DE102012208928A1

DE102012208928A1 - Turboladerwälzlager mit internem Filterelement

Info

Publication number: DE102012208928A1
Application number: DE102012208928A
Authority: DE
Inventors: Christopher Mitchell
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2012-02-09
Filing date: 2012-05-29
Publication date: 2013-08-14
Also published as: WO2013117716A1

Abstract

Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Turboladerwälzlager mit einem Außenring, wobei wenigstens eine von einer radialen Außenseite des Außenrings zu einer radialen Innenseite des Außenrings (10) verlaufende Ölleitung (14) ausgebildet ist. Zur Lebensdauerverlängerung des Turboladerwälzlagers wird vorgeschlagen zumindest in einem Teilabschnitt der Ölleitung (14) ein Filterelement (20, 30) zur Filterung des Öls anzuordnen. Damit kann das Wälzlager auch vor größeren Mikropartikeln geschützt werden, die im Wälzkontakt über einen gewissen Wirkzeitraum substantiellen Schaden anrichten können. Es werden ferner Filterstärken, beziehungsweise maximale Partikelgrößen, und Filtermaterialien vorgeschlagen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Turboladerwälzlager mit einem Außenring, wobei wenigstens eine von einer radialen Außenseite des Außenrings zu einer radialen Innenseite des Außenrings verlaufende Ölleitung ausgebildet ist.
Stand der Technik
Hintergrund der Erfindung
Turboladerwälzlager werden in ein Gehäuse eingesetzt, um die rotierende Welle gegenüber dem Gehäuse zu lagern, wobei die Welle sowohl den Verdichter, als auch die Turbine des Turboladers trägt, beziehungsweise derart miteinander verbindet, dass die durch den Abgasstrom angetriebene Turbine den Verdichter antreibt.
Turboladerwälzlager werden in der Regel mit Öl geschmiert und sind durch externe Ölfilter geschützt, die im Ölkreislauf vor dem Turbolagerwälzlager angeordnet sind. Damit können einerseits der Wälzraum, insbesondere die Wälzkontakte zwischen den Wälzkörperlaufbahnen und den Wälzkörpern, des Turboladers geschmiert werden. Dazu weisen Turboladerlager eine Ölversorgung auf, die das Öl, welches als Schmiermittel fungiert, durch die außen gelegenen Komponenten, die die Wälzkörper, wie zum Beispiel Kugeln, umfassen oder zumindest radial außenliegend zu diesen angeordnet sind, hindurchleiten.
Die Ölfilterung reduziert die Reibungswärme und verhindert eine darauf basierende Beschädigung des Wälzlagers. Leider hat sich insbesondere mit der Einführung der LDS-Technologie (Lichtbogendrahtspritzverfahren) ein erhöhter Verschmutzungsgrad des Öls während der anfänglichen Einlaufphase eingestellt, der die Oberflächen im Wälzkontakt von Anfang an beeinträchtigt und der von der herkömmlichen Filtration nicht beseitigt werden kann.
Aufgabenstellung
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist es die Lebensdauer auf eine kosteneffiziente Weise zu verbessern, ohne die typischen Leistungsmerkmale des Turboladerlagers zu verschlechtern.
Die Aufgabe wird durch ein Turboladerwälzlager der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass zumindest in einem Teilabschnitt der Ölleitung ein Filterelement zur Filterung des Öls angeordnet ist. Als Teilabschnitt kann insbesondere der Mündungsbereich der Öffnung zur radial außen gelegenen Außenfläche vorgesehen sein, wobei sich der Teilabschnitt radial auch in Richtung der Innenseite des Außenringes erstrecken kann. Die Ölleitung bildet einen Bestandteil der Ölversorgung des Turboladerwälzlagers, wobei der Außenring zu den feststehenden Bauteilen zählt und den Öldurchfluss zum Wälzraum gewährleisten muss.
Dabei kann der Außenring ein Trägerring oder ein eine Wälzkörperlaufbahn aufweisender Wälzlagerring sein. Als Trägerring kann der Außenring, insbesondere als einstückiger Trägering das die Wälzlagerung enthaltende und tragende Teil sein, womit eine Turboladerlagerkartusche gebildet ist, die leicht zu handhaben und einfach in ein Turboladergehäuse einzupressen ist. Alternativ oder optional weist der Außenring radial innenseitig Wälzkörperlaufbahnen auf, die zum lasttragenden Abrollen der Wälzkörper, meist Kugeln, vorgesehen ist. Dabei können durchaus auch zwei Außenringe mit Wälzkörperlaufbahnen vorgesehen sein.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform mündet die Ölleitung radial außenseitig in eine ringförmige oder axiale Ölführung. Diese Ölführung kann beispielsweise eine umfängliche Umverteilung des Öls unterstützen oder zur Ausbildung eines Ölquetschfiles beitragen, der beim Wälzlagerbetrieb zur Zentrierung der Wälzlagerung innerhalb des Turboladergehäuses oder innerhalb des Trägerringes dient.
Vorteilhafterweise bildet das Filterelement die ringförmige oder axiale Ölführung zusammen mit der radialen Außenfläche des Außenrings aus. Damit ist es möglich dem Filterwiderstand des Filterelementes dahingehend entgegenzuwirken, dass eine große Oberfläche zur Durchdringung durch das Öl vorgesehen werden kann. Nun kann sich das Filterelement über die Breite der Ölführung erstrecken, um den materialbedingten Filterwiderstand durch einen größeren Flußquerschnitt zu kompensieren.
Um eine umfassende Filterung zu gewährleisten erstreckt sich das Volumen des Filterelements in wenigstens einem Teilabschnitt der Öffnung über den gesamten Durchflussquerschnitt der Öffnung. Das bedeutet, dass eine maximale Partikelgröße festgelegt wird, die in das Wälzlager gelangen kann. Vorteilhafterweise sind alle zuführenden Ölleitungen des Turboladerlagers mit einem Filterelement versehen, sodass diese maximale Partikelgröße generell garantiert werden kann. Außerdem können mehrere Ölleitungen mit Filterelementen vorgesehen werden, um damit den Gesamtwiderstand weiter zu reduzieren.
Vorteilhafterweise ist das Filterelement zumindest über den Teilabschnitt der Ölleitung in die Ölleitung eingepresst. Somit ist nicht zwingend erforderlich, dass die ganze Ölleitung am Filterungsprozess teilnimmt. Außerdem wird damit bei der Herstellung eine mögliche Einpressung des Filterelementes in die Öffnung erleichtert.
Vorteilhafterweise weist das Filterelement ein Befestigungsteil und ein Filterteil auf. Dabei hat das Befestigungsteil die Funktion der Befestigung in der Ölleitung und ist mit dem Filterelement fest verbunden. Beispielsweise könnte das Befestigungsteil durch einen hohlzylindrischen Körper gebildet sein, der innenseitig das Filterteil und an seiner zylindrischen Außenfläche ein Außengewinde aufweist. Damit kann das Filterelement in eine Ölführung oder zumindest in einen Teilabschnitt der Ölführung eingeschraubt werden, der ein Innengewinde aufweist und durch dessen Inneres, das heißt, durch das im Inneren angeordnete Filterteil, Öl fließen kann.
Vorteilhafterweise besteht das Filterelement oder dessen Filterteil aus einem porösen Filtermaterial, insbesondere Keramik, gesintertem Metall oder porösem Kunststoff. Die genannten Materialien können zum Abfangen mikroskopisch kleiner Partikel dienen, die die Lebensdauer des Wälzlagers verkürzen würden. Vorteilhafterweise ist das poröse Filtermaterial für Partikel mit einer maximalen Partikelgröße von zwei, drei oder zehn Mikrometer durchdringbar. Für diese Obergrenzen konnte jeweils eine Verlängerung der Lebensdauer bei geringer Kosteneffizienz erzielt werden.
Am meisten Schaden richten Mikropartikel mit einer Partikelgröße von 3 bis 5 Mikrometer an. Daher wird eine Obergrenze von maximal 2 bis 3 Mikrometer angestrebt, die sich zu unterschreiten nicht lohnt, da Additive im Öl bereits eine derartige Größe aufweisen können, wie zum Beispiel, Additive zum Korrosionsschutz. Einen groben Schutz stellt schon eine Obergrenze von 10 Mikrometer dar, obwohl die eigentlich problematischen Partikel nicht gefiltert werden können.
Aufgrund der hohen Betriebstemperatur des Turboladers muss das poröse Filtermaterial Temperaturen von bis zu 500 Grad Celsius bei Benzinmotoren oder bis zu 400 Grad Celsius bei Dieselmotoren standhalten, um die Lebensdauer nicht unnötig zu verringern. Andernfalls besteht auch die Gefahr, dass bei einer Filterschmelze die Obergrenze der Partikelgröße derart sinkt, dass eine Ölzufuhr nicht mehr möglich ist und ebenfalls der Ausfall des Turboladerlagers verursacht werden kann.
Weitere vorteilhafte Ausbildungen und bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind der Figurenbeschreibung und/oder den Unteransprüchen zu entnehmen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben und erläutert.
Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Turboladerwälzlagers im Längsschnitt entlang der Rotationsachse ohne Gehäuse,
2 pfropfenartiges Filterelement mit passendem Außenring für das Turboladerwälzlagers aus 1, und
3 zylindrisches Filterelement mit passendem Außenring für das Turboladerwälzlager aus 1.
Ausführungsbeispiel
Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Turboladerwälzlagers im Längsschnitt entlang der Rotationsachse ohne Gehäuse.
Die Einpressrichtung E deutet an, wie ein Filterelement eingebracht, zum Beispiel eingepresst, geschraubt oder gesteckt werden kann, um in der Ölleitung 14 aktiv zu werden und als Filter das Abfangen von Mikropartikeln zu gewährleisten.
Idealerweise münden beide Ölleitungen 14 radial außenseitig in eine ringförmige Ölführung 17, womit eine vollständige Benetzung des Filterelements sichergestellt ist und nicht unerwünschten, lokalen Variationen unterliegen kann, wie es bei Ölquetschfilmen zur axialen Zentrierung bei Rotation der Fall ist. Die ringförmige Ölführung 17 führt zu jedem Zeitpunkt ausreichend Öl.
Der Außenring 10 ist gleichzeitig der Trägerring des Turboladerwälzlagers und bildet mit den Innenringen 11, Wälzkörpern 12 etc. eine leicht handhabbare Turboladerlagerkartusche, die in ein Turboladergehäuse einpressbar ist. Dabei kann vorgesehen sein, dass die radiale Außenfläche des Außenrings 10 oder Teilflächen derselben zusammen mit der nicht abgebildeten Gehäuseaufnahme und dem Öl einen Ölquetschfilm bildet.
Der die Ölleitung 14 mit dem Filterelement (zum Beispiel wie in 2 und 3) Außenring kann auch ein anderer Ring innerhalb der Turboladerkartusche sein, durch den die Ölversorgung hindurch verläuft. Dazu kann der Außenring 10 eine Wälzkörperlaufbahn 13 aufweisen oder auch nur zur axialen Beabstandung, Dichtung oder nur zur Ölführung vorgesehen sein.
Es können in Abhängigkeit der Anzahl von radialen Ölleitungen 14 mehrere Filterelemente im Außenring 10 oder in anderen Ringen vorgesehen sein, damit bei einem Komplettausfall eines Filterelementes, beispielsweise durch eine Verstopfung, so können die anderen Filterelemente dessen Funktion übernehmen, nur ein Ausfall aller Filterelemente hätte katastrophale Folgen.
2 zeigt ein pfropfenartiges Filterelement 20 im Außenring 10, welches als stufiges Einsteckelement 20 ausgeführt ist. Es besteht aus einem Endstück 19, welches über ein konisches Mittelteil 18 mit dem Kopf 17 verbunden ist. Der verbreiterte Kopf 17 erlaubt eine große Partikelaufnahme, die in einem vergrößerten Volumen stattfindet, um von vornherein einer Verstopfung der Poren des Filterelements 20 und des damit ansteigenden Flusswiderstandes.
Der konische Mittelteil 18 hat die Funktion beim Einstecken des Filterelements einen entgegen der Einpressrichtung gerichteten Rückhalt zu bieten, der für eine genaue Positionierung und die Ölleitung 14 abdichtenden Verschluss sorgt. Beim Einstecken kann das Endstück 19 eine Führungsfunktion übernehmen und entsprechend der erforderlichen Aufnahmekapazität an Mikropartikeln größer oder kleiner ausgelegt werden, sofern die Länge der Ölleitung 14 dies zulässt.
3 zeigt ein pfropfenartiges Filterelement 30 im Außenring 10. Die Ölleitung im Außenring besteht aus zwei Bohrungen. Eine erste Bohrung, die eine zentrische Aufweitungsbohrung 27 der zweiten, radial kleineren Bohrung bildet und wobei die zweite Bohrung 21 den innenliegenden Teilabschnitt 21 der Ölleitung im Außenring 10 bildet.
Somit kann das Filterelement 30 eine einfache zylindrische Form aufweisen, aber dennoch durch den Anschlag, der durch den Übergang von der ersten Bohrung 27 zur zweiten Bohrung 21 gebildet wird. Damit kann das Filterelement 30 auf eine einfache Weise hergestellt werden und die halternden Eigenschaften liegen einzig beim Außenring 10, beziehungsweise dessen Ölleitung 14.
Alle genannten Ausführungsbeispiele können aus verschiedenen Materialien oder deren Kombination hergestellt sein. Das Filterelement oder ein Filterteil desselben sollte dabei ein durchlässiges, poröses Material aufweisen oder aus diesem bestehen. Dazu gehören poröse keramische Materialien, gesinterter Edelstahl, gesinterte Bronze, gesintertes Nickel, oder poröse Kunststoffe.
Aufgrund der physischen Nähe des Heißgehäuses zum Kaltgehäuse des Turboladers liegt über der Welle bzw. in axialer Richtung über das Turboladerlager ein hoher Temperaturgradient von typischerweise 150 bis 200 Grad Differenz. Daher kann in unterschiedlich platzierten Ölleitungen 14 auch unterschiedlich temperaturunempfindliches Material eingesetzt werden. Beispielsweise könnte man turbinenseitig ein Filterelement mit Keramik mit einem Schmelzpunkt von etwa 1000 Grad Celsius verwenden und verdichterseitig Bronze mit einem Schmelzpunkt von 550 bis 580 Grad Celsius als Filtermaterial verwenden.
Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Turboladerwälzlager mit einem Außenring, wobei wenigstens eine von einer radialen Außenseite des Außenrings zu einer radialen Innenseite des Außenrings 10 verlaufende Ölleitung 14 ausgebildet ist. Zur Lebensdauerverlängerung des Turboladerwälzlagers wird vorgeschlagen zumindest in einem Teilabschnitt der Ölleitung 14 ein Filterelement 20, 30 zur Filterung des Öls anzuordnen. Damit kann das Wälzlager auch vor größeren Mikropartikeln geschützt werden, die im Wälzkontakt über einen gewissen Wirkzeitraum substantiellen Schaden anrichten können. Es werden ferner Filterstärken, beziehungsweise maximale Partikelgrößen, und Filtermaterialien vorgeschlagen.
Bezugszeichenliste

E: Einpressrichtung
10: Außenring
11: Innenring
12: Wälzkörper
13: Wälzkörperlaufbahn
14: Ölleitung
15: Ölrinne
16: Ölrinne
17: Kopf
18: konisches Mittelteil
19: Endstück
20: Filterelement
21: innenliegender Teilabschnitt
27: zentrische Aufweitungsbohrung
30: Filterelement

Claims

Turboladerwälzlager mit einem Außenring (10), wobei wenigstens eine von einer radialen Außenseite des Außenrings (10) zu einer radialen Innenseite des Außenrings (10) verlaufende Ölleitung (14) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in einem Teilabschnitt der Ölleitung (14) ein Filterelement (20, 30) zur Filterung des Öls angeordnet ist.
Wälzlager nach Anspruch 1, wobei der Außenring (10) ein Trägerring oder ein eine Wälzkörperlaufbahn (13) aufweisender Wälzlagerring (10) ist.
Wälzlager nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ölleitung (14) radial außenseitig in eine ringförmige (17) oder axiale Ölführung mündet.
Wälzlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Filterelement (20, 30) die ringförmige (17) oder axiale Ölführung zusammen mit der radialen Außenfläche des Außenrings (10) ausbildet.
Wälzlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Volumen des Filterelements (20, 30) sich in wenigstens einem Teilabschnitt der Ölleitung (14) über den gesamten Durchflussquerschnitt der Ölleitung (14) erstreckt.
Wälzlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Filterelement (20, 30) zumindest über den Teilabschnitt der Ölleitung (14) in die Ölleitung (14) eingepresst ist.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Filterelement (20, 30) ein Befestigungsteil und ein Filterteil aufweist.
Wälzlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Filterelement (20, 30) oder dessen Filterteil aus einem porösen Filtermaterial, insbesondere Keramik, gesintertem Metall oder porösem Kunststoff, besteht.
Wälzlager nach Anspruch 8, wobei das poröse Filtermaterial für Partikel mit einer maximalen Partikelgröße von zwei, drei oder zehn Mikrometer durchdringbar ist.
Wälzlager nach Anspruch 8, wobei das poröse Filtermaterial einen Schmelzpunkt von mindestens 550 bis 580 Grad Celsius aufweist.