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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lagergehäuse zur drehbaren Lagerung eines Rotors, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner einen Abgasturbolader mit einem solchen Lagergehäuse.
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Ein Lagergehäuse dient der drehbaren Lagerung einer Lagerbuchse, die wiederum der drehbaren Lagerung einer Welle dient. Um die Lagerung der Lagerbuchse und der Welle zu verbessern und/oder einen Verschleiß des Rotors zu reduzieren, wird die Lagerbuchse gewöhnlich mit einem Schmiermittel, beispielsweise Öl, geschmiert. Die Versorgung mit Schmiermittel erfolgt gewöhnlich über eine fluidische Verbindung. Zur besseren Verteilung des Schmiermittels kann das Lagergehäuse mit einer in Umfangsrichtung verlaufenden Ringnut versehen werden. Dadurch wird das Schmiermittel bedingt durch die Rotation der Lagerbuchse von der Lagerbuchse „mitgenommen“ und in der Umfangsrichtung verteilt.
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Die rotierende Lagerbuchse verursacht in der Ringnut eine Strömung mit hoher Geschwindigkeit in Drehrichtung der Lagerbuchse. Dabei fällt der Druck in der Ringnut in Drehrichtung ab, so dass im Bereich der Zuführung ein höherer Schmiermitteldruck vorherrscht als in den in Umfangsrichtung nachfolgenden Bereichen. In der Folge wird die Lagerbuchse von der Zuführung weggedrückt und positioniert sich somit außermittig in der Lagergehäusebohrung. Diese nachteilige außermittige Positionierung der Lagerbuchse (und infolgedessen die außermittige Positionierung der Welle) kann dabei den Betrieb einer zugehörigen Anwendung, beispielsweise eines Abgasturboladers, stören und zu einem erhöhten Verschleiß bzw. einer akustischen Auffälligkeit des Radiallagers und/oder des Rotors führen.
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Aus der
EP 2 302 176 A2 , insbesondere aus
3, ist ein Lagergehäuse bekannt, das eine in Umfangsrichtung verlaufende Nut zur Versorgung mit Schmiermittel eines zwischen Lagergehäuse und einer rotierenden Lagerbuchse befindlichen Lagerspalts aufweist. Die Nut erstreckt sich ausgehend von einer Schmiermittelversorgungsbohrung symmetrisch über einen ersten Umfangsbereich in Drehrichtung der Buchse und über einen zweiten Umfangsbereich entgegen der Drehrichtung und verjüngt sich in beiden Umfangsbereichen ausgehend von der Schmiermittelversorgungsbohrung. Im ersten Umfangsbereich der Nut gleicht die Querschnittsverringerung den Druckverlust aus. Durch den gegenläufigen und spiegelbildlich ausgebildeten zweiten Umfangsbereich kollabiert der Druck in diesem Bereich des Ringspaltes jedoch. Das Ergebnis ist eine hoher Öldruck im ersten Umfangsbereich und ein niedriger Öldruck im zweiten Umfangsbereich. Die Lagerbuchse würde im Rahmen des Lagerspiels also in den zweiten Umfangsbereich gedrückt werden, würde somit also nicht mehr zentrisch laufen.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein Lagergehäuse der eingangs genannten Art sowie für einen Abgasturbolader mit einem derartigen Lagergehäuse eine verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch einen verringerten Verschleiß auszeichnet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einem in einer Ringnut eines Radiallagers über deren Verlauf abfallenden Schmiermitteldruck durch eine entsprechende geometrische Ausgestaltung der Ringnut entgegenzuwirken, um innerhalb der ganzen Ringnut im Wesentlichen gleiche Druckverhältnisse im Schmiermittel zur Verfügung zu stellen. Dadurch werden außermittige bzw. exzentrische Verschiebungen einer zugehörigen drehbaren Lagerbuchse oder Welle verhindert oder zumindest reduziert, so dass ein Rotationsverhalten des Rotors verbessert und/oder der Verschleiß der Lagerflächen reduziert werden. Erfindungsgemäß erfolgt dies dadurch, dass eine Radiallagerfläche eine in Umfangsrichtung verlaufende Ringnut aufweist, die zur Versorgung mit einem Schmiermittel zumindest eine fluidische Verbindung aufweist. Die Ringnut erstreckt sich ausgehend von der Verbindung in Drehrichtung des Rotors über einen ersten Umfangsbereich und verjüngt und entgegen der Drehrichtung über einen zweiten Umfangsbereich und wobei der erste Umfangsbereich größer ist als der zweite Umfangsbereich. Insbesondere soll hierdurch im ersten Umfangsbereich der abfallende Schmiermitteldruck durch einen sich zunehmend reduzierenden Querschnitt der Ringnut ausgeglichen werden.
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Die Variation des Querschnitts der Ringnut kann prinzipiell durch eine entsprechende Variation der bezüglich der Radiallagerfläche axialen Ausdehnung bzw. Breite der Ringnut in Umfangsrichtung realisiert sein. Bevorzugt ist die Variation des Querschnitts mittels einer entsprechenden Variation einer bezüglich der Radiallagerfläche radialen Tiefe der Ringnut realisiert. Das heißt, dass die Ringnut eine in Umfangsrichtung variierende Tiefe aufweist. Selbstverständlich sind auch Ausgestaltungen vorstellbar, bei denen die Variation des Querschnitts durch eine beliebige Kombination der Änderung der Breite sowie der Tiefe der Ringnut in Umfangsrichtung realisiert ist.
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Die Änderung des Querschnitts in Umfangsrichtung verläuft im Allgemeinen beliebig. Es ist beispielsweise vorstellbar, dass der Querschnitt in Umfangsrichtung zumindest bereichsweise kontinuierlich variiert, wobei „kontinuierlich“ hier insbesondere eine stetige Abnahme des Querschnitts bedeutet. Bei weiteren Ausführungsformen kann der Querschnitt in Umfangsrichtung zumindest bereichsweise stufenartig bzw. unstetig variieren.
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Bevorzugt ist die Variation des Querschnitts der Ringnut derart realisiert, dass besagte Druckschwankungen im Schmiermittel in Umfangsrichtung ausgeglichen werden. Ein solcher Ausgleich kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass der Querschnitt ausgehend von einer solchen fluidischen Verbindung, vorzugsweise ausgehend von einer solchen Zuführung, über einen Bereich von zumindest 120°, vorzugsweise zumindest 180°, ganz bevorzugt von zumindest 270° in Drehrichtung des Rotors kontinuierlich abnimmt. Die kontinuierliche Abnahme des Querschnitts der Ringnut ist hierbei vorteilhaft an den in Umfangsrichtung abfallenden Schmiermitteldruck derart angepasst, dass dieser Druckabfall bedingt durch den abnehmenden Querschnitt und das somit verringerte zur Verfügung stehende Volumen, ausgeglichen wird, so dass der Schmiermitteldruck im Bereich der Ringnut in Umfangsrichtung im Wesentlichen gleich ist. Somit kommt es insbesondere zu keinen Schmiermitteldruck-bedingten Bewegungen, insbesondere radialen Bewegungen, des Rotors im Radiallager, so dass einerseits die Stabilität der Rotation des Rotors erhöht und andererseits ein entsprechender Verschleiß des Radiallagers und/oder des Rotors verhindert oder zumindest reduziert sind.
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Erfolgt die Abnahme des Querschnitts in Umfangrichtung auch über eine entsprechende Abnahme der Tiefe der Ringnut, so hat dies insbesondere zur Folge, dass das Radiallager im Bereich der Ringnut einen im Bereich der kontinuierlichen Abnahme des Querschnitts spiralförmigen Querschnitt aufweisen kann.
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Bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen der Querschnitt der Ringnut an einem ersten Ende einer solchen Zuführung maximal ist und in Drehrichtung des Rotors, insbesondere in Richtung eines dem ersten Ende der Zuführung gegenüber liegenden zweiten Endes, abnimmt. Besonders bevorzugt sind hier diejenigen Ausgestaltungen, bei denen das zweite Ende der Zuführung dem ersten Ende in der Rotationsrichtung des Rotors folgt. Das heißt also, dass der Querschnitt der Ringnut ausgehend vom ersten Ende in Rotationsrichtung des Rotors, also ausgehend vom ersten Ende in Richtung des zweiten Endes, abnimmt.
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Im Allgemeinen sind Ausführungsformen denkbar, bei denen die Variation des Querschnitts in Bereichen kontinuierlich bzw. stetig und in anderen Bereichen stufenartig bzw. unstetig verläuft. Der Querschnitt kann etwa ausgehend von einer kontinuierlichen Variation, kontinuierlich oder stufenartig, in einen gleichmäßigen Verlauf des Querschnitts übergehen. Auch kann ein kontinuierlicher Verlauf stufenartig in einen anderen kontinuierlichen Verlauf übergehen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Ringnut in einem an die Verbindung anschließenden Bereich einen im Wesentlichen gleichmäßigen Querschnitt auf, der stufenartig in einen kontinuierlich variierenden Querschnitt übergeht. Die im Bereich der Verbindung im Wesentlichen gleichmäßige Ausbildung des Querschnitts hat, wie schon vorstehend erwähnt, insbesondere zur Folge, dass die Strömung des Schmiermittels im Bereich der fluidischen Verbindung eine Zuführung des Schmiermittels, vereinfacht bzw. gleichmäßig erfolgen kann. Dadurch wird also die Versorgung der Ringnut mit Schmiermittel durch den variierenden Querschnitt der Ringnut nicht oder in einem verringerten Umfang beeinflusst.
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Die Ringnut kann im Bereich der Ringnut eine beliebige Anzahl von solchen fluidischen Verbindungen aufweisen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Radiallager im Bereich der Ringnut zwei solche fluidische Verbindungen, nämlich zwei Zuführungen zum Zuführen des Schmiermittels, aufweist. Diese fluidischen Verbindungen können in der Umfangsrichtung beliebig angeordnet sein. Bevorzugt sind hierbei diejenigen Ausgestaltungen, bei denen die Verbindungen in Umfangsrichtung einen Abstand von im Wesentlichen 270° aufweisen.
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Mittels des Lagergehäuses kann prinzipiell ein beliebiger Rotor drehbar gelagert werden. Beim Rotor kann es sich beispielsweise um eine Welle handeln, die drehbar im Radiallager gelagert ist. Die Welle kann beispielsweise eine solche eines Abgasturboladers sein, die mit einem Turbinenrad und/oder Verdichterrad des Abgasturboladers verbunden ist.
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Das Lagergehäuse kommt vorteilhaft in einem Abgasturbolader zum Einsatz und lagert einen Rotor des Abgasturboladers, beispielsweise eine Welle und/oder eine solche Buchse, drehbar. Bevorzugt sind hierbei diejenigen Ausgestaltungen des Abgasturboladers, bei denen der Querschnitt der Ringnut in einer Rotationsrichtung des Rotors zumindest bereichsweise abnimmt. Das heißt, dass die Rotationsrichtung des Rotors die Richtung der Variation des Querschnitts in Umfangsrichtung des Radiallagers vorgibt.
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Generell kann sich der zweite Umfangsbereich über 0° erstrecken und damit nicht vorhanden sein. Dies stellt einen Sonderfall dar, bei dem sich der erste Umfangsbereich rein theoretisch über den gesamten Kreisumfang, das heißt beginnend und endend bei der Verbindung 17 erstrecken kann.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch
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1 einen Längsschnitt durch einen Abgasturbolader,
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2 einen Querschnitt durch den Abgasturbolader im Bereich einer Ringnut eines Radiallagers,
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3 eine räumliche Ansicht der Ringnut anderer Ausführungsform. Entsprechend 1 weist ein Abgasturbolader 1 einen Verdichter 2 sowie eine hier nicht gezeigte Turbine auf. Der Verdichter 2 weist ein Verdichterrad 3 auf, das mittels einer Verbindungseinrichtung 4 mit einem Rotor 5 drehfest verbunden ist, so dass das Verdichterrad 3 und der Rotor 5 um eine gemeinsame Rotationsachse 6 rotierbar sind. Somit kann die Rotation des Turbinenrades der Turbine auf das Verdichterrad 3 des Verdichters übertragen werden.
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Der Rotor 5 ist mittels einer relativ drehenden Radiallagerbuchse 9 gelagert, die in einem Lagergehäuse 8 des Abgasturboladers 1 angeordnet ist. Der Abstand zwischen zwei Radiallagerbuchsen 9 ist mittels einer Distanzhülse 10 gehalten. Die Radiallagerbuchse 9 grenzt mit ihrer Außenmantelfläche 11 an eine Radiallagerfläche 12 des Lagergehäuses 8 an. In der Radiallagerfläche 12 ist eine ausschließlich in Umfangsrichtung 13 verlaufende Ringnut 14 ausgebildet ist. Die Ringnut 14 ist in Axialrichtung 15 mittig gegenüber der Radiallagerbuchse 9 angeordnet.
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Um das Radiallager 7 mit einem Schmiermittel zu versorgen, weist der Abgasturbolader 1 eine Zuführeinrichtung 16 auf, die das Radiallager 7 mittels einer ersten fluidischen Verbindung, nämlich einer Zuführung 17, mit Schmiermittel versorgt. Eine Abführung 18 des Schmiermittels erfolgt in axialer Richtung zwischen der Welle 5 und der Radiallagerbuchse 9.
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Erfindungsgemäß erstreckt sich die Ringnut 14 ausgehend von der Verbindung 17 in Drehrichtung 21 des Rotors 5 über einen ersten Umfangsbereich 19 und verjüngt sich, wogegen sie sich entgegen der Drehrichtung 21 über einen zweiten Umfangsbereich 24 erstreckt, der kleiner ist als der erste Umfangsbereich 19. Hierdurch kann ein im Wesentlichen gleicher Schmiermitteldruck innerhalb der Ringnut 14 erzeugt werden, der eine außermittige Lage des Rotors 5 verhindert und diesen somit optimal lagert.
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Die Ringnut 14 verläuft dabei ausschließlich in Umfangsrichtung 13, das heißt auf gleicher Axialposition. Der erste Umfangsbereich 19 erstreckt sich über zumindest 120° (vgl. 3), vorzugsweise über zumindest 180° und ganz bevorzugt über zumindest 270°, wie dies beispielsweise in der 2 dargestellt ist. Demgegenüber erstreckt sich der zweite Umfangsbereich (24) über maximal 70°, bevorzugt über maximal 30°, besonders bevorzugt über maximal 15°, wobei sich die Ringnut 14 entgegen der Drehrichtung 21 des Rotors 5 verjüngt. Rein theoretisch kann der zweite Umfangsbereich 24 auch entfallen, das heißt 0° betragen.
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Betrachtet man die 2 und 3, so kann man erkennen, dass eine Tiefe t der Ringnut 14 im ersten Umfangsbereich 19 in Drehrichtung 21 kontinuierlich abnimmt.
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Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass eine Breite b der Ringnut 14 im ersten Umfangsbereich 19 in Drehrichtung 21 kontinuierlich oder gestuft abnimmt, wobei nur gestufte Abnahme in 3 mit unterbrochen gezeichneter Linie dargestellt ist. Die Ringnut 14 kann darüber hinaus ein Breiten/Tiefenverhältnis b/t am ersten Ende 20 der Zuführung 17 von 1/3 < b/t < 3 aufweisen.
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2 zeigt einen Querschnitt des Radiallagers 7 im Bereich der Ringnut 14. Die Ringnut 14 ist dabei asymmetrisch bezüglich der Rotationsachse 6 ausgebildet, was sich dadurch äußert, dass eine bezüglich der Rotationsachse 6 radial verlaufende Tiefe t der Ringnut 14 in Umfangsrichtung 13 im ersten Umfangsbereich 19 über ca. 340° variiert. Ausgehend von einem in Umfangsrichtung 13 ersten Ende 20 der Zuführung 17 nimmt die Tiefe t in Rotationsrichtung 21 des Rotors 5 zunächst kontinuierlich ab, so dass hier eine spiralförmige Ausbildung der Ringnut 14 entsteht. Die kontinuierliche Abnahme der Tiefe t der Ringnut 14 erstreckt sich ausgehend vom ersten Ende 20 der Zuführung 17 über einen Bereich (erster Umfangsbereich 19) von ca. 315° in Umfangsrichtung 13. Der kontinuierlich abnehmende Verlauf der Tiefe t der Ringnut 14 weist anschließend eine Stufe 25 auf, von der aus eine kontinuierliche Zunahme der Tiefe t in Richtung eines in Umfangsrichtung 13 dem ersten Ende 20 gegenüberliegenden zweiten Endes 22 der Ringnut 14 erfolgt. Die Zunahme der Tiefe t zwischen der Stufe 21 und dem zweiten Ende 22, das heißt im zweiten Umfangsbereich 24, erfolgt dabei derart, dass die Tiefe t im Bereich des ersten Endes 20 im Wesentlichen der Tiefe t im Bereich des zweiten Endes 22 entspricht. Das heißt, dass die Ringnut 14 in den der Zuführung 17 benachbarten Bereichen eine im Wesentlichen gleiche Tiefe t aufweist. Die im Bereich der Zuführung 17 im Wesentlichen gleichen Tiefe t der Ringnut 14 führt hierbei dazu, dass das Zuführen des Schmiermittels in den Aufnahmeraum 11 mittels der Ringnut 14 gleichmäßig bzw. vereinfacht erfolgen kann. Die in Rotationsrichtung 21 des Rotors 5 abnehmende Tiefe t führt ferner dazu, dass der bei einer Ringnut 14 mit gleichmäßiger Tiefe t in Rotationsrichtung 21 abnehmende Schmiermitteldruck ausgeglichen wird, so dass der Rotor 5 während seiner Rotation mittig im Radiallager 7 und insbesondere im Radiallagerbuchse 9 angeordnet ist. Dabei kann die Variation der Tiefe t, insbesondere die Abnahme der Tiefe t in Rotationsrichtung 21, an eine Rotationsgeschwindigkeit des Rotors 5 angepasst werden, um einen möglichst optimalen Ausgleich des besagten Druckunterschieds zu erreichen.
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Die in Umfangsrichtung 13 variierende Tiefe t der Ringnut 14 führt dazu, dass ein bezüglich der Rotationsachse 6 radialer Querschnitt 23 der Ringnut 14 in Umfangsrichtung 13 variiert. Der Querschnitt 23 der Ringnut 14 entspricht hierbei also einem Querschnitt 23 der Ringnut 14 entlang seiner Erstreckungsrichtung. Diese Variation des Querschnitts 23 der Ringnut 14 führt hierbei zum besagten Ausgleich des Druckabfalls im Schmiermittel in Rotationsrichtung 21 des Rotors 5.
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In 3 ist eine weitere Möglichkeit zur Variation des Querschnitts 23 der Ringnut 14 gezeigt. Wie in 3 erkennbar ist, kann eine solche Variation des Querschnitts 23 auch dadurch erreicht werden, dass eine in Axialrichtung 15 verlaufende Breite b der Ringnut 14 in Umfangsrichtung 13 variiert und insbesondere in Rotationsrichtung 21 des Rotors 5 abnimmt. Selbstverständlich können hierbei auch sowohl die Tiefe t als auch die Breite b der Ringnut 14 variieren werden, um eine entsprechende Änderung des Querschnitts 23 zu erreichen, wobei der Querschnitt vorteilhaft in Umfangsrichtung 13 entlang der Rotationsrichtung 21 des Rotors 5 zumindest bereichsweise abnimmt. Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Ringnut 14 ein Breiten/Tiefenverhältnis b/t wie folgt auf, 1/3 < b/t < 3, gemessen im Bereich der maximalen Tiefe t der Ringnut 14.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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