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Die Erfindung betrifft eine Lagerungsanordnung eines Rotors an einem Gehäuse eines Abgasturboladers gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 und gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 7.
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Abgasturbolader sind beispielsweise aus dem Serienfahrzeugbau bekannt. Die Abgasturbolader werden bei modernen Verbrennungskraftmaschinen immer häufiger verwendet, um die Verbrennungskraftmaschinen effizient und emissionsarm betreiben zu können. Durch den Einsatz der Abgasturbolader ist es möglich, besonders geringe Hubvolumina der Verbrennungskraftmaschinen zu realisieren, um so die innere Reibung gering zu halten. Gleichzeitig können auch besonders hohe spezifische Leistungen und Drehmomente dargestellt werden.
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Ein solcher Abgasturbolader umfasst einen Rotor mit einer Welle und wenigstens einem Laufrad. Bei dem Laufrad kann es sich um ein Verdichterrad oder ein Turbinenrad handeln. Üblicherweise umfasst der Rotor ein erstes Laufrad in Form eines Verdichterrads sowie ein zweites Laufrad in Form eines Turbinenrads. Das wenigstens eine Laufrad ist drehfest mit der Welle verbunden.
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Der Abgasturbolader umfasst auch wenigstens ein Gehäuse, an dem der Rotor um eine Drehachse relativ zu dem Gehäuse drehbar gelagert ist. Die Lagerung des Rotors erfolgt üblicherweise über die Welle. Zur Lagerung des Rotors am Gehäuse ist eine Lagerungseinrichtung vorgesehen. Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist es bekannt, dass die Lagerungseinrichtung wenigstens ein Gleitlagerelement umfassen kann, über welches der Rotor am Gehäuse gelagert ist.
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Zum Schmieren und/oder Kühlen des Rotors und des Gehäuses an wenigstens einer Lagerstelle, an welcher der Rotor über die Lagereinrichtung am Gehäuse gelagert ist, wird die Lagerstelle mit einem Schmiermittel beispielsweise in Form von Schmieröl versorgt. Hierdurch kommt es zur Ausbildung eines Schmiermittelfilms zwischen jeweiligen Laufflächen, über die die Welle am Gehäuse gelagert ist.
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Es hat sich gezeigt, dass es während des Betriebs des Abgasturboladers zu Biegeschwingungen der Welle im Zusammenspiel mit dem Schmiermittelfilm im Gleitlagerelement kommen kann, wodurch ein konstanter Ton im Bereich von ca. 1.000 Hz entsteht. Dieser Ton kann von Insassen eines Fahrzeugs mit einem solchen Abgasturbolader als sogenanntes Konstanttonheulen wahrgenommen werden. Dieses Konstanttonheulen liegt dabei über den kompletten Drehzahlbereich der Verbrennungskraftmaschine vor und kann – falls keine entsprechenden Gegenmaßnahmen getroffen sind – den Fahrkomfort beeinträchtigen.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lagerungsanordnung der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass eine übermäßige und aus dem Konstanttonheulen resultierende Beeinträchtigung des Fahrkomforts vermieden werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Lagerungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Lagerungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nichttrivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um eine Lagerungsanordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, mittels welcher das Konstanttonheulen vermieden oder zumindest sehr gering gehalten werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Lagerungseinrichtung wenigstens ein aus einem Drahtgeflecht zum Dämpfen von Schwingungen des Rotors gebildetes Abstützelement umfasst, unter dessen Vermittlung der Rotor am Gehäuse gelagert ist. Mittels des Drahtgeflechts können die eingangs geschilderten Biegeschwingungen der Lagerwelle sowie deren Übertragung über den Schmiermittelfilm und über wenigstens ein gegebenenfalls vorgesehenes Gleitlagerelement beispielsweise in Form einer Lagerbuchse gezielt sowie auf einfache, bauraum- und kostengünstige Weise gedämpft werden. Dadurch kann die Amplitude der aus den Biegeschwingungen resultierenden Töne besonders gering gehalten werden, so dass auch das aus den Biegeschwingungen resultierende Störgeräusch in Form des Konstanttonheulens zumindest gering gehalten werden kann. In der Folge kommt es nicht mehr zu einer Geräuschbelästigung und somit zu einer Beeinträchtigung des Komforts von Insassen eines Fahrzeugs mit dem Abgasturbolader.
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Durch die Verwendung des kostengünstigen und aus dem Drahtgeflecht gebildeten Abstützelements ist auch eine aufwändige Optimierung von Oberflächengeometrien von entsprechenden Lagerpartnern zum Lagern des Rotors nicht erforderlich. Darüber hinaus kann auch auf eine entsprechende Einstellung und Optimierung eines Lagerspiels zwischen den Lagerpartnern verzichtet werden. Derartige Optimierungen sind nicht oder nur sehr aufwändig realisierbar, da Druckschwankungen in einer Schmiermittelversorgung der Lagerpartner, Lagerspiele hinsichtlich Toleranzen und Temperaturwechseln, Unwuchten sowie Biegeschwingungen Ungleichmäßigkeiten im Schmiermittelfilm erzeugen können. Ferner unterliegen Steifigkeiten und Dämpfungen durch unterschiedliche Betriebszustände einer dem Abgasturbolader zugeordneten Verbrennungskraftmaschine einer ständigen Veränderung, so dass eine dynamische Auslegung der Lagerung für alle Betriebszustände nicht oder nur sehr aufwändig robust möglich ist. Im Gegensatz dazu ermöglicht die Verwendung des Abstützelements eine einfache und kostengünstige Dämpfung der Schwingungen. Ferner weist das Drahtgeflecht eine sehr hohe Temperaturfestigkeit auf und kann somit eine Dämpfung von Körperschalleinleitungen in das Gehäuse auch über eine hohe Lebensdauer des Abgasturboladers realisieren.
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Das aus dem Drahtgeflecht gebildete Abstützelement kann dabei für eine radiale Lagerung und für eine axiale Lagerung des Rotors am Gehäuse verwendet werden und für beide Lagerarten eine vorteilhafte Dämpfung ermöglichen. Darüber hinaus können vorgebbare Dämpfungseigenschaften eingestellt und somit realisiert werden, welche unabhängig von Druckschwankungen in der Schmiermittelversorgung und in Lagerspielen über den gesamten Betriebsbereich der Verbrennungskraftmaschine die Schwingungen dämpfen können.
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Unter Drahtgeflecht kann selbstverständlich auch ein Drahtgestrick oder derartige, andere Elemente verstanden werden, welche aus Ineinanderschlingen mehrerer Stränge aus biegsamem und vorzugsweise metallischem Material gebildet sind!
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Zur Erfindung gehört auch eine Lagerungsanordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 7 genannten Art, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass das Gleitlagerelement außenumfangsseitig zumindest eine ballig geformte Abstützfläche aufweist, über welche das Gleitlagerelement am Gehäuse abgestützt ist. Diese ballige Ausgestaltung des Gleitlagerelements verhindert eine Kontaktversteifung bei einer Schiefstellung des Gleitlagerelements infolge von Biegungen der Welle, so dass dadurch das eingangs geschilderte Konstanttonheulen sowie die daraus resultierenden Effekte auf einfache, kosten- und bauraumgünstige Weise vermieden oder zumindest gering gehalten werden können. Vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 eine schematische Längsschnittansicht eines Abgasturboladers mit einer Lagerungsanordnung, bei welcher ein Rotor an einem Gehäuse des Abgasturboladers um eine Drehachse relativ zu dem Gehäuse drehbar mittels einer Lagerungseinrichtung gelagert ist, wobei die Lagerungseinrichtung jeweilige, aus einem jeweiligen Drahtgeflecht zum Dämpfen von Schwingungen des Rotors gebildete Abstützelemente umfasst, unter deren Vermittlung der Rotor am Gehäuse gelagert ist;
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2 eine Darstellung eines Ersatzsystems zur Veranschaulichung der Lagerung des Rotors am Gehäuse;
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3 eine schematische Längsschnittansicht des Abgasturboladers mit der Lagerungsanordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform;
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4 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht des Abgasturboladers gemäß 3; und
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5 eine schematische Längsschnittansicht des Abgasturboladers mit der Lagerungsanordnung gemäß einer dritten Ausführungsform.
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1 zeigt einen Abgasturbolader 10 für eine beispielsweise als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildete Verbrennungskraftmaschine eines Kraftwagens. Der Abgasturbolader 10 umfasst einen Rotor 12 mit einer Welle 14, mit einem ersten Laufrad 16 und mit einem zweiten Laufrad 18. Die Laufräder 16, 18 sind drehfest mit der Welle 14 verbunden. Der Rotor 12 ist dabei mittels einer im Ganzen mit 20 bezeichneten Lagerungseinrichtung um eine Drehachse relativ zu einem Gehäuse 22 des Abgasturboladers 10 drehbar an dem Gehäuse 22 gelagert. Bei dem Gehäuse 22 handelt es sich beispielsweise um ein sogenanntes Lagergehäuse. Der Rotor 12 umfasst auch eine sogenannte Kompensationsscheibe 24, mittels welcher auf den Rotor 12 wirkende Axialkräfte kompensierbar sind.
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Der Abgasturbolader 10 wird verwendet, um in Abgas der Verbrennungskraftmaschine enthaltene Energie zu nutzen und mittels der im Abgas enthaltenen Energie Luft zu verdichten. Das Laufrad 18 ist beispielsweise als Turbinenrad ausgebildet, welchem das Abgas der Verbrennungskraftmaschine zugeführt wird. Infolge dieser Zuführung treibt das Abgas das Laufrad 18 an. Infolge der drehfesten Verbindung der Laufräder 16, 18 mit der Welle 14 wird das Laufrad 16 vom Laufrad 18 angetrieben. Das Laufrad 16 ist beispielsweise als Verdichterrad ausgebildet, mittels welchem die der Verbrennungskraftmaschine zuzuführende Luft verdichtet wird. Bei Einströmen vom Abgas und Verdichten der Luft können auf die Rotoren 12 und 16 wirkende Axialkräfte entstehen, welche mittels der Kompensationsscheibe 24 kompensierbar sind.
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Die Lagerungseinrichtung 20 umfasst Gleitlagerelemente in Form von sogenannten Lagerbuchsen 26a und 26b, welche die Welle 14 außenumfangsseitig in Umfangsrichtung vollständig umlaufend umgeben. Die Lagerbuchsen 26a und 26b dienen zur radialen Lagerung des Rotors 12.
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Der Abgasturbolader 10 umfasst auch eine Schmiermittelversorgungseinrichtung 28 mit jeweiligen Schmiermittelkanälen 30, welche von Schmiermittel in Form von Öl durchströmbar sind. Die Schmiermittelversorgungseinrichtung 28 ist beispielsweise mit einem Ölkreis der Verbrennungskraftmaschine gekoppelt. Mittels der Schmiermittelkanäle 30 wird das Öl zu Lagerstellen 32 geführt, an denen der Rotor 12 mittels der Lagerbuchsen 26a und 26b in radialer Richtung gleitgelagert ist. Die Lagerbuchsen 26a und 26b weisen dabei jeweilige Durchgangsöffnungen 34 auf, welche von dem Öl durchströmbar sind
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Die Lagerbuchsen 26a und 26b werden außenumfangsseitig von dem Öl zumindest bereichsweise umspült. Darüber hinaus kann das Öl über die Durchgangsöffnungen 34 in die Lagerbuchsen 26a und 26b zwischen diese und die Welle 14 strömen. Somit kann sich in jeweiligen Lagerspalten zwischen der Welle 14 und den Lagerbuchsen 26a und 26b sowie zwischen den Lagerbuchsen 26a und 26b und dem Gehäuse 22 ein jeweiliger Ölfilm ausbilden.
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Die radiale Lagerung erfolgt derart, dass sich der Rotor 12 und somit die Welle 14 beim Betrieb des Abgasturboladers 10 relativ zu den Lagerbuchsen 26a und 26b mit einer Drehzahl drehen. Die Lagerbuchsen 26a und 26b rotieren dabei mit der halben Drehzahl der Welle 14 relativ zum Gehäuse 22 um die Drehachse mit. Ferner sind die Lagerbuchsen 26a und 26b beispielsweise aus Messing gebildet. Dadurch, dass sich sowohl die Welle 14 relativ zu den Lagerbuchsen 26a–b als auch die Lagerbuchsen 26a–b relativ zum Gehäuse 22 drehen, ist es möglich, die Lagerung der sich schnell drehenden Welle 14 so abzustimmen, dass es in keinem Betriebspunkt zu einer Festkörperberührung zwischen entsprechenden Lagerpartnern kommt.
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An jeweiligen, weiteren Lagerstellen 36a und 36b ist auch eine axiale Lagerung des Rotors 12 am Gehäuse 22 vorgesehen, wobei diese axiale Lagerung ebenfalls mittels der Lagerungseinrichtung 20 realisiert ist. Die jeweilige radiale Lagerung an den Lagerstellen 32 sowie die jeweilige axiale Lagerung an den Lagerstellen 36a und 36b kann durch ein in 2 vergrößert dargestelltes Ersatzsystem 38 beschrieben werden. Anhand dieses Ersatzsystems 38 können physikalische Vorgänge der jeweiligen Lagerung physikalisch bzw. mathematisch beschrieben werden.
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Wie aus 2 erkennbar ist, umfasst das jeweilige Ersatzsystem 38 eine Feder 40 sowie einen Dämpfer 42, so dass es sich bei dem Ersatzsystem 38 um ein Feder-Dämpfer-System handelt. Die Lagerung kann mittels des Ersatzsystems 38 beschrieben werden, da es durch den Ölfilm in den Lagerspalten zu einer Dämpfungsfunktion und zu einer hydrodynamischen Tragfunktion kommt.
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Um nun aus Biegeschwingungen der Welle 14 resultierende Störgeräusche, welche auch als Konstanttonheulen bezeichnet werden, zu vermeiden oder zumindest gering zu halten, umfasst die Lagerungseinrichtung 20 Abstützelemente 42a–d. Dabei ist das Abstützelement 42a nach einer ersten Ausführungsform, das Abstützelement 42b nach einer zweiten Ausführungsform, das Abstützelement 42c nach einer dritten Ausführungsform und das Abstützelement 42d nach einer vierten Ausführungsform ausgestaltet. Die Abstützelemente 42a–d können zur Drehachse rotationssymmetrisch ausgebildet sein. Daher ist das Abstützelement 42b in der in 1 gezeigten Längsschnittansicht und bezogen auf die Bildebene von 1 sowohl oberhalb als auch unterhalb der Welle 14 dargestellt, während vom Abstützelement 42a lediglich ein Teil oberhalb der Welle 14 und von den Abstützelementen 42c und 42d ein jeweiliger Teil unterhalb der Welle 14 dargestellt ist.
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Den Abstützelementen 42a–d ist gemeinsam, dass sie aus einem Drahtgeflecht zum Dämpfen von Schwingungen des Rotors 12 gebildet sind und dass der Rotor 12 unter Vermittlung des jeweiligen Abstützelements 42a–d am Gehäuse 10 gelagert ist. Mit anderen Worten ist durch die Abstützelemente 42a–d eine axiale und radiale Gleitlagerung mit dämpfendem Drahtgeflecht realisiert, welches auch hohe Temperaturen im Wesentlichen schadfrei ertragen kann. Das Abstützelement 42a dient dabei sowohl zur radialen Lagerung an der linken der Lagerstellen 32 als auch zur axialen Lagerung an der Lagerstelle 36a, während das Abstützelement 42b lediglich zur radialen Lagerung an der rechten der Lagerstellen 32 dient.
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Bei den Abstützelementen 42c und 42d sind die radiale Lagerfunktion und die axiale Lagerfunktion voneinander getrennt, wobei das Abstützelement 42c zur radialen Lagerung und das Abstützelement 42d zur axialen Lagerung verwendet wird.
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Wie aus 1 erkennbar ist, sind weitere Abstützelemente 44a–d vorgesehen, welche zwischen denen jeweiligen Abstützelementen 42a–d und dem jeweils korrespondierenden Lagerpartner in Form der jeweiligen Lagerbuchse 26a und 26b und in Form der Kompensationsscheibe 24 angeordnet sind. Somit sind die Lagerbuchsen 26a und 26b und die Kompensationsscheibe 24 über das jeweilige weitere Abstützelement 44a–d und das jeweilige und aus dem Drahtgeflecht gebildete Abstützelemente 42a–d am Gehäuse 22 abgestützt bzw. abstützbar. Die Abstützelemente 42a–d und 44a–d sind dabei am Gehäuse 22 festgelegt, wobei die Lagerbuchsen 26a und 26b sowie die Kompensationsscheibe 24 um die Drehachse relativ zu den Abstützelementen 42a–d und 44a–d drehbar sind.
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Die weiteren Abstützelemente 44a–d stellen dabei jeweilige und vorzugsweise verschleißarme Laufflächen 46 bereit, über welche die Lagerbuchsen 26a und 26b bzw. die Kompensationsscheibe 24 am Gehäuse 22 abstützbar sind. Die Laufflächen 46 können auch durch das jeweilige Drahtgeflecht gebildet oder beispielsweise separat angelasert sein.
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Gemäß 1 sind die Abstützelemente 42a–d am Gehäuse 22 feststehend. Wie aus 3 erkennbar ist und im Folgenden erläutert wird, können die Abstützelemente 42a–d jedoch auch bei den sich relativ zu dem Gehäuse 22 drehenden Gleitlagerelementen in Form der Kompensationsscheibe 24 und in Form der Lagerbuchsen 26a–d vorgesehen sein.
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Gemäß 3 sind die Lagerbuchsen 26a und 26b und die Kompensationsscheibe 24 als Lagerteile ausgebildet, welche jeweilige, miteinander korrespondierende Lagerelemente 48a–h umfassen. Wie aus 3 erkennbar ist, sind die Lagerelemente 48a und 48b separat voneinander ausgebildet und miteinander über das Abstützelement 24a verbunden. Ebenso sind die Lagerelemente 48e und 48f separat voneinander ausgebildet und über das Abstützelement 42d miteinander verbunden. Das Lagerelement 48d ist mit dem Lagerelement 48c einstückig ausgebildet, während auch das Lagerelement 48g mit dem Lagerelement 48h einstückig ausgebildet ist. Den Lagerelementen 48a–h ist gemeinsam, dass zwischen ihnen das jeweilige, aus dem Drahtgeflecht gebildete Abstützelement 42a–d angeordnet ist, so dass sich die jeweiligen Lagerelemente 48a–h über das jeweilige Abstützelemente 42a–d aneinander abstützen können. Auch dadurch können Schwingungen des Rotors 12 und deren Übertragung über den jeweiligen Ölfilm gedämpft werden.
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Im Gegensatz zu 1 drehen sich nun jedoch die Abstützelemente 42a–d mit dem jeweiligen Lagerelement 48a–h bzw. mit dem entsprechenden Gleitlagerteil um die Drehachse mit. Wie aus 3 ferner erkennbar ist, sind die Abstützelemente 42a und 42d ausgehend von jeweiligen Durchgangsöffnungen 34, 50 der Gleitlagerteile durchgängig ausgebildet, während die Abstützelemente 42b und 42c lediglich in äußeren Randbereichen angeordnet sind. Zur besonders vorteilhaften Dämpfung der Biegeschwingungen können die Lagerbuchsen 26a und 26b an ihren Randbereichen auch nachgiebig ausgestaltet sein.
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Das jeweilige, dämpfende Drahtgeflecht in den Gleitlagerteilen ist durchgängig oder nur in den Randbereichen vorgesehen und kann eine sehr hohe Dämpfung und Nachgiebigkeit bei einer Schiefstellung der Lagerbuchsen 26a und 26b infolge einer Biegung der Welle 14 bewirken, um so entstehende Störgeräusche zu vermeiden oder zumindest gering zu halten.
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4 zeigt beispielsweise die Lagerbuchse 26a gemäß 3 in einer vergrößerten Darstellung. Wie aus 4 zu erkennen ist, sind die Lagerelemente 48a und 48b zumindest im Wesentlichen L-förmig ausgebildet und unter Ausbildung einer Aufnahme 52 für das Drahtgeflecht des Abstützelements 42a zusammengesetzt. Aus 4 ist auch die in 5 mit 54 bezeichnete Drehachse erkennbar, um die der Rotor 12 und die Lagerteile bzw. die Lagerelemente drehbar sind.
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Anhand von 5 ist eine weitere Möglichkeit veranschaulicht, alternativ oder zusätzlich zum Einsatz des dämpfenden Drahtgeflechts Biegeschwingungen des Rotors 12 und insbesondere der Welle 14 zu dämpfen.
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Wie aus 5 anhand des Beispiels der Lagerbuchse 26a erkennbar ist, weist die Lagerbuchse 26a außenumfangsseitig eine ballig geformte Abstützfläche 56 auf, über welche die Lagerbuchse 26a am Gehäuse 22 abstützbar ist. Vorliegend handelt es sich bei der Abstützfläche 56 um eine äußere Lauffläche der Lagerbuchse 26a, da sich die Lagerbuchse 26a um die Drehachse 54 relativ zum Gehäuse 22 drehen kann und über die Lauffläche bzw. Abstützfläche 56 an einer korrespondierenden, innenumfangsseitigen Lauffläche des Gehäuses 22 abläuft, wobei zwischen der Lauffläche des Gehäuses 22 und der Lauffläche bzw. der Abstützfläche 56 der Lagerbuchse 26a ein Ölfilm ausbildet. Durch diese ballige Ausgestaltung können ein größer Radius und ein gleichmäßiger Übergang zu Randbereichen der Lagerbuchse 26a dargestellt werden, so dass Schwingungen des Rotors 12 und daraus resultierende Geräusche zumindest gering gehalten werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Abgasturbolader
- 12
- Rotor
- 14
- Welle
- 16
- erstes Laufrad
- 18
- zweites Laufrad
- 20
- Lagerungseinrichtung
- 22
- Gehäuse
- 24
- Kompensationsscheibe
- 26a
- Lagerbuchse
- 26b
- Lagerbuchse
- 28
- Schmiermittelversorgungseinrichtung
- 30
- Schmiermittelkanal
- 32
- Lagerstelle
- 34
- Durchgangsöffnung
- 36a
- Lagerstelle
- 36b
- Lagerstelle
- 38
- Ersatzsystem
- 40
- Feder
- 42
- Dämpfer
- 44a–d
- weiteres Abstützelement
- 46
- Lauffläche
- 48a–h
- Lagerelement
- 50
- Durchgangsöffnung
- 52
- Aufnahme
- 54
- Drehachse
- 56
- Abstützfläche
