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Die Erfindung betrifft ein Lagerring für ein Radialwälzlager, insbesondere eines Abgasturboladers.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Radialwälzlager, insbesondere für einen Abgasturbolader, mit wenigstens einem Lageraußenring, wenigstens einem Lagerinnenring und zwischen dem Lageraußenring und dem Lagerinnenring geführten Wälzkörpern.
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Ferner betrifft die Erfindung einen Abgasturbolader sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Lagerrings für ein Radialwälzlager, insbesondere eines Abgasturboladers.
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Ein Abgasturbolader weist ein Turbinenrad, ein Verdichterrad und eine das Turbinenrad drehfest mit dem Verdichterrad verbindende Läuferwelle auf. Die Läuferwelle ist über wenigstens ein Radialwälzlager oder Radialgleitlager drehbar in einem Gehäuse des Turboladers angeordnet. Ein Radialwälzlager für einen Abgasturbolader kann zur Aufnahme von radialen und axialen Lasten als zweireihiges Schulterkugellager oder Schrägkugellager ausgebildet sein.
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Ein Radialwälzlager umfasst üblicherweise einen Lageraußenring, einen Lagerinnenring und zwischen diesen angeordnete Wälzkörper, wobei an einer Innenseite des Lageraußenrings und an einer Außenseite des Lagerinnenrings Laufbahnen zur Führung der Wälzkörper angeordnet sind. Ein Radialwälzlager kann zudem einen Wälzkörperkäfig aufweisen, über den die Wälzkörper des Radialwälzlagers beabstandet zueinander geführt werden können. Ein fertig montiertes Radialwälzlager kann auf eine Läuferwelle eines Abgasturboladers gesteckt werden. Anschließend kann die aus dem Radialwälzlager und der Läuferwelle gebildete Baugruppe in ein Gehäuse eines Abgasturboladers eingesetzt werden.
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Aus
DE 10 2010 054 904 A1 ist eine Lagerkartusche für einen Abgasturbolader bekannt, die einen zweiteiligen Lageraußenring, einen einteiligen Lagerinnenring und zwei Wälzkörperreihen mit kugelförmigen Wälzkörpern aufweist. In den Lageraußenring greift zu dessen Verdrehsicherung radial ein Bolzen ein. Außerdem ist zwischen den beiden Teilringen des Lageraußenrings ein Federelement angeordnet. Der Lageraußenring und der Lagerinnenring sind jeweils aus einem einzigen Werkstoff bzw. einer einzigen Werkstofflegierung hergestellt. Die Wälzkörper einer jeden Wälzkörperreihe sind an einer schräg verlaufenden, als Schulter ausgebildeten Laufbahn des Lageraußenrings und in einer Laufbahnen bildenden Rille des Lagerinnenrings geführt, so dass es sich jeweils um die Bauart eines Schulterkugellager handelt. Die beiden Schulterkugellager sind derart ausgebildet, dass sie neben den Radialkräften in entgegengesetzten Richtungen Axialkräfte aufnehmen können.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Lagerring für ein Radialwälzlager, insbesondere eines Abgasturboladers, bereitzustellen, welcher gegenüber herkömmlichen Lagerringen kostengünstiger herstellbar ist und mit dem die Robustheit eines entsprechend weitergebildeten Radialwälzlagers und die Effizienz eines mit einem entsprechenden Radialwälzlager ausgestatteten Abgasturboladers erhöht werden können.
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Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen wiedergegeben, welche jeweils für sich genommen oder in verschiedener Kombination miteinander einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
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Der erfindungsgemäße Lagerring für ein Radialwälzlager, insbesondere eines Abgasturboladers, umfasst wenigstens zwei axial hintereinander angeordnete buchsenförmig ausgebildete Ringabschnitte, die sich hinsichtlich ihres jeweiligen Werkstoffes oder ihrer Werkstoffzusammensetzung voneinander unterscheiden und an ihren einander zugewandten Stirnflächen kraftschlüssig aneinander anliegen.
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Der erfindungsgemäße Lagerring ist aus buchsenförmigen Ringabschnitten hergestellt, wobei sich wenigstens zwei Ringabschnitte hinsichtlichihrer jeweiligen Werkstoffe oder Werkstoffzusammensetzungen voneinander unterscheiden. Der zwischen den einzelnen Ringabschnitten vorhanden Kraftschluss wird dadurch erzielt, dass die Enden der Ringabschnitte mit einer entsprechenden Axialkraft aneinander anliegen. Falls erforderlich können zwischen den Stirnflächen aber auch formschlüssige Mittel vorgesehen sein. Ferner könnten die Ringabschnitte im Bedarfsfall auch stoffschlüssig miteinander verbunden werden, sofern die Werkstoffe der einzelnen Ringabschnitte dies ermöglichen. Die jeweiligen Werkstoffe oder Werkstoffzusammensetzungen der Ringabschnitte können optimal an die im Betrieb eines entsprechend ausgestatteten Radialwälzlagers auf den Lagerring einwirkenden thermischen und mechanischen Belastungen angepasst werden. Insbesondere können teure, hochbelastbare Werkstoffe ausschließlich zur Herstellung eines Ringabschnittes verwendet werden, an dem wenigstens eine Laufbahn zur Führung von Wälzkörpern des Radialwälzlagers angeordnet ist. Andere Ringabschnitte des Lagerrings, an denen keine Laufbahnen angeordnet sind können unter Verwendung kostengünstigerer Materialien hergestellt werden. Folglich ist der erfindungsgemäße Lagerring kostengünstiger als herkömmliche Lagerringe herstellbar.
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Demgegenüber ermöglicht eine herkömmliche einteilige Ausgestaltung eines Lagerrings aus einem einzigen Werkstoff lediglich eine Werkstoffauswahl auf Basis von im Betrieb auftretenden Höchstbelastungen des Lagerrings, obwohl an einigen Stellen des Lagerrings andere Werkstoffe eingesetzt werden könnten. Dies führt zu höheren Kosten und damit zu einer Verteuerung eines herkömmlichen Lagerrings.
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Herkömmliche einteilige Lagerringe aus einem einzigen Werkstoff sind lediglich unter einem hohen Fertigungsaufwand herstellbar, welcher insbesondere durch eine notwendige äußerst genaue Fertigung hinsichtlich Toleranzen im Bereich von wenigen Mikrometern und entsprechenden Rundheitsanforderung eines Radialwälzlagers, insbesondere bei hohen Drehzahlen, bedingt ist. Eine wesentliche Schwierigkeit bei dieser Fertigung herkömmlicher einteiliger Lagerringe besteht in der spanenden Bearbeitung eines verhältnismäßig langen, dünnwandigen Lagerrings mit hoher Genauigkeit.
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Der erfindungsgemäße Aufbau des Lagerrings aus einzelnen Ringabschnitten ermöglicht demgegenüber eine vergleichsweise einfachere Fertigung des Lagerrings, da anstelle eines einstückigen, relativ langen, dünnwandigen Lagerrings lediglich noch kurze Teilstücke separat hergestellt und bearbeitet werden müssen. Im Zusammenhang mit den hohen Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeit von Lagerringen eines Radialwälzlagers lassen sich dadurch zum einen die Ausschussrate und zum anderen die Bearbeitungszeit deutlich reduzieren. Auch hierdurch ist der erfindungsgemäße Lagerring gegenüber herkömmlichen Lagerringen kostengünstiger herstellbar.
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Durch den herkömmlichen Einsatz verhältnismäßig langer Lagerringe aus einem einzigen Material sind die Wärmeausdehnung eines herkömmlichen Lagerrings und damit die Wärmeausdehnung eines entsprechend ausgestatteten Radialwälzlagers insgesamt vom Wärmeausdehnungskoeffizient des verwendeten Materials abhängig. Die entsprechende Wärmeausdehnung und deren Einfluss auf die Funktionsweise eines Radialwälzlagers Kontaktwinkel, axiales Lagerspiel) müssen herkömmlich im Rahmen der Auslegung eines Radialwälzlagers berücksichtigt werden. Der herkömmlich zur Herstellung eines einstückigen Lagerrings jeweilig verwendete Werkstoff wird üblicherweise nicht unter Berücksichtigung des Gesichtspunkts der thermischen Ausdehnung sondern unter Berücksichtigung der bestehenden mechanischen Materialbelastungen, beispielsweise durch Hertz'sche Pressung und dergleichen, ausgewählt.
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Damit ist die thermische Ausdehnung für ein mit einem herkömmlichen Lagerring ausgestattetes Radialwälzlager insgesamt definiert und muss im Auslegungsprozess entsprechend berücksichtig werden. Hingegen kann durch den erfindungsgemäßen Aufbau des Lagerrings als Ringabschnitte die Werkstoffauswahl an die auf den Lagerring bzw. ein damit ausgestattetes Radialwälzlager einwirkenden thermischen und mechanischen Belastung angepasst werden, wodurch das Spiel in dem Radialwälzlager und damit in einem damit ausgestatteten Abgasturbolader reduziert und hierdurch die Effizienz des Abgasturboladers durch eine geringere Vorhaltung von Spalt zwischen Schaufeln von Turbinenrad und Verdichterrad einerseits und einem Gehäuse des Abgasturboladers andererseits gesteigert werden kann. Dies kann insbesondere durch den Einsatz von weniger festen Werkstoffen mit geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten für Ringabschnitte erreicht werden, an denen keine Laufbahn zur Führung von Wälzkörpern angeordnet ist.
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Durch eine Reduktion des Lagerspieles lässt sich der Gesamtwirkungsgrad eines entsprechend ausgestatteten Abgasturboladers, der maßgeblich durch die Spalte zwischen den jeweiligen Laufrädern des Abgasturboladers und dessen Gehäuse beeinflusst wird, erhöhen. Der erfindungsgemäße Aufbau des Lagerrings ermöglicht eine Beeinflussung der thermischen Ausdehnung durch eine entsprechende Materialauswahl für Ringabschnitte, an denen keine Laufbahn zur Führung von Wälzkörpern angeordnet ist. Dadurch kann das Betriebsspiel eines entsprechend ausgestatteten Radialwälzlagers durch den Einsatz von, insbesondere bezüglich einer axialen thermischen Ausdehnung, thermisch stabileren Werkstoffen verringert werden. Dies erhöht wiederum den thermischen Wirkungsgrad eines entsprechend ausgestatteten Abgasturboladers, da somit geringere Spalte zwischen dem Verdichterrad und dem Turbinenrad einerseits und dem feststehenden Gehäuse des Abgasturboladers andererseits realisiert werden können. Zudem kann durch die Reduktion des Lagerspiels eines Radialwälzlagers die Robustheit des Radialwälzlagers optimiert werden, da das axiale Betriebsspiel beispielsweise den Kontaktwinkel und damit verschleißinduzierende Größen wie das Bohr/Roll-Verhältnis beeinflusst.
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In vorteilhafter Weise ist wenigstens ein Ringabschnitt, an dem zumindest eine Laufbahn für Wälzkörper des Radialwälzlagers angeordnet ist, wenigstens teilweise aus einem Stahlwerkstoff hergestellt. Der Ringabschnitt kann ausschließlich an seiner die Laufbahn ausbildenden Innenseite oder vollständig aus dem Stahlwerkstoff hergestellt sein. Mittels des Stahlwerkstoffs werden dem Ringsegment bzw. der daran angeordneten Laufbahn optimale Verschleiß- und Reibungseigenschaften verliehen. Der Stahlwerkstoff kann zumindest teilweise gehärtet sein. Der Stahlwerkstoff kann ein martensitischer Werkstoff sein, der sehr verschleißfest und hitzebeständig ist und hierdurch eine langlebige Ausbildung des Lagerrings ermöglicht.
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Es wird des Weiteren als vorteilhaft erachtet, wenn wenigstens ein Ringabschnitt, an dem keine Laufbahn für die Wälzkörper angeordnet ist, wenigstens teilweise aus einem Stahlwerkstoff oder aus einem keramischen Werkstoff hergestellt ist. Der für den Ringabschnitt verwendete Werkstoff kann insbesondere kostengünstiger als der für ein Ringsegment mit einer Laufbahn zur Führung von Wälzkörpern verwendete Stahlwerkstoff sein. Ein keramischer Werkstoff weist eine geringere Wärmeausdehnung als ein Stahlwerkstoff aus, so dass bei Verwendung eines keramischen Werkstoffs ein Spiel in einem entsprechend ausgestatteten Radialwälzlager reduziert werden kann.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Lagerring als Lageraußenring oder als Lagerinnenring ausgebildet ist.
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Das erfindungsgemäße Radialwälzlager, insbesondere für einen Abgasturbolader, umfasst wenigstens einen Lageraußenring, wenigstens einen Lagerinnenring und zwischen dem Lageraußenring und dem Lagerinnenring geführte Wälzkörper, wobei der Lageraußenring und/oder der Lagerinnenring gemäß einer der vorgenannten Ausgestaltungen oder einer beliebigen Kombination derselben ausgebildet ist. Mit dem Radialwälzlager sind die oben mit Bezug auf den Lagerring genannten Vorteile entsprechend verbunden. Die Wälzkörper können als Kugeln, Rollen, Tonnen, Nadeln oder Kegel ausgebildet sein. Das Radialwälzlager kann als zweireihiges Schulterkugellager ausgebildet sein.
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Der erfindungsgemäße Abgasturbolader umfasst ein vorgenanntes Radialwälzlager. Mit dem Abgasturbolader sind die oben mit Bezug auf den Lagerring genannten Vorteile entsprechend verbunden. Insbesondere kann der erfindungsgemäße Abgasturbolader aufgrund der oben beschriebenen Spielreduzierung gegenüber mit herkömmlichen einstückigen Lagerringen versehenen Abgasturboladern eine höhere Effizienz aufweisen.
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Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Lagerrings für ein Radialwälzlager, insbesondere eines Abgasturboladers, werden wenigstens zwei buchsenförmig ausgebildete Ringabschnitte separat voneinander hergestellt, axial hintereinander angeordnet und stirnseitig drehfest miteinander verbunden, wobei wenigstens zwei Ringabschnitte aus verschiedenen Werkstoffen oder Werkstoffzusammensetzungen hergestellt werden. Mit dem Verfahren sind die oben mit Bezug auf den Lagerring genannten Vorteile entsprechend verbunden.
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Die Erfindung ist nicht auf die angegebene Kombination der Merkmale der unabhängigen Ansprüche und der abhängigen Ansprüche beschränkt. Es ergeben sich darüber hinaus weitere Möglichkeiten, einzelne Merkmale, insbesondere dann, wenn sie sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung des Ausführungsbeispiels oder unmittelbar aus der Zeichnung ergeben, miteinander zu kombinieren. Außerdem soll die Bezugnahme der Ansprüche auf die Zeichnung durch die Verwendung von Bezugszeichen den Schutzumfang der Ansprüche auf keinen Fall auf das dargestellte Ausgestaltungsbeispiel beschränken.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigt:
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1 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Radialwälzlager.
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1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Radialwälzlager 1 in Form eines zweireihigen Schulterkugellagers für einen Abgasturbolader. Das Radialwälzlager 1 umfasst einen Lageraußenring 2, einen Lagerinnenring 3 und zwischen dem Lageraußenring 2 und dem Lagerinnenring 3 geführte, kugelförmig ausgebildete Wälzkörper 4. Die Wälzkörper 4 bilden zwei Wälzkörperreihen 5 und 6 aus, wobei die Wälzkörper 4 der Wälzkörperreihen 5 und 6 an Wälzkörperkäfigen 7 bzw. 8 geführt sind. Der Lageraußenring 2 ist einteilig und monolithisch ausgebildet. Am der Innenmantel 9 des Lageraußenrings 2 sind zwei Laufbahnen 10 und 11 ausgebildet, an denen die Wälzkörper 4 der Wälzkörperreihe 5 bzw. 6 geführt sind.
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Der Lagerinnenring 3 weist sechs axial hintereinander angeordnete, buchsenförmig ausgebildete Ringabschnitte 12 bis 17 auf, die über ihre jeweilig einander zugewandten Stirnflächen kraftschlüssig aneinander anliegen. Es tritt also eine Klemmwirkung zwischen den Ringabschnitten 12 bis 17 auf. Die Ringabschnitte 12 und 17, 13 und 16 sowie 14 und 15 sind jeweils gleich ausgebildet, so dass zur Herstellung des Lagerinnenrings 3 lediglich drei verschiedene Bauteile vorab hergestellt werden müssen, was den Fertigungsaufwand weiter vereinfacht. Die Ringabschnitte 13 und 16 weisen einen größeren Innendurchmesser als die Ringsegmente 12, 14, 15 und 17 auf. Die Gruppen von Ringabschnitten 12 bzw., 17, 13 bzw. 16 sowie 14 bzw. 15 unterscheiden sich hinsichtlich ihrer jeweiligen Werkstoffe oder Werkstoffzusammensetzungen voneinander. Die Ringabschnitte 12 und 17, an denen jeweils eine Laufbahn 18 bzw. 19 angeordnet ist, sind vollständig aus einem martensitischen Stahlwerkstoff hergestellt.
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Die Ringabschnitte 13, 14, 15 und 16, an denen keine Laufbahnen für die Wälzkörper 4 angeordnet sind, sind vollständig aus einem kostengünstigeren Stahlwerkstoff oder keramischen Werkstoff hergestellt. Die Ringsegmente 12 bis 17 sind jeweils kraftschlüssig miteinander gekoppelt. In entsprechender Weise kann auch der Lageraußenring 2 aus mehreren Ringabschnitten hergestellt sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Radialwälzlager
- 2
- Lageraußenring
- 3
- Lagerinnenring
- 4
- Wälzkörper
- 5
- Wälzkörperreihe
- 6
- Wälzkörperreihe
- 7
- Wälzkörperkäfig
- 8
- Wälzkörperkäfig
- 9
- Innenseite
- 10
- Laufbahn
- 11
- Laufbahn
- 12
- Ringabschnitt
- 13
- Ringabschnitt
- 14
- Ringabschnitt
- 15
- Ringabschnitt
- 16
- Ringabschnitt
- 17
- Ringabschnitt
- 18
- rillenförmige Laufbahn
- 19
- rillenförmige Laufbahn
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010054904 A1 [0006]
