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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lagereinheit für einen Abgasturbolader oder eine Abgasnutzturbine, im Einzelnen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Wälzgelagerte Abgasturbolader oder Abgasnutzturbinen, wie sie die vorliegende Erfindung betrifft, weisen gegenüber gleitgelagerten Abgasturboladern beziehungsweise Abgasnutzturbinen einen besseren Wirkungsgrad auf. Aufgrund der immer strikteren CO2-Anforderungen von mit Verbrennungsmotor angetriebenen Kraftfahrzeugen kommen daher entsprechende wälzgelagerte Abgasturbolader oder Abgasnutzturbinen, wobei bei letzteren Antriebsleistung von der Abgasnutzturbine der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors zugeführt wird, immer häufiger zum Einsatz.
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Wälzgelagerte Abgasturbolader beziehungsweise Abgasnutzturbinen der gattungsgemäßen Art weisen eine Lagereinheit mit einem Lageraußenring auf, der die äußere Laufbahn für die Wälzkörper zur Verfügung stellt. Die innere Laufbahn kann durch einen auf der Turbinenwelle montierten Lagerinnenring oder durch eine Oberfläche der Turbinenwelle selbst gebildet werden.
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Nachteilig bei den bekannten Ausführungsformen ist, dass die Lebensdauer der Lagereinheit dadurch beeinträchtigt werden kann, dass der Lageraußenring, der in der Regel mit einem diesen umschließenden Gehäuse einen Quetschölfilm ausbildet, aufgrund einer fehlenden Arretierung sich gegenüber dem Gehäuse verdrehen kann. Dies führt zu einem frühzeitigen Verschleiß an den Lageraußenringaußenflächen.
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Ferner schlagen die Lageraußenringe in der Regel axial an Vorsprüngen im Gehäuse an, was für eine präzise Ausrichtung der Lageraußenringe im Gehäuse eine präzise Herstellung der Stirnseiten des Lageraußenringes erfordert. Auch kann eine zusätzliche Abstandshülse zwischen zwei Lageraußenringen vorgesehen sein, die wiederum ein Präzisionsteil und daher teuer ist.
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Ein Mitdrehen des Lageraußenrings beeinträchtigt ferner die Ölzufuhr in die Wälzkörperreihe, weil die Ölzufuhr in der Regel über eine Zuführbohrung im Lageraußenring erfolgt. Mit Verdrehen des Lageraußenrings ändert sich auch die Position der Zuführbohrung, was zu nicht vorhersagbaren dynamischen Effekten bei der Lagerschmierung führt, zum Beispiel zu mehr Planschverlusten oder einer ungünstigen Kühlung. Ferner kann es zu einer ständigen Änderung der Druckverteilung im Quetschölfilm kommen, da die Zuführbohrung im Lageraußenring den Druck im Quetschölfilm in der Nähe der Bohrung vermindert.
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Wenn ein erster Lageraußenring an einem axialen Vorsprung im Gehäuse abgestützt ist und die axiale Positionierung des zweiten Lageraußenrings über dessen Abstützung mittels einer Abstandshülse am ersten Lageraußenring erfolgt, so ergibt sich eine Toleranzkette, die wiederum eine hochpräzise Herstellung der Lageraußenringe und der Abstandshülse erfordert. Ferner sind aufgrund von Wärmedehnungen vergleichsweise große Toleranzen erforderlich, die wiederum zu großen Axialspalten an den Turbinen- oder Turboladerschaufelrädern führen, wodurch der Wirkungsgrad des Abgasturboladers beziehungsweise der Abgasnutzturbine reduziert wird.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lagereinheit für einen Abgasturbolader oder eine Abgasnutzturbine der eingangs dargestellten Art anzugeben, welche eine kostengünstige Herstellung ermöglicht, eine hohe Lebensdauer aufweist und zugleich eine präzise Ausrichtung der Bauteile in Axialrichtung bei verminderter Toleranzkette gewährleistet.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine Lagereinheit mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
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Eine erfindungsgemäße Lagereinheit ist für einen Abgasturbolader und eine Abgasnutzturbine geeignet. Bei einem solchen Abgasturbolader trägt eine Turbinenwelle an einem axialen Ende ein Turbinenrad und am anderen entgegengesetzten axialen Ende ein Verdichterrad. Bei einer Abgasnutzturbine kann anstelle des Verdichterrads beispielsweise ein Ritzel vorgesehen sein, um über eine Triebverbindung mittels des Turbinenrads aus dem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors gewonnene mechanische Energie als Antriebsleistung dem Verbrennungsmotor oder einem anderen Aggregat zuzuführen.
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Eine erfindungsgemäße Lagereinheit weist wenigstens einen Lageraußenring auf. Insbesondere sind zwei mit Abstand zueinander positionierte Lageraußenringe vorgesehen, die beispielsweise über ein Federelement elastisch gegeneinander abgestützt oder vorgespannt sein können. Das Federelement ist beispielsweise als Wellfeder ausgeführt, was besonders hinsichtlich einer Schwingungsdämpfung günstig ist.
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Die erfindungsgemäße Lagereinheit weist wenigstens eine Wälzkörperreihe je Lageraußenring auf, umfassend eine Vielzahl von Wälzkörpern, die positioniert sind, um einerseits auf einer radial innen liegenden Lagerfläche des Lageraußenrings und andererseits auf einer radial außen liegenden Lagerfläche eines Lagerinnenrings oder einer Turbinenwelle abzuwälzen. Die Wälzkörper können beispielsweise als Kugeln oder als Zylinderrollen ausgeführt sein und insbesondere eine Lagerung mit O-Anordnung ausbilden. Bei einer solchen O-Anordnung sind die Kraftflusslinien in einem Druckmittelpunkt außerhalb der Wälzkörperreihen, zumindest außerhalb der axialen Mitte derselben, positioniert.
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Erfindungsgemäß weist der wenigstens eine Lageraußenring in einer radial außen positionierten Fläche eine Umfangsnut zur Aufnahme eines Sprengringes auf, wobei der Lageraußenring innerhalb der Umfangsnut mit einer Radialbohrung versehen ist.
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Die Radialbohrung kann als Blindbohrung oder Durchgangsbohrung ausgeführt sein. die Radialbohrung kann einen kreisförmigen Querschnitt mit konstantem oder variierendem Durchmesser oder auch einen von der Kreisform abweichenden Querschnitt aufweisen.
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Vorteilhaft ist in die Umfangsnut ein über seinem Umfang unterbrochener Sprengring eingesetzt, der eine elastische Vorspannkraft im Sinne einer Durchmesserreduzierung aufweist, wobei einander gegenüberstehende Umfangsenden des Sprengringes im Bereich der Radialbohrung positioniert sind. Vorteilhaft ist der Sprengring vollständig innerhalb des Außendurchmessers der Umfangsnut positioniert, sodass er nicht über die Umfangsnut radial nach außen herausragt. Dadurch ist es möglich, den Lageraußenring zusammenmit dem Sprengring besonders leicht in einem Gehäuse zu montieren, ohne dass die Gefahr besteht, dass der Sprengring axial anschlägt.
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Der Sprengring kann an einem oder beiden Umfangsenden einen radial nach innen gerichteten Vorsprung aufweisen, der durch die Vorspannkraft des Sprengringes in die Radialbohrung eingepresst wird. Dadurch wird der Sprengring im montierten Zustand, insbesondere wenn er noch vollständig innerhalb der Umfangsnut positioniert ist, sicher auf dem Lageraußenring gehalten und gegenüber der Radialbohrung mit seinen beiden Umfangsenden zentriert, sodass der Lageraußenring leicht in ein entsprechendes Gehäuse mit einer Gehäusebohrung eingesetzt werden kann, um anschließend einen Stift oder eine Schraube zwischen die Umfangsenden des Sprengringes und in die Radialbohrung einzubringen, sodass der Sprengring radial nach außen aufgeweitet wird und teilweise aus der Umfangsnut radial nach außen herausgedrückt wird, um den Lageraußenring im Gehäuse auszurichten und/oder axial zu lagern.
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Wenn der Stift oder die Schraube radial von außen durch die Gehäusebohrung bis in die Radialbohrung des Lageraußenrings eingebracht wird, wird eine Verdrehsicherung des Lageraußenringes im Gehäuse erreicht. Durch Aufweiten des Sprengringes mittels der zwischen die beiden Umfangsenden eingebrachten Stiftes oder der entsprechenden Schraube, sodass die Umfangsenden voneinander weggedrückt werden, kann ein Eintauchen des Sprengringes in eine entsprechend gegenüber zur Umfangsnut im Gehäuse angeordnete Gehäuseumfangsnut erreicht werden, sodass eine axiale Sicherung des Lageraußenringes über den Sprengring im Gehäuse erfolgt. Dies kann insbesondere die einzige axiale Sicherung des Lageraußenringes im Gehäuse sein.
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Insbesondere wenn der Lageraußenring über einen Quetschölfilm im Gehäuse gelagert wird, ist es vorteilhaft, die Verdrehsicherung mittels des Stiftes oder der Schraube und/oder die Axialsicherung mittels des Sprengringes mittels einer Spielpassung auszuführen, um ein freies Schwimmen des Lageraußenringes zur Lagerdämpfung zu gewährleisten. Günstig ist, wenn die Gehäuseumfangsnut und/oder die Umfangsnut im Lageraußenring ununterbrochen ausgeführt ist/sind, insbesondere mit einer konstanten Tiefe. Jedoch sind andere Ausgestaltungen möglich. Auch der Sprengring kann, insbesondere bis auf den Bereich seiner Umfangsenden, einen konstanten Querschnitt in Radialrichtung aufweisen. Insbesondere weist der Sprengring eine konstante Breite in Axialrichtung auf.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist die Schraube in die Radialbohrung des Lageraußenringes eingeschraubt, die entsprechend mit einem Innengewinde versehen ist, und vorteilhaft mit Spiel in eine Gehäusebohrung eingesetzt. Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist die Schraube in die Gehäusebohrung eingeschraubt, die entsprechend mit einem Innengewinde versehen ist, und vorteilhaft mit Spiel in die Radialbohrung im Lageraußenring eingesetzt.
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Das Einsetzen des Stiftes oder der Schraube erfolgt vorteilhaft radial von außen. Prinzipiell ist jedoch auch ein Einsetzen radial von innen oder eine federelastische Lösung denkbar, bei welcher ein entsprechender Stift gegen die Kraft eines Federelements radial nach innen gedrückt wird, um anschließend federelastisch in die Gehäusebohrung einzurasten.
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Ein erfindungsgemäßer Abgasturbolader oder eine erfindungsgemäße Abgasnutzturbine weist entsprechend eine Turbinenwelle auf, die mit einer erfindungsgemäßen Lagereinheit insbesondere in einer Bohrung in einem Turbinengehäuse gelagert ist. Dabei ist es möglich, dass die erfindungsgemäße Lagereinheit ein eigenes Gehäuse aufweist, das in ein weiteres Gehäuse des Abgasturboladers oder der Abgasnutzturbine beziehungsweise eine entsprechende Bohrung eingesetzt wird. Alternativ bildet das Gehäuse des Abgasturboladers oder der Abgasnutzturbine das den oder die Lageraußenringe umschließende Gehäuse.
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Erfindungsgemäß ist es möglich, die Lagereinheit, insbesondere umfassend zwei entsprechende Lageraußenringe, axial, beispielsweise zusammen mit der Turbinenwelle, in das Gehäuse einzuschieben, wobei nach dem Einschieben des oder der Lageraußenringe die Verdrehsicherung, insbesondere in Form einer Schraube, von außen, insbesondere von unten, durch das Gehäuse beziehungsweise die Gehäusebohrung in die Radialbohrung des Lageraußenringes eingebracht wird und dabei den Sprengring aufweitet. Der Sprengring bewegt sich durch diese Aufweitung radial in die Gehäuseumfangsnut und stellt so einen axialen Formschluss zwischen dem Lageraußenring und dem Gehäuse her. So können Axialkräfte ohne zusätzliche Abstützung und insbesondere ohne eine Abstandshülse zwischen zwei Lageraußenringen aufgenommen werden. Zugleich ergibt sich eine sehr kurze Toleranzkette, da nur die Umfangsnut im Lageraußenring und die Gehäuseumfangsnut zusammen mit dem zwischengeschalteten Sprengring die Toleranzkette bilden. Damit wird die axiale Bewegungsfreiheit der Lagereinheit reduziert, was wiederum enge Spalte am Turbinenrad beziehungsweise am Verdichterrad oder Ritzel des Abgasturboladers beziehungsweise der Abgasnutzturbine ermöglicht, sodass der Wirkungsgrad verbessert wird.
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Zur Demontage kann die Verdrehsicherung gelöst, insbesondere die Schraube herausgedreht werden, sodass sich der Sprengring durch seine elastische Vorspannung wieder in die Umfangsnut des Lageraußenrings zurückzieht und der Lageraußenring leicht axial aus dem Gehäuse entfernt werden kann. Dies kann für einen schnellen Austausch einer defekten Lagerung vorteilhaft sein.
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Die erfindungsgemäße Lösung benötigt keine axialen Anschläge am Gehäuse für die Stirnseiten des Lageraußenrings oder der Lageraußenringe, wodurch der Bauraum für entsprechende Anschläge im Gehäuse reduziert werden kann und Kosten bei der Herstellung der Lageraußenringe eingespart werden können, da eine Präzisionsbearbeitung der Stirnseiten vorteilhaft entfallen kann.
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Durch die Verdrehsicherung ist eine definierte und konstante Position einer Ölzuführung durch den Lageraußenring möglich, beispielsweise in Form einer Ölbohrung. Die Lagerschmierbedingungen sind gleichmäßiger und die Druckverteilung in einem vorteilhaft vorgesehenen Quetschölfilm sind konstant.
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Wenn die Umfangsenden des Sprengringes mit radial nach innen vorstehenden Vorsprüngen versehen sind, so stellen diese nicht nur eine Zentrierung der geeigneten Montageposition des Sprengringes auf dem Lageraußenring her, sondern können derart ausgeführt sein, dass der Sprengring über seinem kompletten inneren Umfang beim Einbringen der Verdrehsicherung vom Grund der Umfangsnut im Lageraußenring abgehoben wird und somit eine sichere Verbindung zum Gehäuse herstellt.
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Bei mehreren Wälzlagerreihen, die in Axialrichtung nebeneinander positioniert sind, kann sowohl ein gemeinsamer Lagerinnenring als auch eine direkte Lagerung auf der Welle ohne Lagerinnenring zum Einsatz gelangen. Alternativ werden mehrere axial nebeneinander angeordnete, insbesondere aneinander anliegende Lagerinnenringe vorgesehen. Besonders günstig sind Ausgestaltungen mit zwei entsprechenden Lagerinnenringen, von den jeweils einer einem Lageraußenring gegenübersteht.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und den Figuren exemplarisch beschrieben werden.
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Es zeigen:
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1 einen Axialschnitt durch eine erfindungsgemäße Lagereinheit zur Lagerung einer Turbinenwelle;
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2 einen Radialschnitt entlang der Schnittlinie H-H aus der 1;
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3 eine dreidimensionale Explosionsansicht der Lagereinheit aus der 1.
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Die in der 1 dargestellte Lagereinheit weist zwei Lager mit jeweils einem Lageraußenring 1 und einer Wälzkörperreihe 2 auf. Die beiden Lager bilden eine Lagerung mit O-Anordnung, siehe die eingezeichneten Kraftflusslinien durch die Wälzkörper 3. Demgemäß kann durch die axiale elastische Druckausübung mittels des Federelementes 15, das hier als Wellfeder ausgeführt ist, ein permanentes axiales und radiales Anliegen der Lageraußenringe 1 an der Turbinenwelle 16 beziehungsweise einer entsprechenden radialen Schulter derselben erreicht werden, sodass keine undefinierten Zustände in den Lagern auftreten. Dabei werden die Lageraußenringe 1 in Axialrichtung auseinander gedrückt
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Die Lageraußenringe sind über einen Ölfilm, insbesondere Quetschölfilm 17, im Gehäuse 12 gelagert, das heißt zwischen einer Innenseite des Gehäuses 12 und dem äußeren Umfang der Lageraußenringe 1 ist ein schwingungsdämpfender Quetschölfilm 17 vorgesehen. Eine Ölzufuhr kann über die Ölbohrungen 18 und die Ölverteilungsnuten 19 im Gehäuse 12 erfolgen, eine Ölabfuhr ist über den Ablauf 20 möglich.
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Von den Ölverteilungsnuten 19 kann das Öl über Ölbohrungen 21 in den Lageraußenringen 1 in den Bereich der Wälzkörper 3 gelangen.
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Die Wälzkörper 3 werden insbesondere in jeweils einem an dem jeweiligen Lageraußenring 1 anliegenden Käfig 22 gehalten.
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Die Turbinenwelle 16 trägt an ihrem axialen Ende ein Turbinenrad 23. Am anderen axialen Ende (nicht dargestellt) kann ein Verdichterrad oder auch ein Ritzel positioniert sein.
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Jeder Lageraußenring 1 ist mit einer Umfangsnut 5 auf seiner insbesondere zylindrischen Außenseite versehen. In der Umfangsnut 5 ist jeweils ein Sprengring 6 eingesetzt, der mittels einer in die Radialbohrung 7 im Lageraußenring 1 eingebrachten Schraube 10 derart aufgeweitet wurde, dass er auch in die Gehäuseumfangsnut 14 eintaucht. Die Schraube 10 stellt eine Verdrehsicherung des Lageraußenringes 1 her und ist hier in eine mit einem Innengewinde 11 versehene Gehäusebohrung 13 eingeschraubt.
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Aus der 2 ist das Aufweiten des Sprengrings 6 mittels der Schraube 10 ersichtlich. So werden die beiden einander in Umfangsrichtung gegenüberstehende Umfangsenden 8 des Sprengrings 6 durch Einführen der Schraube 10 auseinander gedrückt, sodass sich der Sprengring 6 vom Grund der Umfangsnut 5 abhebt und in die Gehäuseumfangsnut 14 eintaucht. Die beiden radial nach innen gerichteten Vorsprünge 9 an den Umfangsenden 8 des Sprengringes 6 bewirken zum einen eine Zentrierung des Sprengringes 6 gegenüber der Radialbohrung 7 bei der Vormontage des Sprengringes 6 auf dem Lageraußenring 1 und begünstigen ein gleichmäßiges Abheben des Sprengringes 6 vom Grund der Umfangsnut 5 beim Einführen der Schraube 10.
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In der 3 ist nochmals eine dreidimensionale Darstellung vor der Montage der Lagereinheit gezeigt. Hier erkennt man nochmals, dass das als Wellfeder ausgeführte Federelement 15 nur an einzelnen über dem Umfang verteilt angeordneten axialen Flächen 4 stirnseitig an den Lageraußenringen 1 anliegt, was günstig bezüglich der Reibung und der Schwingungsdämpfung ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lageraußenring
- 2
- Wälzkörperreihe
- 3
- Wälzkörper
- 4
- Axiale Fläche
- 5
- Umfangsnut
- 6
- Sprengring
- 7
- Radialbohrung
- 8
- Umfangsenden
- 9
- Vorsprung
- 10
- Schraube
- 11
- Innengewinde
- 12
- Gehäuse
- 13
- Gehäusebohrung
- 14
- Gehäuseumfangsnut
- 15
- Federelement
- 16
- Turbinenwelle
- 17
- Quetschölfilm
- 18
- Ölbohrung
- 19
- Ölverteilungsnuten
- 20
- Ablauf
- 21
- Ölbohrung
- 22
- Käfig
- 23
- Turbinenrad
