht aus Stahl und kann dadurch dauerhaft hohen Temperaturen im Bereich von 600 bis 800 °C standhalten und bei diesen Temperaturen eingesetzt werden.
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Das Gelenklager 1 umfasst eine zweiteilige Lagerpfanne 4 mit einem ersten Bauteil 11 und einem zweiten Bauteil 13. Das erste Bauteil 11 ist als ein zweidimensionales gekrümmtes erstes Bauteil 11 als Kappe 12 ausgebildet. Die Kappe 12 weist dabei eine Öffnung 14 (1) auf. Das erste Bauteil 11 als Kappe 12 ist beispielsweise mittels Tiefziehen aus einem Stahlblech hergestellt. Aufgrund dieser Krümmung der Kappe 28 weist das erste Bauteil 11 eine erste konkave Lagerfläche 9 auf. Die erste konkave Lagerfläche 9 ist dabei im Wesentlichen als eine Halbkugel ausgebildet. Das zweite Bauteil 13 weist eine ebenfalls konkav ausgebildete zweite Lagerfläche 10 auf. Zwischen dem ersten Bauteil 11 und dem zweiten Bauteil 13 ist ein konvexer Lagerkopf 3 bzw. ein konvexer Kugelkopf 3, der als Lagerkugel ausgebildet ist, angeordnet. Der Lagerkopf 3 liegt dabei getrennt an der ersten Lagerfläche 9 und an der zweiten Lagerfläche 10 auf, sodass dadurch der Lagerkopf 3 beweglich als Gleitlager an den beiden Lagerflächen 9, 10 gelagert ist.
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Das zweite Bauteil 13 ist einteilig mit einer zweiten Anschlusseinrichtung 6 für die zweite Koppelstange 8 ausgebildet. Die zweite Anschlusseinrichtung 6 weist eine Bohrung 21 in der zweiten Anschlusseinrichtung 6 auf und die Bohrung 21 ist mit einem Gewinde 22 versehen. Die zweite Koppelstange 8 weist an einem Endbereich ebenfalls ein Gewinde 23 als Außengewinde auf, welches in das Gewinde 22 an der Bohrung 21 eingeschraubt ist (1). Mit einer Mutter 24 ist die zweite Koppelstange 8 an der zweiten Anschlusseinrichtung 6 gesichert. Der Lagerkopf 3 ist einteilig mit einer ersten Anschlusseinrichtung 5 für eine erste Koppelstange 7 ausgebildet. Die zweite Anschlusseinrichtung 5 ist dabei durch die Öffnung 14 an dem ersten Bauteil 11 als Kappe 12 geführt, sodass dadurch der Lagerkopf 3 beweglich zwischen den beiden Bauteilen 11, 13 gelagert ist. Die Größe der Öffnung 14 ermöglicht es dabei, dass eine erste Koppelstange 7 bzw. der Lagerkopf 3 in sämtlichen Raumrichtungen an der Lagerpfanne 4 gelagert bzw. beweglich ist.
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Bei der Herstellung des Gelenklagers 1 wird eine Stahlplatte bzw. ein Stahlblech mittels Tiefziehen zu der in 1 und 2 dargestellten Geometrie umgeformt. Zwischen dem ersten Bauteil 11 als Kappe 12 und dem zweiten Bauteil 13 wird anschließend der Lagerkopf angeordnet und die Kappe 12 auf das zweite Bauteil 13 aufgeschoben. Das Aufschieben erfolgt dabei dahingehend, dass zwischen dem Lagerkopf 3 und dem ersten und zweiten Bauteil 11, 13 ein vorgegebenes Spiel, zum Beispiel von 0,1 mm, vorhanden ist. Nach dieser Ausrichtung wird die Kappe 12 mit dem zweiten Bauteil 13 stoffschlüssig mittels Schweißen verbunden, sodass zwischen dem zweiten Bauteil 13 und der Kappe 12 eine vollständig umlaufende Schweißverbindung 25 (2) besteht.
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In den 3 und 4 ist ein Abgasturbolader 2 für einen nicht dargestellten Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges dargestellt. Der Abgasturbolader 2 umfasst ein Abgasteil 26 mit einer nicht dargestellten Abgasturbine und ein Verdichterteil 27 mit einem nicht dargestellten Verdichter. Durch das Abgasteil 26 wird Abgas mit einer sehr hohen Temperatur im Bereich von 700 und 800 °C geleitet. Dadurch weist während des Betriebes des Abgasturboladers 2 das Abgasteil 26 sehr hohe Temperaturen im Bereich von bis zu 650 °C auf. Das Abgasteil 26 ist mit einem Waste-Gate-Ventil 15 versehen. Zum Betätigen bzw. Bewegen des Waste-Gate-Ventils 15 weist der Abgasturbolader 2 einen Aktuator 16 mit einem Servomotor 17, das heißt DC-Elektromotor, und ein Getriebe 18 (4) auf. Der Aktuator 16 hält dabei den hohen Temperaturen im Bereich des Abgasteils 26 nicht stand ist deshalb im Bereich des Verdichterteils 27 mit wesentlich geringeren Temperaturen an dem Gehäuse des Abgasturboladers 2 befestigt. Am Verdichterteil 27 wird Frischluft aus der Umgebung angesaugt und verdichtet, sodass dadurch am Verdichterteil 27 wesentlich geringere Temperaturen, zum Beispiel im Bereich zwischen 30 und 50 °C, vorliegen. Der Aktuator 16 ist mit dem Waste-Gate-Ventil 15 mittels eines Hebelmechanismus verbunden. Hierzu ist der Aktuator 16 mit einem Primärhebel 19 verbunden und das Waste-Gate-Ventil 15 ist mit einem Sekundärhebel 20 verbunden. Der Primär- und Sekundärhebel 19, 20 sind mit der ersten Koppelstange 7 miteinander verbunden. Hierzu ist an dem Primärhebel 19 ein Gelenk vorhanden, welches die erste Koppelstange 7 mit dem Primärhebel 19 verbindet und an dem Sekundärhebel 20 ist das Gelenklager 1 vorhanden, welches den Sekundärhebel 20 gelenkig mit der ersten Koppelstange 7 verbindet. Die Rotationsachse des Primärhebels 19 und des Sekundärhebels 20 sind nicht parallel ausgerichtet und die Bewegungsebenen des Primär- und Sekundärhebels 19, 20 sind beispielsweise in einem Winkel von 105° zueinander ausgerichtet. Aus diesem Grund ist es erforderlich, dass das Gelenklager 1 an dem Sekundärhebel 20 in sämtlichen Raumrichtungen beweglich ist, das heißt eine 3D-Kinematik zur Verfügung stellt. Das in dem Abgasturbolader 2 eingesetzte Gelenklager 1 ist das oben beschriebene Gelenklager 1, sodass dadurch das Gelenklager 1 einerseits den hohen Temperaturen von ungefähr 650 °C im Bereich des Sekundärhebels 20 und dauerhaft den mechanischen Belastungen an dem Abgasturbolader 2 standhält.
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Der Lagerkopf 3 weist in Zugrichtung an der Lagerpfanne 4 im Äquatorbereich des Lagerkopfes 3 eine große Auflagefläche auf, wodurch an den Lagerflächen 9, 10 geringe Drücke auftreten und dadurch ein geringer Verschleiß zwischen dem Lagerkopf 3 und den beiden Lagerflächen 9, 10 auftritt. Dadurch kann das Gelenklager 1 dauerhaft auch bei hohen mechanischen Beanspruchungen eingesetzt werden.
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Insgesamt betrachtet sind mit dem erfindungsgemäßen Gelenklager 1 und dem erfindungsgemäßen Abgasturbolader 2 wesentliche Vorteile verbunden. Das Gelenklager 1 ist in der Herstellung einfach und preiswert und kann dauerhaft hohen mechanischen und thermischen Beanspruchungen standhalten und ist dadurch insbesondere als Gelenklager 1 an einem Sekundärhebel 20 des Abgasturboladers 2 geeignet.
