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Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Lager mit einem Vorbelastungselement in einem Lagerlaufring.
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Turbolader werden in Motoren verwendet, um Abgasenergie in Schub umzuwandeln, der dem Ansaugsystem des Motors zugeführt wird. Turbolader können dafür verwendet werden, die Motorleistung zu erhöhen oder einen Motor zu verkleinern, während die gleiche Leistung erzeugt wird wie bei einem größeren Saugmotor. Auf diese Weise kann die Motorleistung erhöht werden, und/oder der Motor kann verkleinert werden.
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Turbolader werden mit Turboladerlagern ausgestattet, um eine Turboladerwelle zu stützen und eine Rotation der Welle zu ermöglichen. Turboladerlager können niedrigere Eigenfrequenzen mit höheren Verschiebungen und Auslenkungen haben, wenn die Lager Toleranzen oberhalb eines gewünschten Wertes und/oder eine Vorbelastung unterhalb eines gewünschten Wertes aufweisen. Infolge dessen werden Lärm, Vibrationen und Rauheit (Noise, Vibration, Harshness, NVH) in dem Turbolader verstärkt, wodurch die Gefahr einer Qualitätsminderung des Turboladers steigt.
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US 6,048,101 offenbart ein Lagersystem, das eine Feder enthält, die zwischen zwei Lagern angeordnet ist, wobei jedes Lager einen separaten äußeren und inneren Laufring enthält. Die zwei Lager sind voneinander beabstandet, und die Feder übt eine Vorbelastungskraft auf die separaten Lager aus.
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Der Erfinder hat verschiedene Nachteile bei der in
US 6,048,101 offenbarten Lagerbaugruppe anerkannt. Zum Beispiel kann die Feder die Größe und Komplexität der Lagerbaugruppe erhöhen. Darüber hinaus kann es teuer sein, zwei Lager herzustellen.
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Der Autor der vorliegenden Erfindung hat die oben angesprochenen Probleme erkannt und ein Lager entwickelt, das Folgendes enthält: einen ersten Satz Wälzelemente, einen zweiten Satz Wälzelemente, der von dem ersten Satz Rollen beabstandet ist, einen Laufring, der den ersten und den zweiten Satz Wälzelemente mindestens teilweise umschließt, und ein Vorbelastungselement in dem Laufring zwischen zwei äußeren Sektionen des Laufrings, das Vorbelastungskräfte an den ersten und den zweite Satz Wälzelemente anlegt.
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Auf diese Weise kann das Vorbelastungselement in den Lagerlaufring integriert werden, wodurch die Montage des Lagers vereinfacht wird. Des Weiteren kann das Anordnen des Vorbelastungselements in dem Laufring zwischen zwei äußeren Sektionen zum Anlegen von Vorbelastungskräften die Komplexität des Lagers im Vergleich zu Lagern verringern, die zusätzlich Elemente enthalten können, die eine Vorbelastungskraft ausüben. Infolge dessen erhöht sich die Zuverlässigkeit des Lagers, und die Fertigungs- und/oder Reparaturkosten des Lagers verringern sich. Das Vorbelastungselement kann auch die Wahrscheinlichkeit einer Wärmeausdehnung des Lagers und die sich daraus ergebenden qualitätsverschlechternden Auswirkungen einer solchen Ausdehnung verringern.
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Die oben genannten Vorteile sowie weitere Vorteile und Merkmale der vorliegende Beschreibung werden ohne Weiteres aus der folgenden detaillierten Beschreibung erkennbar, wenn sie allein oder in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen gelesen wird.
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Es versteht sich, dass die obige Kurzdarstellung dazu dient, in vereinfachter Form eine Auswahl von Konzepten vorzustellen, auf die in der detaillierten Beschreibung ausführlicher eingegangen wird. Sie dient nicht dazu, Haupt- oder Wesensmerkmale des beanspruchten Gegenstandes herauszustellen, dessen Geltungsbereich durch die Ansprüche, die sich an die detaillierte Beschreibung anschließen, eindeutig definiert wird. Des Weiteren ist der beanspruchte Gegenstand nicht auf Implementierungen beschränkt, die Nachteile beseitigen, die oben oder in irgendeinem Teil dieser Offenbarung genannt sind. Des Weiteren sind die oben angesprochenen Probleme vom Autor der vorliegenden Erfindung erkannt worden, und es wird nicht zugestanden, dass diese bereits bekannt seien.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Motors;
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2 zeigt ein erstes beispielhaftes Turboladerlager, das in einen Turbolader in dem in 1 gezeigten Motor eingebaut werden kann;
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3 zeigt einen inneren Laufring, der in das in 2 gezeigte Turboladerlager eingebaut werden kann;
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4 zeigt ein zweites beispielhaftes Turboladerlager, das in einen Turbolader in dem in 1 gezeigten Motor eingebaut werden kann;
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5 zeigt einen beispielhaften äußeren Laufring, der in den in 4 gezeigten Turboladerlager eingebaut werden kann;
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6 zeigt einen beispielhaften Turbolader, der in den in 1 gezeigten Motor eingebaut werden kann, wobei der Turbolader das in 4 gezeigte Turboladerlager enthält;
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7 zeigt ein Verfahren zum Betreiben eines Turboladers; und
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8 zeigt ein weiteres beispielhaftes Turboladerlager, das in den Turbolader in dem in 1 gezeigten Motor eingebaut werden kann.
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Im vorliegenden Text wird ein Lager besprochen, das ein Vorbelastungselement in einem Lagerlaufring enthält. Das Vorbelastungselement übt eine Vorbelastungskraft auf zwei Sätze von Wälzelementen in dem Lager aus, um Nachgiebigkeit und Spiel in dem Lager zu verringern. Auf diese Weise kann ein einzelner Laufring dafür verwendet werden, um zwei Reihen von Lagern zu führen sowie eine Vorbelastungskraft auszuüben. Das Vorbelastungselement kann eine Schraubenfeder sein, die gespant, gegossen oder auf sonstige Weise mit dem Laufring hergestellt wird. Die Anwendung des Vorbelastungselements reduziert die Größe und Komplexität des Lagers. Außerdem kann der Montageprozess vereinfacht werden, wenn das Vorbelastungselement in den Laufring integriert wird. Infolge dessen wird die Zuverlässigkeit des Lagers verbessert, und die Fertigungs- und Reparaturkosten des Lagers werden gesenkt.
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1 zeigt ein Schaubild eines Motors 10, der in ein Antriebssystem eines Fahrzeugs 100 integriert ist. Der Motor 10 kann mindestens teilweise durch ein Steuerungssystem, das den Regler 12 enthält, und durch Eingaben eines Fahrzeuglenkers 132 über eine Eingabevorrichtung 130 gesteuert werden. In diesem Beispiel enthält die Eingabevorrichtung 130 ein Gaspedal und einen Pedalstellungssensor 134 zum Generieren eines proportionalen Pedalstellungssignal PP. Der Zylinder (d. h. der Brennraum) 30 des Motors 10 kann (nicht gezeigte) Brennraumwände mit einem darin positionierten (nicht gezeigten) Kolben enthalten.
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Ein Ansaugsystem 150 und ein Abgassystem 152 in Strömungsverbindung mit dem Motor 10 sind ebenfalls in 1 gezeigt. Es versteht sich jedoch, dass in einigen Beispielen das Ansaugsystem 150 und/oder das Abgassystem 152 in den Motor 10 integriert werden können.
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Das Abgassystem 152 enthält einen Abgasdurchgang, der über den Pfeil 154 kenntlich gemacht ist (zum Beispiel einen Abgaskrümmer), und eine Emissionssteuervorrichtung 70. Der Pfeil 156 bezeichnet einen Abgasdurchgang, der mit einem Auslass der Emissionssteuervorrichtung 70 gekoppelt ist. Es versteht sich, dass die Emissionssteuervorrichtung 70 entlang dem Abgasdurchgang 154 angeordnet sein kann. Die Emissionssteuervorrichtung 70 ist stromabwärts eines Abgassensors 126 positioniert. Die Emissionssteuervorrichtung 70 kann ein Dreiwegkatalysator (Three Way Catalyst, TWC), ein Stickoxidfänger, verschiedenen andere Emissionssteuervorrichtungen oder Kombinationen davon sein. In einigen Beispielen kann die Emissionssteuervorrichtung 70 eine erste von mehreren Emissionssteuervorrichtungen sein, die in dem Abgassystem angeordnet sind. In einigen Beispielen kann die Emissionssteuervorrichtung 70 während des Betriebes des Motors 10 periodisch zurückgesetzt werden, indem mindestens ein Zylinder des Motors innerhalb einer bestimmten Kraftstoff-Luft-Verhältnisses betrieben wird.
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Der Motor 10 enthält mindestens einen Zylinder 30. Der Zylinder 30 enthält ein Einlassventil 52 und ein Auslassventil 54. Jedoch kann der Zylinder 30 in anderen Beispielen auch zwei oder mehr Einlassventile und/oder zwei oder mehr Auslassventile enthalten. Das Einlassventil 52 ist dafür konfiguriert, sich zyklisch zu öffnen und zu schließen, um Ansaugluft von dem Ansaugsystem 150 zu dem Zylinder 30 strömen zu lassen oder zu blockieren. Gleichermaßen ist das Auslassventil 54 dafür konfiguriert, sich zyklisch zu öffnen und zu schließen, um Abgas von dem Zylinder 30 zu dem Abgassystem 152 strömen zu lassen oder zu blockieren. Die Ventile können durch Nocken betätigt werden. Gewünschtenfalls kann eine variable Nockensteuerung in dem Motor 10 verwendet werden. Jedoch kann in anderen Beispielen auch eine elektronische Ventilbetätigung dafür verwendet werden, mindestens eines des Einlassventils 52 und des Auslassventils 54 zu betätigen.
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Der Kraftstoffinjektor 66 ist mit dem Zylinder 30 gekoppelt dargestellt, wodurch eine sogenannte Kraftstoffdirekteinspritzung in den Zylinder erfolgt. Der Kraftstoffinjektor 66 kann Kraftstoff proportional zur Impulsbreite des Signals FPW, das vom Regler 12 kommend über die elektronische Ansteuervorrichtung 68 empfangen wurde, einspritzen. In einigen Beispielen kann der Zylinder 30 alternativ oder zusätzlich einen Kraftstoffinjektor enthalten, der mit einem Abgaskrümmer stromaufwärts des Einlassventils 52 in einer Weise gekoppelt ist, die als Port-Kraftstoffeinspritzung bekannt ist.
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Die Zündanlage 88 kann einen Zündfunken für den Zylinder 30 über eine Zündkerze 92 in Reaktion auf das Zündverstellsignal SA vom Regler 12 unter ausgewählten Betriebsmodi bereitstellen. Obgleich Funkenzündungskomponenten gezeigt sind, können in einigen Beispielen der Zylinder 30 oder ein oder mehrere andere Brennräume des Motors 10 in einem Kompressionszündmodus mit oder ohne Zündfunken betrieben werden.
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Der Abgassensor 126 ist mit dem Abgasdurchgang 154 des Abgassystems 152 stromaufwärts der Emissionssteuervorrichtung 70 gekoppelt dargestellt. Der Sensor 126 kann jeder geeignete Sensor zum Ausgeben eines Hinweises zum Abgas-Kraftstoff-Luft-Verhältnis sein, wie zum Beispiel ein linearer Sauerstoffsensor oder UEGO (Universal oder wide-range Exhaust Gas Oxygen), einen Zweizustandssauerstoffsensor oder EGO, ein HEGO (Heated EGO), ein NOx-, HC- oder CO-Sensor. In einigen Beispielen kann der Abgassensor 126 ein erster von mehreren Abgassensoren sein, die in dem Abgassystem angeordnet sind. Zum Beispiel können zusätzliche Abgassensoren stromabwärts der Emissionssteuervorrichtung 70 angeordnet sein.
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Der Regler 12 ist in 1 als ein Mikrocomputer gezeigt, der Folgendes enthält: eine Mikroprozessoreinheit 102, Eingabe/Ausgabe-Ports 104, ein elektronisches Speichermedium für ausführbare Programme und Kalibrierungswerte, das in diesem konkreten Beispiel als Nurlesespeicher 106 (zum Beispiel Speicherchip) gezeigt ist, einen Direktzugriffsspeicher 108, einen Aktivhaltespeicher 110 und einen Datenbus. Der Regler 12 kann verschiedene Signale von Sensoren empfangen, die in dem Motor 10 enthalten sind, wie zum Beispiel ein Absolut-Krümmerdrucksignal (MAP) von Sensor 122. Es versteht sich, dass der Regler 12 in anderen Beispielen Signale von zusätzlichen Sensoren empfangen kann, wie zum Beispiel einem Drosselklappenpositionssensor, einem Motortemperatursensor, einem Motordrehzahlsensor usw.
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Während des Betriebes durchläuft der Zylinder 30 in dem Motor 10 in der Regel einen Viertaktzyklus. Der Zyklus enthält den Ansaugtakt, den Verdichtungstakt, den Arbeitstakt und den Auslasstakt. In einem Mehrzylindermotor kann der Viertaktzyklus in zusätzlichen Brennräumen ausgeführt werden. Während des Ansaugtaktes öffnet sich allgemein das Auslassventil 54, und das Einlassventil 52 öffnet sich. Luft gelangt in den Zylinder 30 zum Beispiel über einen Ansaugkrümmer, und der Kolben bewegt sich zum unteren Ende des Brennraums, so dass sich das Volumen innerhalb des Zylinders 30 vergrößert. Die Position, bei der sich der Kolben nahe dem unteren Ende des Brennraums und am Ende seines Hubes befindet (wenn zum Beispiel der Zylinder 30 sein größtes Volumen hat), wird in der Regel vom Fachmann als unterer Totpunkt (UT) bezeichnet. Während des Verdichtungstaktes sind das Einlassventil 52 und das Auslassventil 54 geschlossen. Der Kolben bewegt sich in Richtung des Zylinderkopfes, so dass die Luft innerhalb des Zylinders 30 verdichtet wird. Der Punkt, wo sich der Kolben am Ende seines Hubes und am nächsten beim Zylinderkopf befindet (wenn zum Beispiel der Zylinder 30 sein kleinstes Volumen hat), wird in der Regel vom Fachmann als oberer Totpunkt (OT) bezeichnet. In einem Prozess, der im Weiteren als Einspritzung bezeichnet wird, wird Kraftstoff in den Brennraum eingeleitet. In einem Prozess, der im Weiteren als Zündung bezeichnet wird, wird der eingespritzte Kraftstoff durch bekannte Zündvorrichtungen, wie zum Beispiel eine Zündkerze 92, gezündet, was zur Verbrennung führt. Zusätzlich oder alternativ kann eine Verdichtung dafür verwendet werden, das Kraftstoff-Luft-Gemisch zu zünden. Während des Arbeitstaktes schieben die sich ausdehnenden Gase den Kolben zurück zu UT. Eine Kurbelwelle kann die Kolbenbewegung in ein Drehmoment der rotierenden Welle umwandeln. Und zum Schluss, während des Auslasstaktes, öffnet sich das Auslassventil 54, um das verbrannte Kraftstoff-Luft-Gemisch an einen Abgaskrümmer auszulassen, und der Kolben kehrt zu OT zurück. Es ist zu beachten, dass das oben Dargelegte lediglich als ein Beispiel beschrieben ist und dass die Steuerzeiten zum Öffnen und/oder Schließen des Einlass- und Auslassventils variieren können, wie zum Beispiel zum Herbeiführen einer positiven oder negativen Ventilüberlappung, eines verzögerten Schließens des Einlassventils, oder verschiedene andere Beispiele. Zusätzlich oder alternativ kann eine Verdichtungszündung in dem Zylinder 30 implementiert werden.
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Das Ansaugsystem 150 enthält des Weiteren einen Verdichter 160. Der Verdichter 160 kann in einen Turbolader 162 eingebaut sein, der außerdem eine Turbine 164 aufweist, die in dem Abgassystem 152 angeordnet ist. Wie gezeigt, ist die Turbine 164 stromaufwärts der Emissionssteuervorrichtung 70 positioniert. Jedoch kann die Turbine 164 in anderen Beispielen auch stromabwärts der Emissionssteuervorrichtung angeordnet sein. Ein durch den Pfeil 165 bezeichneter Abgaskanal ermöglicht eine Strömungsverbindung zwischen der Turbine 164 und der Emissionssteuervorrichtung 70. Der Pfeil 167 bezeichnet den Abgasstrom von der Emissionssteuervorrichtung 70 in die Umgebung. Jedoch können in anderen Beispielen auch weitere Komponenten, wie zum Beispiel Emissionssteuervorrichtungen, Leitungskanäle, Turbinen usw. stromabwärts der Emissionssteuervorrichtung 70 angeordnet sein.
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Der Turbolader 162 enthält außerdem eine Antriebswelle 166, die den Verdichter 160 mechanisch mit der Turbine 164 koppelt. Die Antriebswelle 166 wird durch ein Turboladerlager 170 gestützt. Das Turboladerlager 170 ermöglicht auch die Drehung der Antriebswelle 166. Das Turboladerlager 170 kann als ein Lager bezeichnet werden und kann in alternativen Anwendungen verwendet werden, die im vorliegenden Text noch ausführlicher erörtert werden. Das Turboladerlager 170 kann ein Vorbelastungselement 206 (zum Beispiel eine Feder), in 2 gezeigt, in dem Lager enthalten. Genauer gesagt, kann sich das Vorbelastungselement in einem inneren Laufring oder einem äußeren Laufring des Lagers befinden. Somit kann das Vorbelastungselement in einigen Beispielen in den Lagerlaufring integriert oder auf sonstige Weise eingebunden werden.
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Das Ansaugsystem 150 kann des Weiteren einen Filter 172 enthalten. Der Filter empfängt Umgebungsluft aus der Umgebung, wie durch den Pfeil 174 bezeichnet. Das Ansaugsystem 150 enthält des Weiteren eine Drosselklappe 176, die stromabwärts des Verdichters 160 angeordnet ist. Es sind jedoch auch andere geeignete Drosselklappenpositionen in Betracht gezogen worden. Ein mit einem Pfeil 178 bezeichneter Ansaugkanal ermöglicht eine Strömungsverbindung zwischen dem Filter 172 und dem Verdichter 160. Ein mit einem Pfeil 180 bezeichneter Ansaugkanal ermöglicht eine Strömungsverbindung zwischen dem Verdichter 160 und dem Einlassventil 52. In einigen Beispielen kann der Ansaugkanal 180 mit einem Ansaugkrümmer in Strömungsverbindung stehen, der Ansaugluft über das Einlassventil 52 zu dem Zylinder 30 führt.
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2 zeigt eine Querschnittsansicht eines beispielhaften Turboladerlagers 170. Das Turboladerlager enthält einen inneren Laufring 200 und einen äußeren Laufring 202. Der innere Laufring 200 enthält eine Außenfläche 204 in stirnflächenteilendem Kontakt mit der Antriebswelle 166. Eine Drehachse 205 der Antriebswelle 166 ist gezeigt.
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Das Turboladerlager 170 enthält des Weiteren ein Vorbelastungselement 206. Das Vorbelastungselement 206 kann mindestens teilweise die Antriebswelle 166 umschließen. Das Vorbelastungselement 206 befindet sich in einem Lagerlaufring. Genauer gesagt, befindet sich in dem gezeigten Beispiel das Vorbelastungselement 206 in dem äußeren Laufring 202. Jedoch befindet sich in anderen Beispielen, wie zum Beispiel dem in 4 gezeigten Beispiel, das Vorbelastungselement 206 in dem inneren Laufring 200. Das Integrieren des Vorbelastungselements 206 in den Lagerlaufring vereinfacht die Montage des Lagers und reduziert die Komplexität des Lagers im Vergleich zu Lagern, die zusätzlich Elemente enthalten können, die eine Vorbelastungskraft ausüben. Infolge dessen wird die Zuverlässigkeit des Lagers erhöht, und die Fertigungs- und/oder Reparaturkosten des Lagers werden verringert. Das Vorbelastungselement kann auch die Wahrscheinlichkeit einer Wärmeausdehnung des Turboladers verringern. Außerdem kann, wenn das Vorbelastungselement 206 in den Lagerlaufring integriert wird, das Lager gewünschtenfalls auch ohne externe Last gehalten werden. Somit können die Gewinde von Turbine und Verdichterrotor gewünschtenfalls einfach ihren eigene Verbindung halten.
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Das Vorbelastungselement 206 ist schematisch in 3 dargestellt. Es versteht sich jedoch, dass eine Anzahl geeigneter Vorbelastungselemente in Betracht gezogen wurden, wie zum Beispiel eine Schraubenfeder.
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Das Turboladerlager 170 enthält des Weiteren einen ersten Satz Wälzelemente 208 und einen zweiten Satz Wälzelemente 210. Somit kann das Turboladerlager in einigen Beispielen 170 als ein Doppelreihenlager bezeichnet werden. Die Wälzelemente in dem ersten und dem zweiten Satz Wälzelemente sind Lagerkugeln. Es sind jedoch auch andere geeignete Arten von Wälzelementen in Betracht gezogen worden, wie zum Beispiel Zylinderrollen, Kegelrollen usw. Es versteht sich, dass die Wälzelemente Lagerkugeln enthalten können. Der erste Satz Wälzelemente 208 befindet sich neben dem Verdichter 160, wie in 1 gezeigt, und der zweite Satz Wälzelemente 210 befindet sich neben der Turbine 164, wie in 1 gezeigt. Jedoch befindet sich in anderen Beispielen der erste Satz Wälzelemente 208 neben der Turbine, und der zweite Satz Wälzelemente 210 befindet sich neben dem Verdichter. Wie gezeigt, erstreckt sich der äußere Laufring 202 axial von dem ersten Satz Wälzelemente 208 zu dem zweiten Satz Wälzelemente 210. Der innere Laufring 200 erstreckt sich axial über den ersten Satz Wälzelemente 208 und den zweiten Satz Wälzelemente 210 hinaus.
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Der innere Laufring 200 umschließt mindestens teilweise den ersten Satz Wälzelemente 208 und den zweiten Satz Wälzelemente 210. Gleichermaßen umschließt der äußere Laufring 202 mindestens teilweise den ersten Satz Wälzelemente 208 und den zweiten Satz Wälzelemente 210. Der innere Laufring 200 bildet ein durchgängiges Materialstück. Gleichermaßen bildet der äußere Laufring 202 ein durchgängiges Materialstück.
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Pfeile 212 bezeichnen die durch das Vorbelastungselement 206 erzeugte Vorbelastungskraft. Die Vorbelastungskraft verläuft in einer einwärtigen Richtung (zum Beispiel einer einwärtigen axialen Richtung). Somit kann eine Kraft auf den ersten Satz Wälzelemente 208 in einer Richtung ausgeübt werden, die von dem Verdichter 160, wie in 1 gezeigt, fort weist, und eine Kraft kann auf den zweiten Satz Wälzelemente 210 in einer Richtung ausgeübt werden, die von der Turbine 164, wie in 1 gezeigt, fort weist. Somit kann die Richtung der Vorbelastungskraft parallel zur Drehachse 205 verlaufen.
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Es versteht sich, dass, wenn das Turboladerlager 170 zusammengesetzt wird, das Vorbelastungselement gereckt (zum Beispiel axial gedehnt, in axiale Spannung versetzt) wird. Das Recken des Vorbelastungselements führt zum Ausüben einer Vorbelastungskraft auf den inneren Laufring 200 und die Komponenten, die den inneren Laufring 200 umgeben. Es versteht sich, dass, wenn eine Vorbelastungskraft in dem Lagerlaufring ausgeübt wird, dies eine Auslenkung der Antriebswelle 166 reduziert, wodurch Lärm, Vibrationen und Rauheit in dem Turbolader reduziert werden und die Zuverlässigkeit des Turboladers erhöht wird.
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Der innere Laufring 200 und/oder der äußere Laufring 202 können Stahl (zum Beispiel UNS G52986, UNS G86200, M50, M50 NiL usw.) und/oder Keramik, wie zum Beispiel Siliziumnitrid, umfassen. Für Anwendungen mit geringerer Temperatur-, Drehzahl- und/oder Dehnungsbelastung können der innere und der äußere Laufring zum Beispiel Verbundwerkstoffe oder Polymere umfassen. In einem Beispiel können der innere Laufring 200 und der äußere Laufring 202 ähnliche Materialien umfassen. Jedoch können in anderen Beispielen der innere Laufring 200 und der äußere Laufring 202 unterschiedliche Materialien umfassen. Die Sektion des Laufrings, die das Vorbelastungselement 206 enthält, kann in einigen Beispielen eine geringere Härte und eine höhere Duktilität aufweisen.
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3 zeigt einen beispielhaften inneren Laufring 200, der in dem in 2 gezeigten beispielhaften Turboladerlager 170 enthalten ist. Der innere Laufring 200 umfasst ein durchgängiges Materialstück. Es sind jedoch auch andere Geometrien und Konfigurationen für den inneren Laufring in Betracht gezogen worden.
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Wie veranschaulicht, ist das Vorbelastungselement 206 eine Schraubenfeder, die in den inneren Laufring 200 integriert ist. Es versteht sich, dass das Vorbelastungselement 206 in anderen Beispielen mindestens eine Schraubenfeder enthalten kann. Die in 3 gezeigte Schraubenfeder 206 enthält einen ersten Windungsanfang 300 und einen zweiten Windungsanfang 302. Die Verwendung mehrerer Windungsanfänge in der Schraubenfeder kann Lasten ausgleichen (zum Beispiel umfänglich ausgleichen).
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Jedoch ist auch eine Schraubenfeder mit einer anderen Anzahl von Windungsanfängen in Betracht gezogen worden. Zum Beispiel braucht die Schraubenfeder in anderen Beispielen nur einen einzigen Windungsanfang zu haben oder kann mehr als zwei Windungsanfänge haben. Genauer gesagt, bilden der erste Windungsanfang 300 und der zweite Windungsanfang 302 in dem gezeigten Beispiel eine Doppelhelixform. Es sind jedoch auch andere Windungsanfangsgeometrien in Betracht gezogen wurden.
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Eine Außenfläche 303 eines jeden der Windungsanfänge ist axial ausgerichtet. Außerdem übersteigt der Radius der Außenflächen 303 in dem gezeigten Beispiel nicht einen Radius anderer Flächen in dem inneren Laufring 200. Jedoch kann in anderen Beispielen der Radius der Außenflächen 303 größer sein als andere Flächen an dem inneren Laufring 200.
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In dem gezeigten Beispiel umschreibt jede der Windungen mindestens einmal eine Mittelachse 320 des inneren Laufrings 200. Somit erstrecken sich die Windungen mindestens 360 Grad um die Mittelachse 32. Der Mittenabstand 312 der Windungen kann konstant und/oder im Wesentlichen gleich sein. Jedoch kann in anderen Beispielen der Mittenabstand der Windungen auch von Windung zu Windung verschieden sein und kann entlang der Länge der Windung variieren. Es versteht sich, dass der Mittenabstand und/oder die Anzahl der Windungen so gewählt werden können, dass ein gewünschter Betrag an Elastizität, Härte, Federrate usw. in der Schraubenfeder erreicht wird.
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Der innere Laufring 200 enthält des Weiteren einen mittigen Hohlraum 304. Der mittige Hohlraum kann sich axial von einem ersten Ende 306 des inneren Laufrings 200 zu einem zweiten Ende 308 des inneren Laufrings erstrecken. Jedoch braucht sich in anderen Beispielen der mittige Hohlraum 304 auch nur teilweise durch den inneren Laufring 200 hindurch zu erstrecken.
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Der innere Laufring 200 enthält gekrümmte Sektionen 310, die den ersten und den zweiten Satz Wälzelemente (208 und 210) teilweise umschließen. Außerdem versteht es sich, dass die gekrümmten Sektionen 310 in Kontakt mit den Wälzelementen stehen können. Gekrümmte Sektionen des äußeren Laufrings 200, wie in 2 gezeigt, können ebenfalls in Kontakt mit den Wälzelementen stehen. Außerdem kann eine Schmiermittelschicht (zum Beispiel Öl) zwischen den Wälzelementen und den gekrümmten Sektionen angeordnet sein.
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Auch hier bezeichnen Pfeile 212 die einwärtige axiale Kraft, die durch den inneren Laufring 200 erzeugt wird, wenn der innere Laufring in das Turboladerlager 170, wie in 2 gezeigt, montiert und gereckt wird. Genauer gesagt, können die gekrümmten Sektionen 310 eine Kraft auf die Sätze von Wälzelementen (208 und 210), wie in 2 gezeigt, ausüben.
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4 zeigt eine Querschnittsansicht eines weiteren beispielhaften Turboladerlagers 170. Das in 4 gezeigte Turboladerlager enthält das Vorbelastungselement 206 in dem äußeren Laufring 202 des Turboladerlagers 170. Pfeile 400 bezeichnen die nach außen gerichtete Kraft, die durch das Vorbelastungselement 206 erzeugt wird. Es versteht sich, dass die Vorbelastungskraft auf den ersten Satz Wälzelemente 208 und den zweiten Satz Wälzelemente 210 ausgeübt werden kann. Es versteht sich, dass das Vorbelastungselement 206 während der Montage axial komprimiert werden kann, um diese Vorbelastungskraft bereitzustellen. Die Antriebswelle 166 und der innere Laufring 200 sind in 4 ebenfalls gezeigt.
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5 zeigt ein beispielhaftes Vorbelastungselement 206, das in das in 4 gezeigte Turboladerlager 170 eingebaut werden kann. Genauer gesagt, befindet sich das Vorbelastungselement 206 in dem äußeren Laufring 202. Das in 5 gezeigte Vorbelastungselement 206 ist eine Schraubenfeder, die einen einzigen Windungsanfang 500 enthält. Der erste Satz Wälzelemente 208 und der zweite Satz Wälzelemente 210 sind ebenfalls in 5 gezeigt.
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In einigen Beispielen kann das Vorbelastungselement (zum Beispiel eine Schraubenfeder) vor der Endbearbeitung maschinell in den Laufring eingearbeitet werden, oder es kann Elektroerosion (Electrical Discharge Machining, EDM) zur Herstellung der Schraubenfeder in einem ansonsten fertigen Laufring verwendet werden. In einem weiteren Beispiel kann das Vorbelastungselement induktionsgetempert werden, um die Duktilität zu erhöhen. Das EDM und/oder das Induktionstempern können mittels geeigneter Maschinen ausgeführt werden.
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In einem weiteren Beispiel kann das Turboladerlager 170 mehrere Vorbelastungselemente enthalten, wobei jeweils ein Vorbelastungselement im inneren und im äußeren Laufring enthalten ist. Auf diese Weise können axiale Kompression sowie Expansion eine Vorbelastungskraft erzeugen.
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6 zeigt einen beispielhaften Turbolader 162 und das beispielhafte Turboladerlager 170, die zuvor in 4 gezeigt wurden. Das Turboladerlager 170 enthält das Vorbelastungselement 206. In einigen Beispielen braucht der Turbolader 162 gewünschtenfalls keine zusätzlichen Vorbelastungskomponenten zu enthalten. Der Turbolader 162 enthält ein Gehäuse 600. Der Verdichter 160 und die Turbine 164 sind ebenfalls in 6 gezeigt. Der Verdichter 160 enthält einen Verdichterrotor 602. Außerdem enthält die Turbine 164 einen Turbinenrotor 604. Ein Schmierungsdurchgang 606 erstreckt sich durch das Gehäuse 600. Der Schmierungsdurchgang 606 kann in Strömungsverbindung mit einem Schmierungssystem stehen, das in dem in 1 gezeigten Motor 10 enthalten ist. Der Schmierungsdurchgang 606 mündet in das Vorbelastungselement 206, das in dem Beispiel in 6 eine Schraubenfeder ist. Genauer gesagt, mündet ein Schmierungsauslass 607 in das Vorbelastungselement 206. Auf diese Weise kann Schmiermittel durch die Schraubenfeder zu dem ersten Satz Wälzelemente 208 und dem zweiten Satz Wälzelemente 210 und zwischen dem inneren Laufring 200 und dem äußeren Laufring 202 fließen.
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In einigen Beispielen brauchen der Verdichterrotor 602 und/oder der Turbinenrotor 604 nicht mit der Antriebswelle 166 über Gewinde gekoppelt zu sein. In einem solchen Beispiel kann eine Befestigungsvorrichtung, wie zum Beispiel ein Presssitzring, ein Sicherungsring (zum Beispiel Sprengring) oder eine Schweißnaht, den Verdichterrotor 602 und/oder Turbinenrotor 604 an die Antriebswelle 166 koppeln. Jedoch können in anderen Beispielen auch Gewinde verwendet werden, um den Verdichter- und den Turbinenrotor an die Antriebswelle zu koppeln.
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Ein Sicherungselement 608 ist ebenfalls in dem in 6 gezeigten Turbolader 162 enthalten. Das Sicherungselement 608 steht in dem gezeigten Beispiel in stirnflächenteilendem Kontakt mit einer Außenfläche 610 des äußeren Laufrings 202. Das Sicherungselement 608 ist dafür konfiguriert, die axiale Bewegung des Turboladerlagers 170 zu verringern. In dem gezeigten Beispiel enthält das Sicherungselement 608 mindestens einen Sicherungsstift. Es sind jedoch auch andere geeignete Sicherungselemente in Betracht gezogen worden.
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7 zeigt ein Verfahren 700 zum Betreiben eines Turboladers. Das Verfahren 700 kann durch den Turbolader, der oben mit Bezug auf die 1–6 gesprochen wurde, oder einen anderen geeigneten Turbolader implementiert werden.
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Bei 702 enthält das Verfahren das Anlegen einer Vorbelastungskraft an einen ersten und einen zweiten Satz Wälzelemente in einem Turboladerlager über ein Vorbelastungselement, das in einen Lagerlaufring in dem Turboladerlager integriert wurde.
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Bei 704 enthält das Verfahren das Drehen einer Turboladerantriebswelle, die mit dem Turboladerlager gekoppelt ist, während des Anlegens der Vorbelastungskraft. In einem Beispiel enthält das Vorbelastungselement mindestens eine Schraubenfeder. In einem solchen Beispiel enthält das Verfahren bei 706 das Einleiten von Schmieröl durch die Schraubenfeder zu einer Grenzfläche zwischen dem Lagerlaufring und dem ersten und dem zweiten Satz Wälzelemente. Es versteht sich, dass Schritt 706 in einem Lager implementiert werden kann, in dem das Vorbelastungselement in den äußeren Laufring integriert ist. Des Weiteren kann in einem weiteren Beispiel, wenn die Schraubenfeder in einen inneren Laufring integriert wird, Schmiermittel durch einen äußeren Laufring eingeleitet werden.
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Des Weiteren ist in einem Beispiel der Lagerlaufring ein äußerer Laufring, und die Vorbelastungskraft wird in einer auswärtigen Richtung angelegt. In einem weiteren Beispiel ist der Lagerlaufring ein innerer Laufring, und die Vorbelastungskraft wird in einer einwärtigen Richtung angelegt.
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Obgleich das Turboladerlager oben mit Bezug auf Turboladeranwendungen in einem Motor besprochen wurde, versteht es sich, dass das Lager auch in anderen Anwendungen verwendet werden kann, wie zum Beispiel Getrieben, Antriebssträngen, Getriebesträngen, Flugzeugturbinen-Getriebesträngen, Turbomaschinen und/oder Maschinenantrieben und -spindeln.
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8 zeigt ein weiteres beispielhaftes Lager 170, das in einer Getriebestranganwendung enthalten ist, wobei die Zeichnung maßstabsgerecht ist (obgleich auch andere relative Abmessungen verwendet werden können). Der erste Satz Wälzelemente 208 und der zweiten Satz Wälzelemente 210 sind in 8 als Zylinderrollen gezeigt. Das Vorbelastungselement 206 ist ebenfalls in 8 gezeigt. Genauer gesagt, ist das Vorbelastungselement 206 eine vorbelastete „Stauchhülsen“-Feder. Es sind jedoch auch andere Arten von Vorbelastungselemente in Betracht gezogen worden. Das Vorbelastungselement 206 ist in den inneren Laufring 200 integriert. Der äußere Laufring 202 ist ebenfalls in 8 gezeigt. Ein Getriebezahnrad 800 ist mit dem inneren Laufring 200 gekoppelt. In 8 ist auch eine Sicherungsmutter 802 gezeigt, die mit dem inneren Laufring 200 gekoppelt ist. Die Sicherungsmutter 802 ist dafür konfiguriert, das Vorbelastungselement 206 zu belasten. In anderen Beispielen kann ein Sprengring anstelle der Sicherungsmutter verwendet werden. Wenn ein Sprengring in dem Getriebestrang verwendet wird, so kann gewünschtenfalls auf die Verwendung von großen Muttern, Gewinden und/oder Verkerbungen verzichtet werden. Es versteht sich, dass Sprengringe und Nuten robuster sein können als Zahnradgewinde (zum Beispiel gehärtete oder maskierte Zahnradgewinde).
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Es ist zu beachten, dass die im vorliegenden Text enthaltenen beispielhaften Steuerungs- und Schätzungsroutinen mit verschiedenen Motor- und/oder Fahrzeugsystemkonfigurationen verwendet werden können. Die im vorliegenden Text konkret beschriebenen Routinen können eine oder mehrere aus einer beliebigen Anzahl von Verarbeitungsstrategien repräsentieren, wie zum Beispiel ereignisgesteuert, interruptgesteuert, Multitasking, Multithreading und dergleichen. Das heißt, verschiedene veranschaulichte Handlungen, Operationen oder Funktionen können in der veranschaulichten Reihenfolge oder parallel ausgeführt werden oder in einigen Fällen auch weggelassen werden. Gleichermaßen ist die Reihenfolge der Verarbeitung nicht unbedingt erforderlich, um die Merkmale und Vorteile der im vorliegenden Text beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen zu realisieren, sondern ist nur zur einfacheren Veranschaulichung und Beschreibung dargestellt. Eine oder mehrere der veranschaulichten Handlungen und Funktionen können je nach der konkret verwendeten Strategie wiederholt ausgeführt werden. Des Weiteren können die beschriebenen Handlungen auf anschauliche Weise Code repräsentieren, der in das computerlesbare Speichermedium in dem Motorsteuerungssystem einprogrammiert wird.
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Es versteht sich, dass die im vorliegenden Text offenbarten Konfigurationen und Verfahren von beispielhafter Art sind und dass diese konkreten Ausführungsformen nicht in einem einschränkenden Sinn verstanden werden dürfen, weil zahlreiche Variationen möglich sind. Zum Beispiel kann die oben beschriebene Technologie auch auf V6-, I4-, I6- und V12-Motoren anstelle von 4-Zylinder- und anderen Motortypen angewendet werden. Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung enthält alle neuartigen und nicht-offensichtlichen Kombinationen und Teilkombinationen der verschiedenen Systeme und Konfigurationen und anderen Merkmale, Funktionen und/oder Eigenschaften, die im vorliegenden Text offenbart wurden.
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Die folgenden Ansprüche stellen bestimmte Kombinationen und Teilkombinationen heraus, die als neuartig und nicht-offensichtlich angesehen werden. In diesen Ansprüchen kann von „einem“ Element oder „einem ersten“ Element oder vergleichbaren Phrasen gesprochen werden. Diese Ansprüche sind so zu verstehen, dass sie die Aufnahme eines oder mehrerer solcher Elemente enthalten, ohne dass zwei oder mehr solche Elemente erforderlich oder ausgeschlossen sind. Weitere Kombinationen und Teilkombinationen der offenbarten Merkmale, Funktionen, Elemente und/oder Eigenschaften können durch Änderung der vorliegenden Ansprüche oder durch Präsentation neuer Ansprüche in dieser oder einer verwandten Anmeldung beansprucht werden. Solche Ansprüche, ob von breiterem, enger gefasstem, gleichem oder verschiedenem Schutzumfang als bzw. wie die Originalansprüche, gelten ebenfalls als in den Gegenstand der vorliegenden Offenbarung aufgenommen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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