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Die Erfindung liegt auf dem Gebiet des Maschinenbaus und ist mit besonderem Vorteil in der Automobiltechnik einsetzbar.
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Konkret befasst sich die Erfindung mit Turboladereinrichtungen, wie sie bei Verbrennungskraftmaschinen nicht nur im Automobilbereich, sondern auch in anderen Gebieten des Transportwesens, bei Motorrädern, Booten oder auch Flugzeugen, eingesetzt werden. Die größte Anzahl von Verbrennungsmotoren wird jedoch zum Antrieb von Fahrzeugen eingesetzt. Solche Verbrennungsmotoren weisen oft Turbolader zur Verbesserung der Effizienz auf. Der Aufbau eines derartigen Turboladers sieht vor, dass eine Turbine im Abgasstrom des Motors angeordnet und durch diesen angetrieben wird und dass mittels der Turbine eine Welle angetrieben ist, auf der im Ansaugstrom des Verbrennungsmotors ein Verdichterrad angeordnet ist. Mittels des Verdichterrads wird die durch den Verbrennungsmotor angesaugte Luft vorverdichtet.
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Die gemeinsame Welle von Turbine/Turbinenrad und Verdichterrad muss robust, zuverlässig und dauerhaft drehbar gelagert sein, wobei die Lagerung für hohe Drehzahlen bis zu einigen tausend Umdrehungen pro Minute ausgelegt sein muss.
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Zudem treten bei verschiedenen Drehzahlen durch die aerodynamischen Wirkungen sowohl des Turbinenrads als auch des Verdichterrads unterschiedliche axiale Kräfte auf die gemeinsame Welle auf, die bei der Lagerung berücksichtigt werden müssen.
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Eine bekannte Lösung zur Lagerung der gemeinsamen Welle von Turbinenrad und Verdichterrad in einem Turbolader sieht zwei voneinander beabstandete Wälzlager vor, die eine gemeinsame Kugellagerhülse aufweisen, die auf der Welle in Axialrichtung beide Kugellager überdeckt.
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Die
DE 11 2010 001 913 T5 betrifft ein System zur Begrenzung einer Turboladerwälzelementlagerpatrone und ein System, das mit einfacher Bearbeitung und preiswerten Teilen eine korrekte Montage sicherstellt und eine Verdrehsicherung sowie eine Begrenzung gegenüber Schublasten in beiden axialen Richtungen liefert. Die Erfindung liefert ein System zum Montieren der REB-Patrone mit ausreichendem Spiel, um ein Dämpfen durch einen kapselnden Ölfilm oder einen Ölfluss unter Druck zu gestatten, wobei aber gleichzeitig die REB-Patrone axial gehalten werden kann, um die axialen Lasten auf das Lagergehäuse zu übertragen, und rotationsmäßig, sodass sich die REB-Patrone nicht relativ zu dem Lagergehäuse dreht. Die
DE 10 2013 223 892 A1 betrifft eine Lageranordnung, umfassend ein Lager mit einem Innen- und/oder einem Außenring, und eine Welle, die in den Innenring eingreift oder den Außenring umgreift, sowie einen das Lager axial an der Welle sichernden Sicherungsring.
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Die
DE 10 2011 081 200 A1 betrifft eine Wälzlageranordnung für einen Rotor einer Turbine, vorzugsweise eines Abgasturboladers, mit einem Lagergehäuse. Eine reduzierte Vibrationsneigung ergibt sich durch eine Lagerkartusche, die eine Aussenschale und konzentrisch dazu eine Innenschale aufweist, wobei ein Öldämpfungsringkanal radial zwischen dem Lagergehäuse und der Aussenschale ausgebildet ist, wobei der Öldämpfungsringkanal proximal zur jeweiligen axialen Stirnseite der Lagerkartusche durch einen Verschlussring begrenzt ist, der am Lagergehäuse angeordnet ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gemeinsame Welle von Turbinenrad und Verdichterrad mittels der Kugellager in einem Gehäuse der Turboladereinrichtung derart zu halten, dass die Kugellagerhülse verdrehsicher und in Axialrichtung unverschiebbar fixiert ist.
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Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Erfindung gelöst durch eine Turboladereinrichtung für einen Verbrennungsmotor mit einer Abgasturbine und mit einem Verdichterrad, die auf einer gemeinsamen Turboladerwelle angeordnet sind, wobei die Abgasturbine im Abgasstrom des Verbrennungsmotors und das Verdichterrad im Ansaugstrom des Verbrennungsmotors angeordnet ist und wobei die Turboladerwelle mittels zweier voneinander in Axialrichtung der Welle voneinander beabstandeter Kugellager und einer beiden Kugellagern gemeinsamen Kugellagerhülse in einer Aufnahmebohrung im Gehäuse der Turboladereinrichtung gelagert ist, wobei die Kugellagerhülse mittels eines Federrings in der Aufnahmebohrung gehalten ist, der wenigstens teilweise in eine Bohrungsnut am Umfang der Aufnahmebohrung und wenigstens teilweise in eine Ausnehmung an der äußeren Mantelseite der Kugellagerhülse eintaucht.
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Durch eine derartige Feder/Nut-Anordnung wird die Kugellagerhülse in axialer Richtung innerhalb der Aufnahmebohrung fixiert. In radialer Richtung kann die Kugellagerhülse innerhalb der Aufnahmebohrung, soweit die Fertigungs- und Toleranzmaße es zulassen, Ausgleichsbewegungen durchführen. Damit sind mechanische Überbestimmtheiten bei der Lagerung der Welle vermieden.
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Durch die axiale Belastung der Welle und der Hülse in Folge der Belastungen am Turbinenrad und an dem Verdichterrad wird eine Reibung zwischen der Kugellagerhülse, dem Federring und der Nut in der Aufnahmebohrung erzeugt, die ausreicht, um eine Drehung der Kugellagerhülse im Betrieb weitgehend zu vermeiden.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Federring offen ist und derart dimensioniert ist, dass er elastisch komprimiert in der Bohrungsnut am Umfang der Aufnahmebohrung verklemmt ist. Damit ist eine Relativbewegung zwischen dem Federring und dem Gehäuse der Turboladereinrichtung weitgehend vermieden. Bewegungen sind überwiegend zwischen der Kugellagerhülse und dem Federring zu erwarten. Die Verdrehsicherheit wird durch diese Fixierung des Federrings weiter gesichert. Es wird auch das Auftreten von Klapperbewegungen des Federrings in der Nut weitgehend vermieden, das insbesondere bei Resonanzfrequenzen störend werden könnte.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Federring derart komprimierbar ist, dass sein Außendurchmesser kleiner ist als der Innendurchmesser der Aufnahmebohrung. Auf diese Weise kann die Kugellagerhülse mit dem Federring in die Aufnahmebohrung geschoben werden, sofern der Federring in die Nut an der Kugellagerhülse hinein komprimiert ist.
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Es kann zudem vorteilhaft vorgesehen sein, dass der Federring im Querschnitt bezüglich einer Mittelachse spiegelsymmetrisch aufgebaut ist. Auf diese Weise muss bei der Montage nicht auf die Montagerichtung des Federrings geachtet werden. Auch die Verteilung und Ableitung der Kräfte bei einer Belastung der Feder lassen sich bei dieser Geometrie optimieren.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Federring im Querschnitt zwei zueinander parallele Seiten aufweist, die im Einbauzustand senkrecht zur Längsachse der Aufnahmebohrung verlaufen. Auf diese Weise kann der Federring derart gestaltet werden, dass die Seitenflächen, die in eine Nut der Kugellagerhülse eintauchen, senkrecht zur Rotationsachse der Turboladerwelle verlaufen. Die Wände der Nut in der Kugellagerhülse bzw. die Absätze/Schultern in der Geometrie der Kugellagerhülse können dann derart gestaltet werden, dass die jeweils an den Federring anstoßende Fläche der Kugellagerhülse parallel zu der Fläche des Federrings liegt, an den sie anstößt. Damit sind definierte Berührungs- und Reibungsverhältnisse zwischen der Kugellagerhülse und dem Federring gegeben.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, dass der Federring im Querschnitt zwei Schrägseiten aufweist, die insbesondere in einem Winkel zueinander verlaufen, der kleiner als 130 Grad, insbesondere kleiner als 110 Grad, weiter insbesondere kleiner als oder gleich 90 Grad ist. Damit ist eine Zentrierung des Federrings in der Bohrungsnut am Umfang der Aufnahmebohrung in besonders einfacher Weise möglich.
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Dabei kann weiter vorgesehen sein, dass zwischen den beiden Schrägseiten eine Flachseite verläuft, die den Winkel zwischen den beiden Schrägseiten abschneidet.
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Mit der Bohrungsnut wirkt der Federring besonders wirkungsvoll zusammen, wenn die Bohrungsnut zwei schräge Flanken aufweist, die im Querschnitt einen Winkel miteinander einschließen, der größer als oder gleich groß wie der Winkel zwischen den beiden Schrägseiten des Federringes ist. Wenn der Winkel zwischen den Flanken der Bohrungsnut gleich groß ist wie der Winkel zwischen den Schrägseiten des Federrings, dann ist eine besonders gute Passung gewährleistet.
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Die Erfindung bezieht sich außer auf eine Turboladereinrichtung der oben erläuterten Art auch auf ein Verfahren zur Montage einer Turboladereinrichtung, bei dem zunächst der Federring so weit in die Ausnehmung an der äußeren Mantelseite der Kugellagerhülse hineingedrückt wird, dass sein Außendurchmesser kleiner oder gleich dem Durchmesser der Aufnahmebohrung ist und dass die Kugellagerhülse, üblicherweise gemeinsam mit der Turboladerwelle, in diesem Zustand so weit in die Aufnahmebohrung eingeschoben wird, bis der Federring die Bohrungsnut am Umfang der Aufnahmebohrung erreicht und sich in die Bohrungsnut hinein aufweitet, dabei jedoch noch teilweise in die Ausnehmung an der Mantelseite der Kugellagerhülse eintaucht. Auf diese Weise lässt sich eine erfindungsgemäße Turboladereinrichtung besonders effizient montieren.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Figuren einer Zeichnung gezeigt und erläutert. Dabei zeigt
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1 eine Seitenansicht eines Federrings im entspannten Zustand,
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2 eine Seitenansicht des Federrings aus 1 in einem teilweise komprimierten Zustand,
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3 eine Seitenansicht des Federrings aus den 1 und 2 in einem maximal komprimierten Zustand,
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4 eine geschnittene Darstellung eines Teils einer Turboladereinrichtung während eines ersten Montageschritts,
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5 die Einrichtung aus 4 in einer zweiten Phase der Montage,
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6 die Einrichtung aus den 4 und 5 in der Endphase der Montage,
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7 einen Detailausschnitt aus 6, der dort mit A bezeichnet ist, und
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8 einen Schnitt durch den in der Nut der Aufnahmebohrung befindlichen Federring.
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1 zeigt in einer Seitenansicht den Federring 1, wobei dieser im entspannten Zustand ohne Krafteinwirkung dargestellt ist. Der Federring ist in dieser Stellung derart gespreizt, dass die beiden offenen Enden 1a, 1b des Rings um den Abstand a1 auseinanderklaffen. Der Federring weist in diesem Zustand den Durchmesser D1 auf.
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2 zeigt einen teilweise komprimierten Zustand des Federrings 1, in dem dieser so weit (bis auf den Durchmesser D2) zusammengedrückt ist, dass die freien Enden 1a, 1b aneinander bis auf den Abstand a2 angenähert sind. In diesem Zustand befindet sich der Federring, wenn er in der in der Aufnahmebohrung umlaufenden Bohrungsnut eingeklemmt ist. Die elastischen Materialkräfte innerhalb des Federrings, die die Tendenz haben, diesen aufzuweiten, verklemmen ihn radial von innen in der Nut.
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3 zeigt den Federring 1 in der maximal komprimierten Stellung, in der die Enden 1a, 1b aneinander anstoßen, so dass der Abstand a3 minimiert bzw. auf null gebracht ist. Der Durchmesser ist in dieser Stellung mit D3 bezeichnet. In diesem maximal komprimierten Zustand taucht bei der Montage der Federring in eine Nut oder Ausnehmung der Kugellagerhülse ein, so dass der Außendurchmesser des Federrings kleiner ist als der Durchmesser der Aufnahmebohrung. In dieser Position kann dann die Turboladerwelle mit der Kugellagerhülse und dem Federring in die Aufnahmebohrung eingeschoben werden. Erreicht beim axialen Einschieben der Federring die Nut in der Aufnahmebohrung, so schnappt der Federring radial nach außen in die Nut ein und verriegelt die Kugellagerhülse.
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Die 4, 5 und 6 zeigen grundsätzlich dieselben Teile im Aufbau einer Turboladereinrichtung in einem Schnitt, wobei die drei Figuren unterschiedliche, aufeinanderfolgende Phasen des Montagevorgangs zeigen. Gleiche Bezugszeichen sind in den 4, 5 und 6 jeweils für dieselben Teile verwendet.
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Die Turboladerwelle 4 trägt auf einer Seite das dargestellte Turbinenrad 5, das im montierten Zustand in einem gesonderten, das Abgas des Verbrennungsmotors führenden Raum angeordnet ist. Das Turbinenrad 5 ist auf der Welle 4 befestigt. Die Welle 4 weist zwei Laufbahnen 6a, 7a für Wälzkörper/Kugeln 6b, 7b der Kugellager 6, 7 auf. Die Kugellager 6, 7 weisen eine gemeinsame Kugellagerhülse 8 auf, die in Axialrichtung in zwei Teile 8a, 8b geteilt ist. Im Bereich zwischen den Teilen 8a, 8b der Kugellagerhülse ist eine Nut 9 vorgesehen, die den Federring 1 ganz oder teilweise aufnehmen kann. Die Teile 8a, 8b der Kugellagerhülse 8 sind gemeinsam an einer radial innerhalb der Teile 8a, 8b liegenden Hülse geführt, oder eines der Teile 8a, 8b weist in seinem radial Inneren ein Führungsrohr auf, auf dem der jeweils andere Teil gleitet. Somit ist die Kugellagerhülse 8 in axialer Richtung expandierbar, um die Kugellager in einfacher Weise montieren zu können.
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Zur Montage der Kugellager wird ein erstes Kugellager 7 montiert, dann die Kugellagerhülse 8 in axial komprimiertem Zustand aufgeschoben, so dass das die Position des zweiten Kugellagers 6 in diesem Zustand von der Kugellagerhülse 8 nicht überdeckt ist. Nach Montage der Wälzkörper an dem zweiten Kugellager wird dann die Kugellagerhülse 8 expandiert, so dass sie beide Kugellager 6, 7 überdeckt.
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In 4 weist der Federring 1 den Durchmesser D1 auf, der dem radial entspannten Zustand des Federrings entspricht. In diesem Zustand ist der Durchmesser des Federrings 1 größer als der Durchmesser der Aufnahmebohrung 10 in dem Gehäuse 11 der Turboladereinrichtung. Innerhalb der Turboladereinrichtung sind Kanäle 12, 13 eingezeichnet, die der Schmierung der Welle 4 dienen. Auch die Kugellagerhülse 8 wird innerhalb der Aufnahmebohrung 10 mittels eines Flüssigkeitsfilms/Ölfilms gelagert.
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An dem dem Turbinenrad 5 gegenüberliegenden Ende 14 der Welle 4 wird nach der Montage ein Verdichterrad der Turboladereinrichtung befestigt.
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Bei dem in 5 dargestellten Zustand weist der Federring 1 den Durchmesser D3 auf und ist maximal komprimiert, derart, dass sein Durchmesser dem Durchmesser der Aufnahmebohrung 10 entspricht. Auf diese Weise kann die Welle 4 mit der Kugellagerhülse 8 und dem Federring 1 weiter in die Aufnahmebohrung 10 hineingeschoben werden.
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In 6 ist der Zustand nach dem Einschnappen des Federrings 1 in die Nut 3 dargestellt. Der Federring verriegelt die Kugellagerhülse 3 so in Axialrichtung. Er weist in dieser Stellung den Durchmesser D2 auf und ist elastisch radial nach außen in die Nut 3 gepresst.
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7 zeigt in einem vergrößerten Ausschnitt, der in 6 mit ”A” bezeichnet ist, im Querschnitt innerhalb einer Ringnut 3 der Aufnahmebohrung 10 einen Federring 1, der bezüglich der Mittelachse m symmetrisch ist. Der Querschnitt des Federrings 1 weist zwei zueinander parallele Seiten 1g, 1c auf, die im Einbauzustand senkrecht zur Längsachse 15 der Aufnahmebohrung verlaufen. Zudem weist der Federringquerschnitt zwei Schrägseiten 1d, 1e auf, die dachartig aufeinander zulaufen und durch eine Flachseite 1f abgeschnitten sind. Der Winkel α, den die Schrägseiten 1d, 1e miteinander einschließen, ist in 8 vergrößert eingezeichnet. Dieser Winkel α entspricht in dem Ausführungsbeispiel dem Winkel, den die Flanken am Boden der Nut 3 miteinander einschließen, so dass der Federring formschlüssig in die Nut 3 hineinpasst. Eine derart genaue Passung verhindert bei Belastung eine Bewegung des Federrings 1 und hieraus resultierende Klappergeräusche.
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In 7 ist die elastische Kraft des Federrings 1, die diesen radial nach außen in die Nut 3 in der Aufnahmebohrung drückt, mit Fr bezeichnet.
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In 8 ist die Passung des Federrings 1 in der Nut 3 im Gehäuse 11 der Turboladereinrichtung detaillierter und mit der Angabe der wirkenden Kräfte dargestellt. Der Federring kann in eine am Umfang umlaufende Nut der Kugellagerhülse 8 oder in einen Zwischenraum zwischen den Teilen 8a, 8b eintauchen, von denen wenigstens eines auf einem inneren Führungsrohr geführt ist, das mit dem jeweils anderen Teil verbunden ist. Das innen liegende Führungsrohr ist bezüglich seines Außendurchmessers so gestaltet, dass es ein Eintauchen des Federrings zwischen den Teilen 8a, 8b in hinreichender Tiefe erlaubt.
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Der Federring 1 ist gemäß 8 passgenau in die Nut 3 am Umfang der Aufnahmebohrung eingelegt und durch die radial nach außen wirkende Expansionskraft des Federrings Fr in die Nut 3 hineingepresst.
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Mit Fa ist eine axial wirkende Kraft bezeichnet, die auf die Welle 4 und damit auf die Kugellagerhülse 8, insbesondere den Teil 8a, wirkt. Dieser stützt sich an dem Federring 1 ab und drückt diesen mit der Schrägseite 1d an die Flanke der Nut 3. Der andere Teil 8b der Kugellagerhülse kann sich in diesem Fall teilweise frei bewegen. Im rechten oberen Teil der 8 ist die wirkende Kraft senkrecht zur Schrägfläche 1d dargestellt, die sich als Resultierende aus den wirkenden Kräften Fr und Fa bildet. Diese bewirkt durch Reibung Fμ eine Haftkraft, die einer Verschiebung des Federrings in der Nut 3 entgegenwirkt.
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Es bleibt zudem ein Teil der Kraft Fr übrig, der den Federring auch an die Schrägfläche 1e im linken Teil der Zeichnung rückt und dort eine entsprechende Haftreibungskraft erzeugt (Ftμ).
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9 zeigt in einem Ausschnitt einen Teil der Kugellagerhülse 8 im Querschnitt. Es ist gezeigt, dass der Teil 8b der Kugellagerhülse mit einem inneren Führungsrohr 8c verbunden ist, auf dem der andere Teil 8a der Kugellagerhülse gleitend geführt ist. Damit können sich die Teile 8a, 8b in Axialrichtung entlang der Mittelachse 8d gegeneinander bewegen. Es kann eine Federkraft vorgesehen sein, die eine Expansion der beiden Teile 8a, 8b in Axialrichtung bewirkt, um die beiden Kugellager in Axialrichtung vorzuspannen und damit in einer definierten Position bezüglich der Welle 4 zu halten. Das Führungsrohr 8c ist bezüglich seines Durchmessers derart gewählt, dass der Federring 1 ausreichend Platz zum Eintauchen in den Zwischenraum zwischen den Teilen 8a, 8b in Radialrichtung findet.
