DE102014219731A1 - Turbolader-Lageranordnung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbolader-Lageranordnung (1), umfassend eine in einem Gehäuse (2) gelagerte Welle (3), wobei die Welle (3) im Gehäuse (2) mittels zweier axial beabstandeter Wälzlager (4, 5) gelagert ist. Um den Einsatz der Wälzlager zu optimieren, sieht die Erfindung vor, dass jedes der beiden Wälzlager (4, 5) jeweils einen Lageraußenring (6, 7) aufweist, wobei zwischen den beiden Lageraußenringen (6, 7) ein in axiale Richtung (a) wirksames Federelement (8) angeordnet ist, das die beiden Lageraußenringe (6, 7) in axiale Richtung (a) voneinander weg drückt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Turbolader-Lageranordnung, umfassend eine in einem Gehäuse gelagerte Welle, wobei die Welle im Gehäuse mittels zweier axial beabstandeter Wälzlager gelagert ist.
  • In Fahrzeugen werden häufig Turbolader eingesetzt, um die Leistung eines Verbrennungsmotors zu erhöhen. Der Turbolader umfasst dabei eine in einem Gehäuse gelagerte Welle, die mit hoher Drehzahl rotieren muss, um einen verwertbaren Ladedruck zu erzeugen.
  • Die Lagerung von Turboladern wird zumeist mittels schwimmenden Gleitlagerbuchsen ausgeführt, die allerdings nachteilig aufgrund von Kohlebildung im stark wärmebelasteten Motorenöl häufig hohem Verschleiß unterliegen.
  • Insofern stellt der Einsatz von Wälzlagern für die Lagerung von Turboladern eine Alternative dar, da diese robuster gegen Kohlebildung sind. Problematisch ist es hierbei allerdings, dass aufwändige Konstruktionen und Materialien benötigt werden, was die Kosten für die Lagerung steigert.
  • Die bisherige Lösung von Turbolader-Wälzlagerungen besteht aus einer Einheit mit einem gemeinsamen Außenring und zwei aufeinander geschliffenen Innenringen, die als eine Einheit in einer Dreifachpassung eine Welle aufnimmt. Diese Konstruktion ist aufwändig, weil die beiden Innenringe aufeinander eingestellt werden müssen, und haben den Nachteil, dass sie mit Innenring-Passungen die Welle aufnehmen müssen. Der nötige Fugendruck fällt aufgrund der hohen Drehzahlen stark ab, was nachteilig zur Folge hat, dass sich die innere Geometrie der Lager ändert.
  • Eine weitere Problemmatik ist der durch die hohen Drehzahlen der Welle abknickende Kontaktwinkel im Falle von Schrägkugellagern. Hierunter ist die Veränderung des Kontaktwinkels bzw. der Kontaktpunkte der Kugeln in den Laufbahnen zu verstehen, wenn aufgrund hoher Drehzahlen die Kugeln mehr und mehr die Laufbahn senkrecht (radial) belasten, die Kugeln aber in den Innenringen immer noch einen abgewinkelten Berührpunkt haben. Damit ist die Voraussetzung für eine negative erhöhte Bohrbewegungen der Kugel gegeben, die einen unsicheren Betriebszustand bewirken. Um dieses Rollverhalten gering zu halten, werden meist Keramikkugeln verwendet, was allerdings teuer ist; ferner wird versucht, den Kontaktwinkel gering zu halten, um die Winkeländerung im Hochgeschwindigkeitsbereich klein zu halten.
  • Dabei hat es sich gezeigt, dass es ein gemeinsamer Außenring, wie er in kostengünstigen Wasserpumpeneinheiten genutzt wird, ermöglicht, eine Lagerreihe (d. h. eines der Wälzlager) in einer Drehzahl-robusten Fensterkäfig-Ausführung zu gestalten. Allerdings muss in diesem Falle die andere Lagerreihe (d. h. das andere Wälzlager) mit einem Käfig in Form eines Schnappkäfigs montiert werden. Die Ausführung des Schnappkäfigs ist jedoch sehr drehzahlempfindlich, was durch den sog. "Umbrella-Effekt" bei hohen Drehzahlen bedingt ist. Die starken Verformungen der auskragenden Arme des Käfigs zwischen den Kugeln machen die Nutzung dieser Bauart bei Turobolader-Lagerung mit ihren hohen Drehzahlen nachteilig.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Turbolader-Lageranordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der es möglich ist, ein einfaches und somit kostengünstiges Konzept bereitzustellen, das im Betrieb des Turboladers ausreichend robust ist. Die Herstellkosten für den Turbolader sollen somit vermindert werden können, wobei dennoch auf Wälzlager abgestellt werden soll, die sich bezüglich der Kohlebildung vorteilhaft erwiesen haben. Der Einsatz der Wälzlager in einer Turboladerlagerung soll somit optimiert werden können.
  • Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass jedes der beiden Wälzlager jeweils einen Lageraußenring aufweist, wobei zwischen den beiden Lageraußenringen ein in axiale Richtung wirksames Federelement angeordnet ist, das die beiden Lageraußenringe in axiale Richtung voneinander weg drückt.
  • Das Federelement ist bevorzugt eine Schraubenfeder.
  • Die beiden Wälzlager sind bevorzugt als Kugellager ausgebildet, insbesondere als Schrägkugellager. Die Laufbahnen der beiden Kugellager sind bevorzugt direkt in die Welle eingeschliffen. Die Außenringlaufbahn mindestens eines Lageraußenrings läuft bevorzugt – zwecks Ermöglichung einer vorteilhaften Montagemöglichkeit eines Fensterkäfigs – in seinem vom Federelement abgewandten Bereich tangential in axiale Richtung aus.
  • Die Wälzkörper der beiden Wälzlager sind bevorzugt jeweils in einem Fensterkäfig geführt.
  • Die Lageraußenringe können zum Gehäuse hin abgedichtet sein. Diese Dichtung kann als O-Ring-Dichtung ausgeführt sein, wobei die Lageraußenringe an ihrem Außenumfang eine Nut zur Aufnahme des O-Rings aufweisen.
  • Einer der Lageraußenringe ist vorzugsweise mit Presspassung in einer Aufnahmebohrung des Gehäuses angeordnet, während der andere Lageraußenring mit einem Schiebesitz in der Aufnahmebohrung sitzt. Auch dies erlaubt die bevorzugte Montierbarkeit zweier Fensterkäfige für beide Wälzkörperreihen (statt eines Schnappkäfigs).
  • Zwischen einer radial innenliegenden Fläche des Lageraußenrings und einer radial außenliegenden Fläche der Welle ist bevorzugt ein konisch verlaufender Ringraum eingeschlossen, was die Versorgung der Lagereinheit mit Sperrluft bzw. mit Schmiermittel begünstigt.
  • Somit stellt die Erfindung eine federvorgespannte Turboladereinheit zur Verfügung.
  • Vorteilhaft ist es, wenn auf Innenringe verzichtet wird und die Laufbahnen direkt in die Welle eingeschliffen werden. Hierdurch bleibt auch bei hohen Drehzahlen der Welle die Geometrie im Lager annähernd konstant; auch gibt es keinen abnehmenden Fugendruck.
  • Vorteilhaft ist der Einsatz der Axialfeder, die eine Vorspannung erzeugt und so die Kontaktgeometrie verbessert kontrolliert.
  • Wird also erfindungsgemäß der bislang einteilige gemeinsame Außenring axial geteilt und werden diese beiden Außenringe über eine Feder axial gegeneinander vorgespannt, erreicht man drei wesentliche Vorteile:
    Die Feder verhindert zunächst in einem gewissen Maße die Entstehung eines abknickenden Kontaktwinkels im Falle der Ausbildung der Wälzlager als Kugellager, insbesondere als Schrägkugellager.
  • Weiterhin lässt sich einer der beiden Außenringe gegen die axiale Kraft der Feder so weit verschieben, bis er die innere Laufbahn auf der Welle freigibt, so dass die Montage eines drehzahlrobusten Fensterkäfigs möglich wird.
  • Schließlich müssen die beiden Lagerreihen nicht aufeinander eingeschliffen werden, was die Fertigungskosten stark reduziert. Die Feder übernimmt insoweit die Einstellarbeit dieser Einheit.
  • Hierzu wird der eine Außenring mit einem Preßsitz ausgeführt; der andere Außenring wird mit einem Schiebesitz in der Gehäusebohrung versehen. Der Festsitz wird für das Lager mit der höchsten Axialbelastung gewählt.
  • Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Feder zwischen den Außenringen lässt sich also das Problem des abknickenden Kontaktwinkels und dadurch der Bohrbewegung der Kugeln im Hochgeschwindigkeitsbereich reduzieren; gleichzeitig wird die Montierbarkeit eines zweiten Fensterkäfigs ermöglicht.
  • Die Federvorspannung der beiden Außenringe schafft insbesondere eine O-Anordnung der zweireihigen Schrägkugellagerung.
  • In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die einzige Figur zeigt im Radialschnitt eine Turbolader-Lageranordnung mit zwei Schrägkugellagern.
  • In der Figur ist im Radialschnitt eine Turbolader-Lageranordnung 1 skizziert. Diese besteht im wesentlichen aus einem Gehäuse 2 mit einer Aufnahmebohrung 14, in dem eine Welle 3 drehbar, aber axial festgelegt rotieren kann. Hierfür sind zwei Wälzlager 4 und 5 vorhanden.
  • Die Wälzlager 4, 5 sind vorliegend als Schrägkugellager ausgebildet und in O-Anordnung positioniert. Demgemäß sind zwei Reihen Wälzkörper 10 und 11 in Form von Kugeln für jedes der beiden Wälzlager 4, 5 vorhanden.
  • Als eine mögliche Ausgestaltung der Erfindung können Keramik-Kugeln in den beiden Wälzlagern 4, 5 eingesetzt werden.
  • Jeder der beiden Wälzlager 4, 5 hat einen Lageraußenring 6 und 7, die in der Aufnahmebohrung 14 angeordnet sind. Der linke Lageraußenring 6 sitzt dabei mit einer Presspassung 19 in der Aufnahmebohrung 14, während der rechte Lageraußenring 7 mit Schiebesitz 20 in der Aufnahmebohrung 14 angeordnet ist.
  • Wesentlich ist, dass zwischen den beiden Lageraußenringen 6 und 7 ein in axiale Richtung a wirksames Federelement 8 angeordnet ist. Dieses drückt die beiden Lageraußenringe 6 und 7 in axiale Richtung a voneinander weg.
  • Beide Wälzlager 4, 5 weisen einen Fensterkäfig 12 für die Kugeln 10, 11 auf. Damit die Fensterkäfige 12 montiert werden können, wird bei der Montage der rechte Lageraußenring 7 nach der Montage des linken Wälzlagers 4 und des Federelements 8 in axiale Richtung a nach links geschoben, was durch den Schiebesitz 20 ermöglich wird.
  • Ferner ist die Außenringlaufbahn 9 im Auslauf nach rechts tangential in axiale Richtung a ausgebildet. Dies ermöglicht es, dass der Lageraußenring 7 nach links gegen die Federkraft des Federelements 8 weg geschoben werden kann, um dann die rechte Reihe Wälzkörper 11 mit einem Fensterkäfig 12 zu montieren.
  • Die beiden Lageraußenringe 6 und 7 sind mittels Dichtungen 13 in Form von O-Ringen gegen das Gehäuse 2 hin abgedichtet. Hierdurch kann innerhalb des durch die O-Ringe abgedichteten Bereichs ein Ölfilm aufgebaut werden. Mittels einer Drucköl-Zufuhr in diesen Bereich kann eine Öl-Dämpfung der Außenringe 6, 7 realisiert werden.
  • Zu erwähnen ist noch, dass die radial innenliegenden Flächen 15 und 16 der beiden Lageraußenring 6 und 7 einerseits und die radial außenliegende Fläche 17 der Welle 3 andererseits einen Ringraum 18 bilden, der als doppelt-konischer Ringraum ausgebildet ist. Mit dieser Ausgestaltung kann ein Sperrluft-Fördereffekt erreicht werden, wenn die Welle 3 mit hoher Drehzahl rotiert.
  • Die Innenring-Laufbahnen der beiden Wälzlager 4, 5 sind im vorliegenden Falle direkt in die Welle 3 eingeschliffen; demgemäß fungiert die Welle 3 als Lagerring.
  • Im Betrieb stellt das Federelement 8 eine hinreichende axiale Vorspannkraft zur Verfügung, so dass der Kontaktwinkel der beiden Lager durch die Rotation der Welle 3 nicht wesentlich verändert wird.
  • Die vorgeschlagene Anordnung kann als kompakte Einheit kostengünstig realisiert werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Turbolader-Lageranordnung
    2
    Gehäuse
    3
    Welle
    4
    Wälzlager
    5
    Wälzlager
    6
    Lageraußenring
    7
    Lageraußenring
    8
    Federelement
    9
    Außenringlaufbahn
    10
    Wälzkörper (Kugel)
    11
    Wälzkörper (Kugel)
    12
    Fensterkäfig
    13
    Dichtung (O-Ring-Dichtung)
    14
    Aufnahmebohrung
    15
    radial innenliegende Fläche des Lageraußenrings
    16
    radial innenliegende Fläche des Lageraußenrings
    17
    radial außenliegende Fläche der Welle
    18
    Ringraum
    19
    Presspassung
    20
    Schiebesitz
    a
    axiale Richtung

Claims (10)

  1. Turbolader-Lageranordnung (1), umfassend eine in einem Gehäuse (2) gelagerte Welle (3), wobei die Welle (3) im Gehäuse (2) mittels zweier axial beabstandeter Wälzlager (4, 5) gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der beiden Wälzlager (4, 5) jeweils einen Lageraußenring (6, 7) aufweist, wobei zwischen den beiden Lageraußenringen (6, 7) ein in axiale Richtung (a) wirksames Federelement (8) angeordnet ist, das die beiden Lageraußenringe (6, 7) in axiale Richtung (a) voneinander weg drückt.
  2. Turbolader-Lageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (8) eine Schraubenfeder ist.
  3. Turbolader-Lageranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Wälzlager (4, 5) als Kugellager ausgebildet sind, insbesondere als Schrägkugellager.
  4. Turbolader-Lageranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufbahnen der beiden Kugellager (4, 5) direkt in die Welle (3) eingeschliffen sind.
  5. Turbolader-Lageranordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenringlaufbahn (9) mindestens eines Lageraußenrings (7) in seinem vom Federelement (8) abgewandten Bereich tangential in axiale Richtung (a) ausläuft.
  6. Turbolader-Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper (10, 11) der beiden Wälzlager (4, 5) jeweils in einem Fensterkäfig (12) geführt sind.
  7. Turbolader-Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lageraußenringe (6, 7) zum Gehäuse (2) hin abgedichtet sind.
  8. Turbolader-Lageranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (13) als O-Ring-Dichtung ausgeführt ist, wobei die Lageraußenringe (6, 7) an ihrem Außenumfang eine Nut zur Aufnahme des O-Rings aufweisen.
  9. Turbolader-Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Lageraußenringe (6) mit Presspassung (19) in einer Aufnahmebohrung (14) des Gehäuses (2) angeordnet ist und dass der andere Lageraußenring (7) mit einem Schiebesitz (20) in der Aufnahmebohrung (14) des Gehäuses (2) sitzt.
  10. Turbolader-Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer radial innenliegenden Fläche (15, 16) des Lageraußenrings (6, 7) und einer radial außenliegenden Fläche (17) der Welle (3) ein konisch verlaufender Ringraum (18) eingeschlossen ist.
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