DE102012212998B4

DE102012212998B4 - Lagersystem für eine Welle

Info

Publication number: DE102012212998B4
Application number: DE102012212998.7A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Wellner
Original assignee: Friedrich Boysen GmbH and Co KG
Current assignee: Friedrich Boysen GmbH and Co KG
Priority date: 2012-07-24
Filing date: 2012-07-24
Publication date: 2023-09-07
Anticipated expiration: 2032-07-25
Also published as: WO2014016161A1; DE102012212998A1

Abstract

Lagersystem mit einem aus Metall, insbesondere Stahl bestehenden Lagergehäuse (1), einer durch eine Öffnung (2) in einer Wand des Lagergehäuses (1) geführten Welle (3) und einer zwischen Lagergehäuse (1) und Welle (3) wirksamen Dichtung (4) zur Abdichtung des Inneren des Lagergehäuses (1) nach außen, wobei die Dichtung (4) aus einem keramischen Material besteht und zugleich als Lagermittel zur axialen und/oder radialen Lagerung der Welle (3), insbesondere als Gleitlager, ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (4) an dem Lagergehäuse (1) über ein Verbindungselement (5) befestigt ist, wobei das Verbindungselement (5) durch Lötverbindungen mit dem Lagergehäuse (1) und der Dichtung (4) verbunden und gegenüber diesen abgedichtet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lagersystem mit einem aus Metall, insbesondere Stahl bestehenden Lagergehäuse, einer durch eine Öffnung in einer Wand des Lagergehäuses geführten Welle und einer zwischen Lagergehäuse und Welle wirksamen Dichtung zur Abdichtung des Inneren des Lagergehäuses nach außen, wobei die Dichtung aus einem keramischen Material besteht und zugleich als Lagermittel zur axialen und/oder radialen Lagerung der Welle, insbesondere als Gleitlager, ausgebildet ist.
Ein derartiges Lagersystem ist beispielsweise aus der DE 20 2008 005 992 U1 bekannt. Des Weiteren offenbart die EP 1 503 062 A1 ein Lager aus einem keramischen Lagerwerkstoff. Überdies ist der US 3,433,538 A ein dynamisches Gasfilmlager unter Verwendung einer piezoelektrischen Keramik zu entnehmen.
Lager für thermisch und mechanisch hoch belastete Wellen werden zunehmend aus keramischen Werkstoffen gefertigt, da sich diese gegenüber herkömmlichen metallischen oder mineralischen Lagern als deutlich abriebfester und temperaturbeständiger erweisen. Derartige Lager, insbesondere wenn sie in Abgasanlagen von Verbrennungsmotoren eingesetzt werden, müssen nach außen abgedichtet werden, damit keine Schadstoffe unkontrolliert an die Umgebung abgegeben werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Lagersystem der eingangs genannten Art anzugeben, das eine verbesserte Abdichtung des Inneren des Lagergehäuses nach außen aufweist.
Diese Aufgabe wird bei einem Lagersystem der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Dichtung an dem Lagergehäuse über ein Verbindungselement befestigt ist, wobei das Verbindungselement durch Lötverbindungen mit dem Lagergehäuse und der Dichtung verbunden und gegenüber diesen abgedichtet ist.
Das Verbindungselement dichtet den Spalt zwischen Lagergehäuse und Dichtung ab, so dass keine Spaltleckage aus dieser bei herkömmlichen Lagersystemen vorhandenen Leckstelle austreten kann. Ein weiterer Vorteil des Verbindungselements besteht darin, dass es keine Auswirkungen auf die für den Antrieb der Welle erforderliche Stellkraft hat. Für den Antrieb der Welle ist demnach nicht mehr Energie als bei herkömmlichen Lagersystemen erforderlich.
Das mit dem Lagergehäuse und der Dichtung verlötete Verbindungselement ermöglicht ferner eine Befestigung der keramischen Dichtung am Lagergehäuse. Eine direkte Lötverbindung der keramischen Dichtung mit dem aus Metall, insbesondere Stahl gefertigten Lagergehäuse wäre aufgrund der stark unterschiedlichen thermomechanischen Eigenschaften von Keramik und Metall nur wenig robust.
Eine spannungsunkritische Verbindung der Dichtung mit dem Lagergehäuse wird vorzugsweise erzielt, indem ein erster Teil des Verbindungselements mit dem Lagergehäuse verlötet wird und ein zweiter Teil des Verbindungselements mit der Dichtung verlötet wird, wobei der zweite Teil derart von dem ersten Teil beabstandet ist, dass die Lötverbindung an der Dichtung von der Lötverbindung an dem Lagergehäuse entfernt ist. Durch die räumliche Distanz zwischen den beiden Lötverbindungen wird verhindert, dass sich mechanische Spannungen bilden, welche die Lötverbindungen beeinträchtigen könnten.
Bevorzugt ist eine Außenfläche des ersten Teils des Verbindungselements mit einer Innenfläche des Lagergehäuses verlötet und eine Innenfläche des zweiten Teils des Verbindungselements ist mit einer Außenfläche der Dichtung verlötet. Hierdurch wird eine wirksame Abdichtung des Inneren des Lagergehäuses nach außen gewährleistet.
Um eine gegenüber einer direkten Lötverbindung zwischen Lagergehäuse und Dichtung verbesserte Lötverbindung zu erzielen, ist die Wandstärke des Verbindungselements zumindest in dem mit der Dichtung verlöteten Bereich vorzugsweise dünner als die Wandstärke des Lagergehäuses in dem der Dichtung benachbarten Bereich. Aufgrund dieser Maßnahme weist das Verbindungselement im Lötbereich eine höhere Elastizität auf als das Lagergehäuse in dem der Dichtung benachbarten Bereich, was zur Folge hat, dass die Lötverbindung zwischen dem Verbindungselement und der Dichtung weniger mechanische Spannungen aufweist, als eine Lötverbindung der Dichtung mit dem ihr benachbarten Bereich des Lagergehäuses hätte.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Verbindungselement aus einer Stahlfolie gefertigt, die insbesondere aus einem Edelmetall oder einem austenitischen Stahl besteht. Durch die Verwendung einer Stahlfolie wird dem Verbindungselement eine Elastizität verliehen, die eine besonders spannungsunkritische Lötverbindung mit der keramischen Dichtung ermöglicht.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Dichtung eine ringförmige Fläche auf, die in einem Querschnitt durch eine Seite der Dichtung zumindest teilweise sphärisch ausgebildet ist. Außerdem weist die Welle eine zur Drehachse der Welle geneigte, ringförmige Schrägfläche auf, welche die im Querschnitt zumindest teilweise sphärisch ausgebildete Fläche der Dichtung in einer kreisförmigen Linie berührt. Die sich durch die geometrischen Ausgestaltungen der beiden Kontaktflächen ergebende Linienberührung wirkt selbsteinschleifend und selbstreinigend, wodurch der Kontaktbereich zwischen Welle und Dichtung partikelfrei und dicht gehalten wird.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Klappenventil für heiße Fluidströme, insbesondere Abgasströme in Abgasanlagen von Brennkraftmaschinen, mit einer in einem Gehäuse drehbar gelagerten Stauscheibe. Das Klappenventil weist ein wie vorstehend beschriebenes Lagersystem auf, wobei die Stauscheibe mit der Welle des Lagersystems drehfest verbunden ist.
Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Lagersystems mit einem aus Metall, insbesondere Stahl bestehenden Lagergehäuse, einer durch eine Öffnung in einer Wand des Lagergehäuses geführten Welle und einer zwischen Lagergehäuse und Welle wirksamen Dichtung zur Abdichtung des Inneren des Lagergehäuses nach außen, wobei die Dichtung aus einem keramischen Material besteht und zugleich als Lagermittel zur axialen und/oder radialen Lagerung der Welle, insbesondere als Gleitlager, ausgebildet ist. Die Dichtung wird an dem Lagergehäuse über ein Verbindungselement befestigt, wobei das Verbindungselement durch Lötverbindungen mit dem Lagergehäuse und der Dichtung verbunden und gegenüber diesen abgedichtet wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Es zeigen, jeweils in schematischer Darstellung,

1A und 1B verschiedene Ansichten eines erfindungsgemäßen Lagersystems;
2A bis 2C verschiedene Ansichten eines Verbindungselements;
3 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Klappenventil; und
4 eine perspektivische Ansicht einer Baugruppe des in 3 gezeigten Klappenventils.

1A zeigt einen Querschnitt durch das Lagersystem gemäß der in 1B gezeigten Linie A-A und 1B zeigt eine Draufsicht auf das Lagersystem. Das Lagersystem umfasst ein Lagergehäuse 1, eine durch eine Öffnung 2 in einer Wand des Lagergehäuses 1 geführte Welle 3, eine Dichtung 4 und ein Verbindungselement 5, wobei die Welle 3 in 1B nicht dargestellt ist.
Die aus einem keramischen Material gefertigte Dichtung 4 erstreckt sich ringförmig um die Welle 3 herum und dient neben der Abdichtung des Inneren des Lagergehäuses 1 nach außen als Lagermittel zur axialen und radialen Lagerung der Welle 2. Die Dichtung 4 ist über das Verbindungselement 5 an dem Lagergehäuse 1 befestigt.
Das Verbindungselement 5 ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als Löthülse ausgestaltet und ist in 2A bis 2C detaillierter dargestellt. Dabei zeigen 2A, 2B und 2C eine perspektivische Ansicht des Verbindungselements 5, eine Draufsicht auf das Verbindungselement 5 bzw. einen Querschnitt durch das Verbindungselement 5 gemäß der in 2B gezeigten Linie A-A. Das Verbindungselement 5 weist einen ersten Teil 6 sowie einen mit dem ersten Teil 6 einstückig verbundenen und von diesem beabstandeten zweiten Teil 7 auf. Die beiden Teile 6, 7 des Verbindungselements 5 sind jeweils zylinderförmig ausgebildet, wobei der erste Teil 6 einen größeren Durchmesser aufweist als der zweite Teil 7. Das Verbindungselement 5 ist aus einer dünnen, elastischen Stahlfolie gefertigt, die beispielsweise aus einem Edelstahl oder einem austenitischen Stahl besteht.
Wie 1A zeigt, ist der Durchmesser des ersten Teils 6 des Verbindungselements 5 derart gewählt, dass das Verbindungselement 5 in das Innere des Lagergehäuses 1 einsetzbar ist und die Außenfläche des ersten Teils 6 des Verbindungselements 5 an der Innenfläche des Lagergehäuses 1 anliegt. Die Dichtung 4 ist in den zweiten Teil 7 des Verbindungselements 5 eingesetzt und die Außenfläche der Dichtung 4 liegt an der Innenfläche des zweiten Teils 7 des Verbindungselements 5 an. Die beiden Teile 6, 7 des Verbindungselements 5 sind mit der Innenfläche des Lagergehäuses 1 bzw. der Außenfläche der Dichtung 4 durch Lötverbindungen verbunden. Die Lötverbindungen erstrecken sich insbesondere über eine vollständige Außenumfangslinie des ersten Teils 6 bzw. ein vollständige Innenumfangslinie des zweiten Teils 7 des Verbindungselements 5. Um eine gegenüber einer direkten Lötverbindung zwischen dem aus Stahl gefertigten Lagergehäuse 1 und der aus Keramik gefertigten Dichtung 4 verbesserte und insbesondere spannungsfreiere Lötverbindung zu erzielen, ist die Wandstärke des Verbindungselements 5 dünner als die Wandstärke des Lagergehäuses 1 in dem der Dichtung 4 benachbarten Bereich. Weiterhin bewirkt das mit dem Lagergehäuse 1 und der Dichtung 4 verlötete Verbindungselement 5 eine Abdichtung des zwischen dem Lagergehäuse 1 und der Dichtung 4 verlaufenden Spalts, so dass keine Schadstoffe aus dem Inneren des Lagergehäuses 1 durch den Spalt nach außen gelangen können.
Zur Herstellung des Lagersystems werden in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Außenfläche des ersten Teils 6 sowie die Innenfläche des zweiten Teils 7 des Verbindungselements 5 vorab mit Lot beschichtet.
Nachdem anschließend das Verbindungselement 5 und die Dichtung 4 in das Lagergehäuse 1 eingesetzt worden sind, werden die Lotbeschichtungen beispielsweise durch die Erwärmung in einem Ofen aufgeschmolzen und die beiden Lötverbindungen zwischen dem Verbindungselement 5 und dem Lagergehäuse 1 bzw. der Dichtung 4 in demselben Arbeitsschritt erzeugt.
Um die Emission von Spaltleckage in die Umgebung durch den Spalt zwischen der Welle 3 und der als Lagermittel für die Welle 3 ausgebildeten Dichtung 4 zu unterbinden, weist die Dichtung 4 eine ringförmige Fläche 8 auf, die in einem Querschnitt durch eine Seite der Dichtung 4 sphärisch ausgebildet ist. Außerdem weist die Welle 3 zur Ausbildung einer Dichtfläche einen Absatz 10 auf, der eine zur Drehachse 9 der Welle 3 geneigte, ringförmige Schrägfläche 11 aufweist. Die Schrägfläche 11 kann im Querschnitt insbesondere gerade ausgebildet sein und kann beispielsweise um 45° zur Drehachse 9 der Welle 3 geneigt sein, wobei jedoch auch andere Neigungswinkel möglich sind. Die Schrägfläche 11 der Welle 3 ist der im Querschnitt sphärisch ausgebildeten Fläche 8 der Dichtung 4 zugewandt. Die beiden Flächen 8, 11 berühren sich aufgrund ihrer geometrischen Ausgestaltungen in einer kreisförmigen Linie. Hierdurch wird eine besonders gute Abdichtung erreicht und zudem der Kontaktbereich zwischen der Welle 3 und der Dichtung 4 frei von Partikeln gehalten.
3 zeigt ein Klappenventil für die Abgasanlage eines Verbrennungsmotors. Das Klappenventil dient zur Regelung der Gasführung in Abhängigkeit von den Betriebsdaten des Motors, beispielsweise der Drehzahl. Das Klappenventil umfasst ein Gehäuse 12 mit einem Fluidkanal 13, durch den Fluid, insbesondere Abgas, strömen kann. Im Gehäuse 12 ist eine Stauscheibe 14 mit zwei Flügeln, von denen in 3 lediglich ein Flügel zu sehen ist, mittig drehbar gelagert. Die Stauscheibe 14 befindet sich wahlweise in einer ersten Stellung, in welcher die Flügel der Stauscheibe 14 den Fluidkanal 13 vollständig verschließen, oder in einer zweiten Stellung, in welcher der Fluidkanal 13 vollständig geöffnet ist. In 3 ist die Stauscheibe 14 in der ersten Stellung gezeigt. Die Stauscheibe 14 kann alternativ auch als stufenlos verstellbares Regelelement eingesetzt werden.
Die Stauscheibe 14 ist mit der bereits in 1A gezeigten Welle 3 drehfest verbunden. Die Welle 3 und ein in 3 nicht dargestellter Lagerzapfen sind an gegenüberliegenden Öffnungen 16, 17 des Gehäuses 12 positioniert. Die Welle 3 kann durch die Öffnung 17 des Gehäuses 12 mit einem an einem Ende der Welle 3 angeordneten Stift 19 in eine Bohrung 20 der Stauscheibe 14 eingesteckt werden. Ein in 4 dargestellter Lagerzapfen 22 wird durch die Öffnung 16 des Gehäuses 12 mit einem an einem Ende des Lagerzapfens 22 angeordneten Stift in eine Bohrung 18 der Stauscheibe 14 eingesetzt. Ferner kann ein in 3 nicht dargestelltes Radiallager zur Aufnahme des durch die Öffnung 16 einzusteckenden Lagerzapfens 22 in einem in das Gehäuse 12 integrierten Lagerraum 15 vorgesehen sein. Das Radiallager kann von einem in 3 nicht gezeigten separaten Gehäusedeckel vollständig gasdicht verschlossen sein.
Unmittelbar an die Öffnung 17 schließt ein Lagerraum 21 an, der in das Gehäuse 12 integriert ist. Der Lagerraum 21 nimmt die in 1A und 1B gezeigten Lagerelemente und die Welle 3 auf. In dem Lagergehäuse 1 sind die in 1A und 1B gezeigten und weiter oben detailliert beschriebenen Komponenten angeordnet. So ist zur Lagerung der Welle die Dichtung 4 vorgesehen, welche über das Verbindungselement 5 am Lagergehäuse 1 befestigt ist. Das Verbindungselement 5 ist durch Lötverbindungen mit dem Lagergehäuse 1 und der Dichtung 4 verbunden und gegenüber diesen abgedichtet, wodurch verhindert wird, dass Abgase unkontrolliert durch den Spalt zwischen dem Lagergehäuse 1 und der Dichtung 4 nach außen dringen. Der Lagerraum 21 wird mit dem Lagergehäuse 1 gasdicht verbunden.
Weiterhin können in 3 nicht dargestellte Mittel vorgesehen sein, durch welche eine Vorspannung, beispielsweise mittels einer Feder, auf die Welle 3 derart übertragen wird, dass die Schrägfläche 11 der Welle 3 gegen die im Querschnitt sphärisch ausgebildeten Fläche 8 der Dichtung 4 gedrängt wird. Dadurch wird eine wirksame Abdichtung des Lagerraums 21 nach außen gewährleistet.
4 zeigt perspektivisch die in das Gehäuse 12 eingesetzte Baugruppe, die das Lagergehäuse 1, die Welle 3, die Stauscheibe 14 und den Lagerzapfen 22 umfasst.
Bezugszeichenliste

1: Lagergehäuse
2: Öffnung
3: Welle
4: Dichtung
5: Verbindungselement
6: erster Teil
7: zweiter Teil
8: Fläche
9: Drehachse
10: Absatz
11: Schrägfläche
12: Gehäuse
13: Fluidkanal
14: Stauscheibe
15: Lagerraum
16: Öffnung
17: Öffnung
18: Bohrung
19: Stift
20: Bohrung
21: Lagerraum
22: Lagerzapfen

Claims

Lagersystem mit einem aus Metall, insbesondere Stahl bestehenden Lagergehäuse (1), einer durch eine Öffnung (2) in einer Wand des Lagergehäuses (1) geführten Welle (3) und einer zwischen Lagergehäuse (1) und Welle (3) wirksamen Dichtung (4) zur Abdichtung des Inneren des Lagergehäuses (1) nach außen, wobei die Dichtung (4) aus einem keramischen Material besteht und zugleich als Lagermittel zur axialen und/oder radialen Lagerung der Welle (3), insbesondere als Gleitlager, ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (4) an dem Lagergehäuse (1) über ein Verbindungselement (5) befestigt ist, wobei das Verbindungselement (5) durch Lötverbindungen mit dem Lagergehäuse (1) und der Dichtung (4) verbunden und gegenüber diesen abgedichtet ist.
Lagersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Teil (6) des Verbindungselements (5) mit dem Lagergehäuse (1) verlötet ist und ein zweiter Teil (7) des Verbindungselements (5) mit der Dichtung (4) verlötet ist, wobei der zweite Teil (7) derart von dem ersten Teil (6) beabstandet ist, dass die Lötverbindung an der Dichtung (4) von der Lötverbindung an dem Lagergehäuse (1) entfernt ist.
Lagersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Außenfläche des ersten Teils (6) des Verbindungselements (5) mit einer Innenfläche des Lagergehäuses (1) verlötet ist und eine Innenfläche des zweiten Teils (7) des Verbindungselements (5) mit einer Außenfläche der Dichtung (4) verlötet ist.
Lagersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke des Verbindungselements (5) zumindest in dem mit der Dichtung (4) verlöteten Bereich dünner ist als die Wandstärke des Lagergehäuses (1) in dem der Dichtung (4) benachbarten Bereich.
Lagersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (5) aus einer Stahlfolie gefertigt ist, die insbesondere aus einem Edelstahl oder einem austenitischen Stahl besteht.
Lagersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (4) eine ringförmige Fläche (8) aufweist, die in einem Querschnitt durch eine Seite der Dichtung (4) zumindest teilweise sphärisch ausgebildet ist, und die Welle (3) eine zur Drehachse (9) der Welle (3) geneigte, ringförmige Schrägfläche (10) aufweist, welche die im Querschnitt zumindest teilweise sphärisch ausgebildete Fläche (8) der Dichtung (4) in einer kreisförmigen Linie berührt.
Klappenventil für heiße Fluidströme, insbesondere Abgasströme in Abgasanlagen von Brennkraftmaschinen, mit einer in einem Gehäuse (12) drehbar gelagerten Stauscheibe (14), gekennzeichnet durch ein Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Stauscheibe (14) mit der Welle (3) des Lagersystems drehfest verbunden ist.
Verfahren zur Herstellung eines Lagersystems mit einem aus Metall, insbesondere Stahl bestehenden Lagergehäuse (1), einer durch eine Öffnung (2) in einer Wand des Lagergehäuses (1) geführten Welle (3) und einer zwischen Lagergehäuse (1) und Welle (3) wirksamen Dichtung (4) zur Abdichtung des Inneren des Lagergehäuses (1) nach außen, wobei die Dichtung (4) aus einem keramischen Material besteht und zugleich als Lagermittel zur axialen und/oder radialen Lagerung der Welle (3), insbesondere als Gleitlager, ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (4) an dem Lagergehäuse (1) über ein Verbindungselement (5) befestigt wird, wobei das Verbindungselement (5) durch Lötverbindungen mit dem Lagergehäuse (1) und der Dichtung (4) verbunden und gegenüber diesen abgedichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Teil (6) des Verbindungselements (5) mit dem Lagergehäuse (1) verlötet wird und ein zweiter Teil (7) des Verbindungselements (5) mit der Dichtung (4) verlötet wird, wobei der zweite Teil (7) derart von dem ersten Teil (6) beabstandet ist, dass die Lötverbindung an der Dichtung (4) von der Lötverbindung an dem Lagergehäuse (1) entfernt ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Außenfläche des ersten Teils (6) des Verbindungselements (5) mit einer Innenfläche des Lagergehäuses (1) verlötet wird und eine Innenfläche des zweiten Teils (7) des Verbindungselements (5) mit einer Außenfläche der Dichtung (4) verlötet wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teil (6) und der zweite Teil (7) des Verbindungselements (5) gleichzeitig mit dem Lagergehäuse (1) bzw. der Dichtung (4) verlötet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (3) drehfest mit einer Stauscheibe (14) eines Klappenventils für heiße Fluidströme, insbesondere Abgasströme in Abgasanlagen von Brennkraftmaschinen, verbunden wird, wobei die Stauscheibe (14) drehbar in einem Gehäuse (12) gelagert wird.