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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Verdichter für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Elektromotor, der in einem Motorraum angeordnet ist, einer Antriebswelle, die über den Elektromotor antreibbar ist, einem Laufrad, welches auf der Antriebswelle befestigt ist und in einem Strömungsraum eines Strömungsgehäuses zwischen einem Einlass und einem Auslass angeordnet ist, einem ersten Wälzlager mit einem Innenring und einem Außenring, welches als Festlager dient und welches axial zwischen dem Laufrad und einem Rotor des Elektromotors angeordnet ist und einem zweiten Wälzlager mit einem Innenring und einem Außenring, welches als Loslager dient und welches an der zum ersten Wälzlager entgegengesetzten axialen Seite des Rotors angeordnet ist, wobei das erste Wälzlager in einer ersten Lageraufnahme und das zweite Wälzlager in einer zweiten Lageraufnahme eines Lagergehäuses angeordnet ist.
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Derartige elektrische Verdichter werden in modernen Verbrennungsmotoren eingesetzt, um beispielsweise bei plötzlicher Laststeigerungsanforderung kurzfristig aktiv einen ausreichenden Ladedruck zur Verfügung stellen zu können. Insbesondere bei Verbrennungsmotoren mit kleinem Hubraum und hoher Leistung ermöglichen diese elektrischen Verdichter im leerlaufnahen Bereich entweder eine zusätzliche Nachverdichtung zum Abgasturbolader oder eine Vorverdichtung für diesen, wodurch dem so genannten Turboloch entgegen gewirkt werden kann. Auch ist der Einsatz als einzelnes Aufladeaggregat im Verbrennungsmotor möglich.
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Der Rotor und damit das Laufrad eines derartig genutzten Verdichters müssen in kürzester Zeit auf Drehzahlen von bis zu 100.000 U/min beschleunigt werden. Bei diesen Geschwindigkeiten entstehen hohe radiale und axiale Kräfte, die durch die Lagerung aufgenommen werden müssen, wobei ein reibungsarmer und dauerstabiler Lauf bei unterschiedlichen äußeren Bedingungen gewährleistet werden müssen.
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Zur Lagerung der Antriebswelle sind insbesondere zwei grundsätzlich unterschiedliche Konzepte bekannt geworden. Die erste Möglichkeit betrifft eine Lagerung über ölgeschmierte Gleitlager, wobei das Öl in der Verwendung als Zusatzverdichter in Verbrennungsmotoren üblicherweise das Schmieröl des Verbrennungsmotors ist, an dessen Kreislauf der Verdichter dann anzuschließen ist. Die zweite Möglichkeit betrifft die Verwendung von Wälzlagern zur Lagerung der Antriebswelle des Verdichters.
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Ein derartiger elektrischer Verdichter ist beispielsweise aus der
EP 2 397 744 A2 bekannt. Zur Schmierung der Lager weist dieser Verdichter eine gesonderte Schmierölversorgung auf, die zu den Lagern führt, um ein Ausspülen der Lager zu verhindern. Die beiden Kugellager sind an den entgegengesetzten Enden des Rotors des Elektromotors auf der Welle befestigt. Die Innenringe beider Lager liegen in Richtung zum Rotor gegen einen Wellenabsatz an. Der Außenring des näher zum Laufrad des Verdichters angeordneten Lagers liegt an der zum Laufrad gerichteten Seite axial gegen einen Absatz des umliegenden Lagergehäuses an. Der Außenring des zweiten Lagers wird über eine Druckfeder in Richtung des Rotors vorgespannt. Während die Innenringe direkt mit der Welle gepaart sind, werden die Außenringe zu den umliegenden Gehäuseteilen gepaart. Bei auftretenden Temperaturänderungen ist es jedoch fraglich, ob aufgrund der Ausdehnung oder Schrumpfung der Welle und der Lager sowie des umliegenden Gehäuses weiter ein geräuscharmer und dauerstabiler Lauf sichergestellt werden können. Insbesondere wird ein erhöhter Verschleiß lediglich durch die zusätzliche Schmierölversorgung vermindert.
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Es stellt sich daher die Aufgabe, einen elektrischen Verdichter zu schaffen, bei dem auch bei hohen Temperaturschwankungen weiterhin ein geräuscharmer und dauerstabiler Lauf sichergestellt werden, indem die Funktionsweise der Lagerung in allen Betriebszuständen aufrecht erhalten wird, ohne dass eine separate Ölversorgung notwendig ist. Das Auftreten von Verspannkräften oder Kontaktverlust im Bereich der Lagerung soll zuverlässig vermieden werden. Gleichzeitig soll eine möglichst einfache Herstellung und Montage der Lagereinheit sichergestellt werden.
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Diese Aufgabe wird durch einen elektrischen Verdichter mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.
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Dadurch, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient der Antriebswelle im Wesentlichen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Innenrings des ersten Wälzlagers entspricht, wobei radial zwischen dem ersten Außenring des ersten Wälzlagers und der ersten Lageraufnahme des Lagergehäuses ein Zwischenring angeordnet ist, wird sichergestellt, dass die Paarung der Innenringe zur Antriebswelle auch bei unterschiedlichen Temperaturen erhalten bleibt. Ein Lösen des Innenrings oder ein Verspannen des Innenrings auf der Welle wird zuverlässig vermieden. Gleichzeitig wird am ersten Lager auch eine innere Verspannung des Lagers verhindert, indem durch den Zwischenring unterschiedliche Wärmeausdehnungen der ersten Lageraufnahme und des Außenrings ausgeglichen werden können. Entsprechend wird ein reibungsarmer und dauerstabiler Lauf des Verdichters sichergestellt.
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Vorzugsweise weisen die Innenringe der beiden Wälzlager eine Übergangspassung zur Antriebswelle auf, wodurch die Montage erleichtert wird und dennoch kritische Verspannkräfte oder auftretender Kontaktverlust vermieden werden.
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In einer besonders bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführung ist der Zwischenring ein Toleranzring aus Stahl, der radial federnd ist und vorgespannt gegen den Außenring des ersten Wälzlagers und die Lageraufnahme anliegt und einen in axialer Richtung verlaufenden Schlitz aufweist. Ein derartiger Toleranzring sichert den festen Sitz des Außenrings in der Lageraufnahme mit Anpresskräften, die einer Presspassung entsprechen und ist gleichzeitig in der Lage auftretende unterschiedliche Wärmeausdehnungen der Lageraufnahme und des Außenrings auszugleichen, wobei durch ein Ein- und Ausfedern des Toleranzringes über den Schlitz die Anpresskräfte bei korrekter Auslegung im Wesentlichen erhalten bleiben. Des Weiteren wird durch diese Ausführung die Montage erheblich erleichtert, da der Toleranzring frei eingelegt werden kann und das Lager einfach ein- und ausgebaut werden kann.
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In einer alternativen vorteilhaften Ausführung ist der Zwischenring ein Stahlring, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient im Wesentlichen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Außenrings des ersten Wälzlagers entspricht, welcher eine Presspassung zum Stahlring aufweist. So entstehen gleiche Ausdehnungen und Schrumpfungen des Außenrings und des Stahlrings. Die unterschiedlichen Ausdehnungen des exakt auf die korrekte Größe zu fertigenden Stahlrings und der ihn aufnehmenden Lageraufnahme sind bezüglich des Wälzlagers nicht störend.
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Vorzugsweise weist der Außenring des zweiten Wälzlagers eine Spielpassung zur Lageraufnahme des Lagergehäuses auf, wodurch eine Fest-Los-Lagerung realisiert wird, da eine axiale Bewegung des Außenrings im Verhältnis zum Gehäuse ermöglicht wird.
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In einer weiterführenden bevorzugten Ausführung ist in der zweiten Lageraufnahme eine Radialnut ausgebildet, in der ein Elastomerring angeordnet ist, dessen Innendurchmesser kleiner ist als der Innendurchmesser der Lageraufnahme und der durch elastische Verformung radial vorgespannt gegen den Außenring des zweiten Lagers anliegt. Auf diese Weise wird ein Mitdrehen des Außenringes zuverlässig vermieden, da dieser durch den Elastomerring leicht vorgespannt wird, ohne dass er verspannt wird. Die axiale Verschiebbarkeit bleibt somit erhalten.
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Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Elastomerring aus einem Fluor-Karbon-Kautschuk oder einem Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk hergestellt ist, da diese eine gute Haltbarkeit bei den auftretenden Temperaturen und eine ausreichende Festigkeit zur Vorspannung des Außenringes aufweisen.
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Des Weiteren ist in einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung der Außenring des zweiten Wälzlagers axial über einen oder mehrere Federringe in Richtung des Rotors belastet. Die hierdurch herbeigeführte axiale Vorspannung der gesamten Lagereinheit führt dazu, dass einerseits das Auftreten von Anlagewechseln der Wälzkörper und der Ringe der Wälzlager und andererseits ein axiales Verschieben der Welle verhindert wird.
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In einer hierzu weiterführenden Ausführungsform ist axial zwischen dem zumindest einen Federring und dem Außenring des zweiten Wälzlagers eine feste Ringscheibe angeordnet, wodurch eine vollflächige Anlage zum Außenring sichergestellt wird.
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Vorzugsweise liegen die Innenringe der beiden Wälzlager jeweils in Richtung zum Rotor gegen einen Wellenabsatz an und der Außenring des ersten Wälzlagers liegt gegen einen Anschlag am Lagergehäuse an. Entsprechend kann die über den Federring aufgebrachte Kraft vom
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Außenring des zweiten Lagers über dessen Kugeln auf den Innenring übertragen werden, der die Kraft über die Absätze der Welle auf den Innenring des Festlagers überträgt, von wo aus sie über die Wälzkörper auf den Außenring und von dort über den Absatz vom Lagergehäuse aufgenommen wird. Entsprechend wird die axiale Position der Welle im Lagergehäuse festgelegt.
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Es wird somit ein elektrischer Verdichter mit einer langen Haltbarkeit durch reibungsarmen Lauf und einfacher Herstellbarkeit geschaffen. Der elektrische Verdichter ist unempfindlich gegen Temperaturschwankungen, da auftretende Dehnungsdifferenzen verhindert oder ausgeglichen werden. Des Weiteren können einfache Wälzlager ohne zusätzliche Schmierung verwendet werden.
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Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektrischen Verdichters ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
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1 zeigt eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen elektrischen Verdichters in geschnittener Darstellung.
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2 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts der 1 im Bereich der ersten Lagerung.
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3 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts der 1 im Bereich der zweiten Lagerung.
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Der erfindungsgemäße elektrische Verdichter besteht aus einem Lagergehäuse 10, an welchem ein Strömungsgehäuse 12 befestigt ist, welche beide üblicherweise aus einem Leichtmetall, wie Aluminium, hergestellt werden. Das Lagergehäuse 10 weist ein zentrales Motorgehäuseteil 14 auf, in welches ein Stator 16 eines Elektromotors 18 eingepresst ist und ein Elektronikgehäuseteil 20 auf. Dieser Stator 16 wirkt in bekannter Weise mit einem Rotor 22 zusammen, der fest auf einer Antriebswelle 24 befestigt ist, an deren Ende ein Laufrad 26 des Verdichters befestigt ist. Der Rotor 22 und der Stator 16 des Elektromotors 18 sind entsprechend in einem durch das Lagergehäuse 10 allseitig begrenzten Motorraum 28 angeordnet.
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Die Antriebswelle 24 ragt durch eine zentrale Öffnung 30 im Boden 32 des Motorgehäuseteils 14 in das Strömungsgehäuse 12, welches mit dem Boden 32 des Motorgehäuseteils 14 einen Strömungsraum 34 begrenzen, in dem das Laufrad 26 zwischen einem Einlass 36 und einem nicht dargestellten Auslass angeordnet ist. Das zu verdichtende Gas wird bei Drehung des Laufrades 26 über den axialen Einlass 36 angesaugt und mittels des Laufrades 26 in einem im Strömungsgehäuse 12 ausgebildeten Spiralkanal 38 verdichtet bis es den Spiralkanal 38 über den tangentialen Auslass wieder verlässt.
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Um den Strömungsraum 34 vom Motorraum 28 möglichst gasdicht zu trennen und zu verhindern, dass Gas aus dem Strömungsgehäuse 12 in das Lagergehäuse 10 beziehungsweise den Motorraum 28 an der Rückseite des Laufrades 26 entlang der Antriebswelle 24 strömt, ist in der zentralen Öffnung 30 am Boden 32 des Motorgehäuseteils 14, durch die die Antriebswelle 24 aus dem Motorraum 28 in den Strömungsraum 34 ragt, eine Gleitringdichtung 40 angeordnet, die einen Innenring 42 und einen Außenring 44 aufweist, der gegen eine Einschnürung 46 dieser Öffnung 30 axial anliegt.
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Vom Boden 32 des Motorgehäuseteils 14 erstreckt sich im radial äußeren Bereich eine erste Umfangswand 48 in Richtung eines Bodens 50 des Elektronikgehäuseteils 20, an deren Innenseite der Stator 16 eingepresst ist. Diese erste Umfangswand 48 ist von einer zweiten Umfangswand 52 des Elektronikgehäuseteils 20 umgeben, wobei das zum Boden 50 des Elektronikgehäuseteils 20 weisende axiale Ende der ersten Umfangswand 48 des Motorgehäuseteils 14 in eine ringförmige Aufnahmeöffnung 54 des Elektronikgehäuseteils 20 ragt, welche zwischen der zweiten Umfangswand 52 und einem radial weiter innen sich vom Boden 50 erstreckenden weiteren ringförmigen Vorsprung 56 angeordnet ist. Im radial äußeren Bereich der ersten Umfangswand 48 weist diese eine schraubenförmige Ausnehmung 58 auf, die als Kühlmittelkanal dient. Der Kühlmittelkanal wird axial jeweils durch einen schraubenförmigen Steg 60 und radial durch die zweite Umfangswand 52 begrenzt, so dass eine schraubenförmige Zwangsumströmung des Motorgehäuseteils 14 hergestellt wird.
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Auf der axial zum Motorraum 28 entgegengesetzten Seite des Bodens 50 des Elektronikgehäuseteils 20 ist ein Elektronikraum 62 ausgebildet, der durch einen Deckel 64 verschlossen wird und in dem eine Platine 66 zur Ansteuerung des Elektromotors 18 angeordnet ist. Im Boden 50 sind Durchstecköffnungen ausgebildet, durch die Wicklungsenden 68 der Wicklungen 70 des Stators 16 zur Verbindung dieser Wicklungen 70 mit der Platine 66 gesteckt werden. So kann der Elektromotor 18 über die Platine 66 mit Strom versorgt und angesteuert werden.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Lagerung der Antriebswelle 24 über zwei als Kugellager ausgeführte Wälzlager 72, 74, die an entgegengesetzten axialen Seiten des Rotors 22 auf der Antriebswelle 24 angeordnet sind. Die beiden Wälzlager 72, 74 sind als Fest-Loslagerung ausgebildet, wobei das erste, zwischen der Gleitringdichtung 40 und dem Rotor 22 angeordnete Wälzlager 72 das Festlager bildet und das zweite, zwischen dem Boden 50 des Elektronikgehäuseteils 20 und dem Rotor 22 des Elektromotors 18 angeordnete Wälzlager 74 das Loslager bildet.
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Das erste Wälzlager 72 ist, wie insbesondere in 2 zu erkennen ist, in einer ersten Lageraufnahme 76 angeordnet, welche durch einen sich zentral vom Boden 32 des Motorgehäuseteils 14 zum Rotor 22 erstreckenden ringförmigen Vorsprung 78 gebildet wird, angeordnet. Ein Innenring 80 dieses Wälzlagers 72 ist über eine Übergangspassung mit der Antriebswelle 24 gepaart. Diese Übergangspassung beträgt beispielsweise etwa –2µm bis +2µm. Die Materialien sind dabei so zu wählen, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient der Antriebswelle 24 im Wesentlichen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Innenringes 80 entspricht. Eine mögliche Materialpaarung für die dies zutrifft, ist beispielsweise die Antriebswelle 24 aus 42CrMo4 und den Innenring 80 des Wälzlagers 72 aus 100Cr6 herzustellen.
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Der Innenring 80 liegt axial gegen einen zwischen dem Rotor 22 und dem ersten Wälzlager 72 angeordneten Wellenabsatz 82 der Antriebswelle 24 an. Beim Befestigen des Laufrades 26 durch Anziehen einer Mutter 83 auf der Antriebswelle 24 wird ein axialer Spannverbund geschaffen, durch den der Innenring 80 des ersten Wälzlagers 72 zwischen dem Innenring 42 der Gleitringdichtung 40 und diesem Wellenabsatz 82 der Antriebswelle 24 verspannt wird. Ein Außenring 84 des ersten Wälzlagers 72 wird dabei axial gegen einen Anschlag 86 gedrückt, der an der Einschnürung 46 der zentralen Öffnung 30 des Lagergehäuses 10 von der zum Außenring 44 der Gleitringdichtung 40 entgegengesetzten Seite ausgebildet ist.
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Dieser Außenring 84 liegt radial gegen einen Zwischenring 88 an. Dieser Zwischenring 88 ist in vorliegender Ausführung als Toleranzring ausgestaltet, der beispielsweise ein Profilring aus Stahlblech der Stärke 0,1 bis 0,5 mm ist, der in radialer Richtung eine Federkraft erzeugt. Dieser Zwischenring 88 weist einen nicht erkennbaren Schlitz auf, so dass Durchmesseränderungen des umliegenden ringförmigen Vorsprungs 78 aufgrund von Temperaturunterschieden durch Ein- und Ausfedern ausgeglichen werden können, ohne dass die Vorspannkraft nennenswert geändert wird. Durch die Federeigenschaften dieses Toleranzringes 88 wird eine Verspannung des Außenrings 84 des Wälzlagers 72 im Zwischenring 88 und eine Verspannung des Zwischenrings 88 in der Lageraufnahme 76 erzeugt, welche dazu führt, dass der Außenring 84 wie bei einer Ausführung mit einem Presssitz zwischen der Lageraufnahme 76 und dem Außenring 84 relativ zur Lageraufnahme 76 nicht bewegbar ist. Dies birgt den Vorteil, dass bei niedrigen Temperaturen von beispielsweise –40°C kein Überpressen der kalten Lageraufnahme 76 aus Aluminium durch den wärmeren Außenring 84 entsteht, was zu Schäden am Lagergehäuse 10 führen könnte und andererseits bei sehr hohen Temperaturen von beispielsweise 200°C trotz der stärkeren Ausdehnung der Lageraufnahme 76 im Vergleich zum Außenring 84 dennoch der Festsitz des Außenringes 84 nicht verloren geht.
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Alternativ wäre es auch möglich, den Zwischenring 88 als Stahlring auszuführen, der zur Lageraufnahme 76 gepasst ist und in dem der Außenring 84 des Wälzlagers 72 mittels Presssitz befestigt ist. Dieser müsste jedoch mit sehr engen Toleranzen gefertigt werden und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, der etwa dem des Außenringes 84 des ersten Wälzlagers 72 entspricht, um einerseits einen festen Sitz des Außenrings 84 bei allen Temperaturen sicherzustellen und andererseits keine zu hohen Verspannungen zur Lageraufnahme 76 aus Leichtmetall zu erzeugen.
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Das durch das zweite Wälzlager 74 gebildete, in 3 vergrößert dargestellte Loslager, ist in einer zweiten Lageraufnahme 92 angeordnet, welche durch einen sich vom Boden 50 des Elektronikgehäuseteils 20 in den Motorraum 28 erstreckenden zentralen ringförmigen Vorsprung 94 gebildet wird. Auch beim Innenring 96 dieses zweiten Wälzlagers 74 sollte ein Material wie beim ersten Wälzlager 72 verwendet werden, um eine bei jeder Temperatur etwa gleichbleibende Übergangspassung zwischen dem Innenring 96 und der Antriebswelle 24 zu erhalten. Axial liegt der Innenring 96 lediglich einseitig gegen einen zweiten Wellenabsatz 98 der Antriebswelle 24, der zwischen dem Rotor 22 und dem zweiten Wälzlager 74 ausgebildet ist, an.
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Ein Außenring 100 des zweiten Wälzlagers 74 ist mit der Lageraufnahme 92 lediglich über eine Spielpassung gepaart, welche beispielsweise etwa +5 bis +10µm beträgt. Dies ermöglicht eine axiale Verschiebung des Wälzlagers 74 in der Lageraufnahme 92, um Längendifferenzen der Antriebswelle 24 aufgrund von Temperaturunterschieden ausgleichen zu können. Um gleichzeitig ein Mitdrehen des Außenringes 100 zu verhindern, liegt dieser radial gegen einen Elastomerring 102 an, welcher beispielsweise aus Fluor-Karbon-Kautschuk oder einem Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk hergestellt wird. Dieser Elastomerring 102 ist in einer Radialnut 104 in der Lageraufnahme 92 befestigt und weist einen geringfügig kleineren Innendurchmesser auf als der ringförmige Vorsprung 94 beziehungsweise die Lageraufnahme 92, so dass er nach dem Zusammenbau elastisch verformt gegen den Außenring 100 anliegt. Durch diese Anordnung des Elastomerringes 102 wird eine radiale Vorspannung des Außenrings 100 erzeugt, ohne diesen zu verspannen.
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Um zusätzlich wechselnde Anlagekräfte der Wälzkörper 106 in den beiden Wälzlagern 72, 74 zu vermeiden, sind im ringförmigen Vorsprung 94 Federringe 108 in Form eines Wellenfederpakets angeordnet, über welches eine Ringscheibe 110 gegen den Außenring des zweiten Wälzlagers gedrückt wird. Die aufgrund der Federrate erzeugte Vorspannung der Federringe 108 ist dabei so zu wählen, dass die Lager 72, 74 weitestgehend positionsfest zur Antriebswelle 24 verbleiben und den auftretenden axialen Kräften begegnet werden. Eine typische Vorspannung beträgt beispielsweise etwa 30 bis 80N. Durch diese Vorspannung wird zunächst der Außenring 100 des Wälzlagers 74 axial belastet. Über die Wälzkörper 106 wird diese Kraft auf den Innenring 96 und von dort über die Wellenabsätze 82, 98 auf den Innenring 80 des ersten Wälzlagers 72 übertragen, der diese Kraft erneut über die Wälzkörper 106 auf den Außenring 84 des ersten Wälzlagers 72 überträgt. Durch die Einschnürung 46, gegen die der Außenring 84 anliegt, wird diese Kraft aufgenommen. Entsprechend wird die axiale Position der Antriebswelle 28 zum Anschlag 86 festgelegt. In der entgegengesetzten Richtung wird diese Position durch die Kraft der Federringe 108 festgelegt.
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Somit wird ein elektrischer Verdichter geschaffen, bei dem die Lagereinheit eine lange Lebensdauer aufweist, ohne dass zusätzliche Schmierstoffe eingebracht werden müssen. Die auftretenden Kräfte bei Drehzahlen von bis zu 100.000 U/min werden vollständig aufgenommen. Auch bei hohen Temperaturunterschieden und daraus folgenden unterschiedlichen Dehnungen der Lager, der Antriebswelle und des aufnehmenden Lagergehäuses wird die Funktionalität nicht eingeschränkt. Entsprechend wird ein reibungsarmer und dauerstabiler Lauf gewährleistet, da sowohl zu hohe Verspannkräfte als auch unerwünschte Kontaktverluste zuverlässig vermieden werden.
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Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich des Hauptanspruchs nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist. Insbesondere kann die beschriebene Lagereinheit für unterschiedlich aufgebaute elektrische Verdichter verwendet werden. Auch kann beispielsweise die Vorspannung der Welle anders erzeugt werden oder das Laufrad auf andere Weise auf der Welle befestigt werden. Andere konstruktive Änderungen sind ebenfalls denkbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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