DE102012202341A1

DE102012202341A1 - Radiallager für einen Abgasturbolader

Info

Publication number: DE102012202341A1
Application number: DE201210202341
Authority: DE
Inventors: Stefan Reuter
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2012-02-16
Filing date: 2012-02-16
Publication date: 2013-08-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Radiallager für einen Abgasturbolader, welches mit einer in einem Gehäuse gelagerten Welle und einer zwischen der Welle und dem Gehäuse vorgesehenen Schwimmbuchse ausgestattet ist. Zwischen der Welle und der Schwimmbuchse ein innerer Schmierspalt vor. Zwischen der Schwimmbuchse und dem Gehäuse liegt ein äußerer Schmierspalt vor. Das Gehäuse ist mit einer zur Schmierölversorgung des äußeren Schmierspaltes vorgesehenen Bohrung versehen. Die Schwimmbuchse weist eine zur Schmierölversorgung des inneren Schmierspaltes vorgesehene Bohrung auf. Die Welle ist zur Verbesserung des Schmierölrücklaufs mit parallel zueinander angeordneten, spiralförmig um den Außenmantel der Welle verlaufenden und sich nicht kreuzenden Nuten versehen. Durch den optimierten Transport des Schmieröls von den inneren Lagerflächen zum Rücklauf ist eine ausreichende Versorgung der Lagerstelle mit frischem Öl gewährleistet. Dadurch wird das Aufheizen des Schmieröls reduziert, wodurch die Abnahme der Viskosität und damit der Tragfähigkeit des Schmierfilms verringert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Radiallager für einen Abgasturbolader.
Abgasturbolader in Kraftfahrzeugen sind üblicherweise mit einem Axiallager und einem Radiallager ausgestattet. Diese Lager sind im Betrieb des Kraftfahrzeugs hohen Belastungen ausgesetzt. Zur Trägheitsreduktion reduzierte Raddurchmesser des Turbinenrades und des Verdichterrades des Abgasturboladers sowie die im Betrieb auftretenden hohen Drehzahlen der Welle des Abgasturboladers sowie zunehmend dünnere Motoröle, welche die Reibleistung des Antriebes und damit Verluste des Antriebes reduzieren, stellen neue Herausforderungen für das Lagersystem eines Abgasturboladers dar.
Es ist bereits bekannt, die Radiallager von Abgasturboladern als sogenannte öldurchflutete Schwimmbuchsenlager auszuführen. Eine vereinfachte Querschnittsdarstellung eines derartigen Radiallagers ist in der 1 gezeigt. Dort ist zwischen einer rotierenden Welle 1, die sich mit einer Drehzahl n_W dreht, und einem Lagergehäuse 2 eine ebenfalls rotierende Schwimmbuchse 3, die sich mit einer Drehzahl n_B dreht, vorgesehen. Zwischen dem Lagergehäuse 2 und der Schwimmbuchse 3 ist ein mit Schmieröl gefüllter äußerer Schmierspalt 4 vorgesehen. Zwischen der Schwimmbuchse 3 und der Welle 1 befindet sich ein ebenfalls mit Schmieröl gefüllter innerer Schmierspalt 5. Dem äußeren Schmierspalt 4 wird das Schmieröl durch eine im Lagergehäuse 2 vorgesehene, nicht gezeichnete Bohrung zugeführt. Des Weiteren ist in der Schwimmbuchse 3 ebenfalls eine nicht gezeichnete Bohrung vorgesehen, durch welche der innere Schmierspalt 5 aus dem äußeren Schmierspalt 4 mit Schmieröl versorgt wird. Diese Schmierölfilme nehmen die im Betrieb des Abgasturboladers auftretenden Radialkräfte, beispielsweise Unwuchtkräfte, etc., auf.
Die rotierende Welle 1 übt in Abhängigkeit von einer Scherspannung Ĩ_i, die bei gegebener Lagergeometrie von den Ölbedingungen abhängig ist, ein Drehmoment auf die Schwimmbuchse 3 aus und treibt diese an. Die Drehbewegung der Schwimmbuchse 3 wird wiederum in Abhängigkeit von der Scherspannung Ĩ_a gebremst. Dies hat zur Folge, dass sich bei gegebener Drehzahl n_W der Welle entsprechend der Scherspannungen Ĩ_i und Ĩ_a eine Buchsendrehzahl n_B einstellt, wobei die Beziehung n_W > n_B gilt.
Es muss im gesamten Drehzahlbereich des Abgasturboladers bei jeder möglichen Ölkondition, insbesondere bei jeder im Betrieb möglichen Öltemperatur und bei jedem im Betrieb möglichen Öldruck, gewährleistet sein, dass das Radiallager die auftretenden Radialkräfte aufnehmen kann, so dass die Tragfähigkeit des Lagers zu jeder Zeit ausreichend groß ist. Die Tragfähigkeit eines Gleitlagers ist eine Funktion der wirkenden Lagerkräfte, des Lagerspaltes, der Lagerbreite, des Durchmessers, der Drehzahl und der Ölviskosität.
Bei gegebener Lagergeometrie (Breite und Durchmesser) stellt die Lagerspielhöhe, welche aus fertigungstechnischen Gründen in einem bestimmten Toleranzbereich liegt, eine Möglichkeit zur Beeinflussung der Tragfähigkeit des Lagers über den gesamten Drehzahl- und Ölviskositätsbereich dar. Die Lagerspalte beeinflussen bei gegebenem Öldruck p_zu den Ölfluss und damit die Ölversorgung der Lagerstellen signifikant.
Die 2 stellt schematisch den Ölfluss von der Zuleitung durch eine Bohrung 2a des Gehäuses 2 zum äußeren Schmierspalt 4 und durch eine Bohrung 3a der Schwimmbuchse 3 zum inneren Schmierspalt 5 dar.
Aufgrund einhergehender Fliehkräfte ist die Ölversorgung durch die Bohrung 3a in der Schwimmbuchse 3 nach innen besonders sensibel und damit im Betrieb problematisch. Die Ölversorgung des Verbrennungsmotors stellt kennfeldgesteuert einen bestimmten Öldruck am Eintritt des Turboladers zur Verfügung. Je nach Lagerspalten und Betriebszustand des Lagersystems kann im Betrieb die Ölversorgung des inneren Schmierspaltes des Öfteren abbrechen, wodurch es zu einem Totalausfall des Turboladers kommen kann.
Bei gegebenem Öldruck und unter der Randbedingung fertigungstechnischer Toleranzen des Lagersystems stehen Lagerspalte bzw. die Tragfähigkeit der Lagerung und eine optimale Ölversorgung des inneren Schmierspaltes in einem Konflikt.
Aus der DE 10 2008 060 369 A1 ist bereits eine hydrodynamische Radialgleitlagerung zum Lagern eines Rotors in einem Stator, insbesondere bei einem Abgasturbolader, bekannt. Diese Radiallagerung weist eine Lagerbuchse auf, die eine Welle des Rotors koaxial umschließt. Die der Welle zugewandte Innenseite der Lagerbuchse und/oder eine der Lagerbuchse zugewandte Außenseite der Welle ist mit einer Riefenstruktur versehen, die als Mikrostruktur ausgebildet ist. Gemäß einer Ausführungsform erstrecken sich die Riefen parallel zur Rotationsache des Rotors. Gemäß einer anderen Ausführungsform sind erste und zweite Riefenzonen vorgesehen, die jeweils mehrere Riefen enthalten, die geneigt zur Rotationsachse des Rotors angeordnet sind und sich kreuzen. Mit Hilfe einer derartigen Riefenstruktur soll die viskose Reibung auf der Lageroberfläche reduziert werden, wodurch der Mitnahmeeffekt für das Schmieröl und auch ein Entstehen von Schwingungen der Welle (Oil Whirl) reduziert werden. Die einzelnen Riefen der Riefenstruktur befinden sich hinsichtlich ihrer Tiefe sowie hinsichtlich ihrer Breite im einoder zweistelligen Mikrometerbereich. Innerhalb der Riefenstruktur bilden sich Mikrowirbel, die bezüglich der Längsrichtung der Riefen rotieren. Dadurch richten sich die Mikrowirbel gegen die Strömungsrichtung des Schmieröls, was zu der bereits genannten Reduzierung des Entstehens von Schwingungen der Welle führt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein mit einer Schwimmbuchse versehenes Radiallager für einen Abgasturbolader anzugeben, bei welchem die Schmierölversorgung des inneren Schmierspaltes verbessert ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Radiallager gelöst, welches eine in einem Gehäuse gelagerte Welle und eine zwischen der Welle und dem Gehäuse vorgesehene Schwimmbuchse aufweist, wobei zwischen der Welle und der Schwimmbuchse ein innerer Schmierspalt und zwischen der Schwimmbuchse und dem Gehäuse ein äußerer Schmierspalt vorliegt, das Gehäuse mit einer zur Schmierölversorgung des äußeren Schmierspaltes vorgesehenen Bohrung versehen ist, die Schwimmbuchse mit einer zur Schmierölversorgung des inneren Schmierspaltes vorgesehenen Bohrung versehen ist, und wobei die Welle zur Verbesserung des Schmieröldurchtritts durch die Bohrung der Schwimmbuchse mit parallel zueinander angeordneten, spiralförmig um den Außenmantel der Welle verlaufenden und sich nicht kreuzenden Nuten versehen ist.
Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, dass die Nuten den Schmierölfluss durch den inneren Schmierspalt in Richtung des Schmierölrücklaufes verstärken. Durch Anpassung der Nuten kann eine optimale Versorgung des inneren Schmierspaltes mit frischem Öl realsistiert werden, wodurch dieses sich nicht aufheizen kann, was eine Reduzierung der Ölviskosität und damit eine Abnahme der Tragfähigkeit zur Folge hätte. Dadurch wird ein Einbrechen der Schmierölversorgung des inneren Schmierspaltes verhindert, wodurch die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls des Abgasturboladers verringert wird. Dies gilt insbesondere dann, wenn im Betrieb des Abgasturboladers hohe Buchsendrehzahlen und somit hohe Fliehkräfte auftreten.
Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren nachfolgender beispielhafter Erläuterung anhand der 3. Diese zeigt eine Längsschnittdarstellung zur Veranschaulichung eines Radiallagers gemäß der Erfindung.
Das in der 3 dargestellte Radiallager weist eine Welle 1, ein Lagergehäuse 2 und eine zwischen der Welle und dem Lagergehäuse vorgesehene Schwimmbuchse 3 auf. Zwischen dem Lagergehäuse 2 und der Schwimmbuchse 3 befindet sich ein äußerer Schmierspalt 4. Zwischen der Schwimmbuchse 3 und der Welle 1 ist ein innerer Schmierspalt 5 vorgesehen. Der äußere Schmierspalt 4 wird durch eine Bohrung 2a im Lagergehäuse 2 mit Schmieröl versorgt, das mit einem Öldruck p_zu bereitgestellt wird. Der Schmierölfluss im äußeren Schmierspalt 4 ist mit der Bezugszahl 4a bezeichnet. Der innere Schmierspalt 5 wird durch eine Bohrung 3a der Schwimmbuchse 3 aus dem äußeren Schmierspalt 4 mit Schmieröl versorgt. Der Schmierölfluss durch den inneren Schmierspalt 5 ist mit der Bezugszahl 5a bezeichnet.
Die Welle 1 ist mit Nuten 1a versehen, die sich in einem Winkel α relativ zur Axialrichtung x der Welle 1 erstrecken. Diese Nuten 1a sind spiralförmig in den Außenmantel der Welle 1 eingebracht, verlaufen parallel zueinander und kreuzen sich nicht. Der Winkel α, den die Nuten 1a relativ zur Axialrichtung x der Welle 1 einnehmen, ist vorzugsweise ca. 45° und kann als Auslegungsgröße variiert werden. Die Tiefe der Nuten 1a liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 0,5 mm und 2 mm. Die Breite der Nuten 1a liegt vorzugsweise ebenfalls im Bereich zwischen 0,5 mm und 2 mm. Die Nuten 1a haben vorzugsweise eine abgerundete Ausbildung, um die Kerbwirkung zu reduzieren. Mit zunehmendem Radius der Nut nehmen Schleppverluste zu, was durch die Tiefe, Breite oder den Winkel α entsprechend dem gewünschten Ölfluss nach innen kompensiert werden muss.
Durch die Anpassung dieser Nuten 1a (Form, Tiefe, Breite, Steigung) an den turboladerspezifischen Öldurchsatz wird eine vergleichsweise große Menge des dem inneren Schmierspalt 5 durch die Bohrung 3a des Schwimmkörpers 3 zugeführten Schmieröls aufgenommen und in Richtung eines nicht gezeichneten Schmierölrücklaufes transportiert. Dadurch wird durch die Bohrung 3a angeliefertes Schmieröl optimal aus dem Bereich der Bohrung 3a entfernt. Dies fördert insbesondere bei hohen Drehzahlen der Welle und der Schwimmbuchse den Schmieröldurchfluss durch die Bohrung 3a der Schwimmbuchse 3 und stellt sicher, dass auch bei diesen Betriebsbedingungen stets eine ausreichende Versorgung des inneren Schmierspaltes 5 mit frischem Schmieröl gewährleistet ist.
Folglich eröffnet die Erfindung die Möglichkeit, die Schmierölversorgung des inneren Schmierspaltes 5 ohne eine Beeinträchtigung der Tragfähigkeit bzw. der Spalthöhe und der Fertigungsgenauigkeit zu optimieren. Es kann in vorteilhafter Weise ein bestmöglicher Kompromiss zwischen der Tragfähigkeit der Lagerpalte und der Schmierölversorgung des Radiallagers erzielt werden. Insbesondere kann die bei hohen Drehzahlen der Schwimmbuchse aufgrund der damit einhergehenden hohen Fliehkräfte besonders schwierige Schmierölversorgung des inneren Schmierspaltes mittels einer gezielten Bearbeitung der Welle optimiert werden.
Aufgrund der in die Welle eingebrachten Nuten, die wie oben beschrieben ausgestaltet sind, wird der innere Schmierspalt ausreichend mit frischem Öl versorgt. Dadurch heizt es sich nicht zu stark auf, wodurch die Viskosität sinken und damit die Tragfähigkeit sinken würde. Dadurch wird auch bei hohen Buchsendrehzahlen, hohen Fliehkräften und ungünstigen Spalten bei allen Betriebsbedingungen eine ausreichende Schmierölversorgung des inneren Schmierspaltes 5 sichergestellt.
Die Auslegung des Winkels α zwischen den Nuten 1a und der Axialrichtung x der Welle 1 hängt von der Nutgeometrie, der Drehzahl der Welle und dem gewünschten Ölvolumenstrom nach innen ab. Weiterhin hängt sie von dem Druckverhältnis zwischen innerem und äußerem Schmierspalt ab. Dieses Druckverhältnis wird bei gegebenem Zuführdruck p_zu im Wesentlichen durch die Drehzahl der Buchse und den mittleren Durchmesser der Schwimmbuchse bestimmt. Mit zunehmender Buchsendrehzahl nimmt bei unverändertem mittleren Durchmesser der Schwimmbuchse die Fliehkraftbelastung in der Bohrung der Schwimmbuchse zu. Das Druckverhältnis zwischen dem äußeren und dem inneren Schmierspalt sinkt, wodurch sich die Ölversorgung nach innen verschlechtert. Mit zunehmendem mittleren Durchmesser der Schwimmbuchse nimmt bei unveränderter Drehzahl der Schwimmbuchse die Fliehkraftbelastung in der Bohrung der Schwimmbuchse ebenfalls zu. Folglich verschlechtert sich auch dadurch die Ölversorgung nach innen.
Ein zu großer Winkel α zwischen den Nuten 1a und der Axialrichtung x der Welle führt ebenfalls in unerwünschter Weise zu einer Verschlechterung der Ölversorgung des inneren Schmierspaltes.
Auch die Tiefe der Nuten beeinflusst die transportierte Ölmenge. Bei gegebenem Winkel α kann durch eine geeignete Wahl der Tiefe der Nuten der Öltransport nach innen erhöht werden. Zu tiefe Nuten beeinträchtigen wiederum die Tragfähigkeit des Axiallagers. Vorzugsweise wird deshalb – wie oben ausgeführt – die Tiefe der Nuten im Bereich zwischen 0,5 mm und 2 mm gewählt, um eine Erhöhung des Schmierölflusses nach innen bei Sicherstellung einer ausreichenden Tragfähigkeit des Axiallagers zu erreichen. Um diese gewünschte Wirkung zu erreichen, werden vorzugsweise des Weiteren abgerundete Nuten verwendet, die eine Breite haben, die ebenfalls im Bereich zwischen 0,5 mm und 2 mm liegt. Im Falle einer Verwendung einer derartigen Ausgestaltung der Nuten treten in den Nuten weder Mikrowirbel auf noch kommt es zu einer Reduzierung des Mitnahmeeffektes des Schmieröls durch die Nuten.
Durch die oben beschriebene Ausgestaltung der Nuten wird in vorteilhafter Weise des Weiteren erreicht, dass die Akustik des Turboladers, die maßgeblich von instationären Effekten im inneren Schmierspalt beeinflusst wird, positiv verändert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008060369 A1 [0010]

Claims

Radiallager für einen Abgasturbolader, mit einer in einem Gehäuse (2) gelagerten Welle (1) und einer zwischen der Welle und dem Gehäuse vorgesehenen Schwimmbuchse (3), wobei zwischen der Welle und der Schwimmbuchse ein innerer Schmierspalt (5) und zwischen der Schwimmbuchse und dem Gehäuse ein äußerer Schmierspalt (4) vorliegt, das Gehäuse mit einer zur Schmierölversorgung des äußeren Schmierspaltes vorgesehenen Bohrung (2a) versehen ist, die Schwimmbuchse mit einer zur Schmierölversorgung des inneren Schmierspaltes vorgesehenen Bohrung (3a) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (1) zur Verbesserung des Schmieröldurchtritts durch die Bohrung (3a) der Schwimmbuchse (3) mit parallel zueinander angeordneten, spiralförmig um den Außenmantel der Welle verlaufenden und sich nicht kreuzenden Nuten (1a) versehen ist.
Radiallager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α) zwischen den Nuten (1a) und der Axialrichtung (x) der Welle (1) bei etwa 45° liegt.
Radiallager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der Nuten (1a) im Bereich zwischen 0,5 mm und 2 mm liegt.
Radiallager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Nuten im Bereich zwischen 0,5 mm und 2 mm liegt.
Radiallager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (1a) abgerundet ausgebildet sind, um die Kerbwirkung zu reduzieren.