DE102016211807B4 - Turbocharger for an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Turbolader (1) für eine Brennkraftmaschine, der ein Lagergehäuse (41), eine Läuferwelle (14), auf welcher ein Turbinenrad (12) sowie ein Verdichterrad (13) drehfest anordenbar sind und zumindest ein Radiallager (42), mittels welchem die Läuferwelle (14) in dem Lagergehäuse (41) drehbar gelagert ist, aufweist. Das Radiallager (42) weist dabei eine Lagerbuchse (421) auf, die ein erstes Material (422) aufweist und die Läuferwelle (14) umgibt. Zwischen der Läuferwelle (14) und der Lagerbuchse (421) ist eine Lage eines zweiten Materials (423) angeordnet, wobei das erste Material (422) und die Lage des zweiten Materials (423) jeweils unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen und das zweite Material (423) mit einer aufgebrachten Gleitbeschichtung versehen ist.The invention relates to a turbocharger (1) for an internal combustion engine, which has a bearing housing (41), a rotor shaft (14), on which a turbine wheel (12) and a compressor wheel (13) can be arranged in a rotationally fixed manner, and at least one radial bearing (42). which the rotor shaft (14) is rotatably mounted in the bearing housing (41). The radial bearing (42) has a bearing bush (421) which has a first material (422) and surrounds the rotor shaft (14). A layer of a second material (423) is arranged between the rotor shaft (14) and the bearing bush (421), the first material (422) and the layer of the second material (423) each having different thermal expansion coefficients and the second material (423) is provided with an applied anti-friction coating.
Description
Die Erfindung betrifft einen Turbolader für eine Brennkraftmaschine.The invention relates to a turbocharger for an internal combustion engine.
Abgasturbolader werden vermehrt zur Leistungssteigerung bei Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren eingesetzt. Dies geschieht immer häufiger mit dem Ziel, den Verbrennungsmotor bei gleicher oder gar gesteigerter Leistung in Baugröße und Gewicht zu reduzieren und gleichzeitig den Verbrauch und somit den CO2-Ausstoß, im Hinblick auf immer strenger werdende gesetzliche Vorgaben diesbezüglich, zu verringern. Das Wirkprinzip besteht darin, die im Abgasstrom enthaltene Energie zu nutzen, um einen Druck in einem Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors zu erhöhen und so eine bessere Befüllung eines Brennraumes des Verbrennungsmotors mit Luft-Sauerstoff zu bewirken. Somit kann mehr Treibstoff, wie Benzin oder Diesel, pro Verbrennungsvorgang umgesetzt werden, also die Leistung des Verbrennungsmotors erhöht werden.Exhaust gas turbochargers are increasingly being used to increase the performance of motor vehicle internal combustion engines. This is happening more and more often with the aim of reducing the size and weight of the internal combustion engine while maintaining the same or even increased performance and at the same time reducing consumption and thus CO2 emissions in view of increasingly strict legal requirements in this regard. The operating principle is to use the energy contained in the exhaust gas flow to increase a pressure in an intake tract of the internal combustion engine and thus to better fill a combustion chamber of the internal combustion engine with air-oxygen. This means that more fuel, such as gasoline or diesel, can be converted per combustion process, i.e. the performance of the internal combustion engine can be increased.
Dazu weist der Abgasturbolader eine im Abgastrakt des Verbrennungsmotors angeordnete Abgasturbine, einen im Ansaugtrakt angeordneten Frischluftverdichter und ein dazwischen angeordnetes Läuferlager auf. Die Abgasturbine weist ein Turbinengehäuse und ein darin angeordnetes, durch den Abgasmassenstrom angetriebenes Turbinenlaufrad auf. Der Frischluftverdichter weist ein Verdichtergehäuse und ein darin angeordnetes, einen Ladedruck aufbauendes Verdichterlaufrad auf. Das Turbinenlaufrad und das Verdichterlaufrad sind auf den sich gegenüberliegenden Enden einer gemeinsamen Welle, der sogenannten Läuferwelle, drehfest angeordnet und bilden so den sogenannten Turboladerläufer. Die Läuferwelle erstreckt sich axial zwischen Turbinenlaufrad und Verdichterlaufrad durch das zwischen Abgasturbine und Frischluftverdichter angeordnete Läuferlager und ist in diesem, in Bezug auf die Läuferwellenachse, radial und axial drehgelagert. Gemäß diesem Aufbau treibt das vom Abgasmassenstrom angetriebene Turbinenlaufrad über die Läuferwelle das Verdichterlaufrad an, wodurch der Druck im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors, bezogen auf den Frischluftmassenstrom hinter dem Frischluftverdichter, erhöht und dadurch eine bessere Befüllung des Brennraumes mit Luft-Sauerstoff bewirkt wird.For this purpose, the exhaust gas turbocharger has an exhaust gas turbine arranged in the exhaust tract of the internal combustion engine, a fresh air compressor arranged in the intake tract and a rotor bearing arranged in between. The exhaust gas turbine has a turbine housing and a turbine impeller arranged therein that is driven by the exhaust gas mass flow. The fresh air compressor has a compressor housing and a compressor impeller arranged therein that builds up a boost pressure. The turbine impeller and the compressor impeller are arranged in a rotationally fixed manner on the opposite ends of a common shaft, the so-called rotor shaft, and thus form the so-called turbocharger rotor. The rotor shaft extends axially between the turbine impeller and the compressor impeller through the rotor bearing arranged between the exhaust gas turbine and the fresh air compressor and is radially and axially rotatably mounted in this with respect to the rotor shaft axis. According to this design, the turbine impeller driven by the exhaust gas mass flow drives the compressor impeller via the rotor shaft, thereby increasing the pressure in the intake tract of the combustion engine, relative to the fresh air mass flow behind the fresh air compressor, and thus improving the filling of the combustion chamber with atmospheric oxygen.
Das Lagersystem von Abgasturboladern kleiner werdender Verbrennungsmotoren muss zunehmenden Belastungen standhalten. Beispielsweise stellen zur Trägheitsreduktion reduzierte Durchmesser des Turbinen- und/oder Verdichterrads und einhergehend hohe Drehzahlen der Läuferwelle sowie zunehmend dünnere Motoröle, welche die Reibleistung des Antriebs und damit Verluste reduzieren, neue Herausforderungen für das Lagersystem dar. Darüber hinaus sind der Tragfähigkeit und somit der Robustheit des Lagersystems für die Anwendung in modernen PKWs Grenzen gesetzt. Anforderungen an höchste Lagerrobustheit und ein großserientaugliches Design erfordern unter den Randbedingungen variierender Betriebsbedingungen, Fertigungstoleranzen und Machbarkeit einen optimalen Kompromiss in der Auslegung des Lagersystems.The bearing system of exhaust gas turbochargers in combustion engines that are becoming smaller must be able to withstand increasing loads. For example, reduced diameters of the turbine and/or compressor wheel to reduce inertia and the associated high speeds of the rotor shaft as well as increasingly thinner engine oils, which reduce the frictional power of the drive and thus losses, represent new challenges for the bearing system. In addition, the load capacity and thus the robustness are There are limits to the storage system for use in modern cars. Requirements for maximum bearing robustness and a design suitable for large-scale production require an optimal compromise in the design of the bearing system under the constraints of varying operating conditions, manufacturing tolerances and feasibility.
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Weiterhin offenbart die Druckschrift
Weitere Ausführungen von Schwimmbuchsenlagern für einen Turbolader sind beispielsweise in den Druckschriften JP S57-76316 A und
Eine Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es, ein Lagerungskonzept für einen Turbolader anzugeben, welches zu einem effizienten Betrieb eines Turboladers beiträgt.One object on which the invention is based is to provide a bearing concept for a turbocharger, which contributes to the efficient operation of a turbocharger.
Es wird ein Turbolader für eine Brennkraftmaschine offenbart, welcher ein Lagergehäuse und eine Läuferwelle aufweist, auf welcher ein Turbinenrad sowie ein Verdichterrad drehfest anordenbar sind. Der Turbolader weist zumindest ein Radiallager auf, mittels welchem die Läuferwelle in dem Lagergehäuse drehbar gelagert ist. Das Radiallager hat eine Lagerbuchse, die die Läuferwelle umgibt. Die Lagerbuchse weist ein erstes Material auf. Zwischen der Läuferwelle und der Lagerbuchse ist eine Lage eines zweiten Materials angeordnet, wobei das erste und das zweite Material jeweils unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten haben. Die Lage des zweiten Materials ist entweder an der Lagerbuchse angeordnet und ist mit einer separaten, auf der der Läuferwelle zugewandten Seite aufgebrachten Gleitbeschichtung versehen oder die Lage des zweiten Materials ist an der Läuferwelle angeordnet und ist mit einer separaten, auf der der Lagerbuchse zugewandten Seite aufgebrachten Gleitbeschichtung versehen.A turbocharger for an internal combustion engine is disclosed, which has a bearing housing and a rotor shaft on which a turbine wheel and a compressor wheel can be arranged in a rotationally fixed manner. The turbocharger has at least one radial bearing, by means of which the rotor shaft is rotatably mounted in the bearing housing. The radial bearing has a bearing bush that surrounds the rotor shaft. The bearing bush has a first material. A layer of a second material is arranged between the rotor shaft and the bearing bush, the first and second materials each having different coefficients of thermal expansion. The layer of the second material is either arranged on the bearing bush and is provided with a separate anti-friction coating applied to the side facing the rotor shaft, or the layer of the second material is arranged on the rotor shaft and is provided with a separate one on the bearing Anti-slip coating applied on the side facing the socket.
Typischerweise ist das Radiallager eines Turboladers als öldurchflutetes Schwimmbuchsenlager ausgeführt. Dabei ist die Lagerbuchse zwischen einem Teil des Lagergehäuses, und der Läuferwelle angeordnet. Zwischen der im Betrieb rotierenden Läuferwelle und dem Lagergehäuse nimmt die rotierende Lagerbuchse die auftretenden Radialkräfte, wie Unwuchtkräfte, auf. Am inneren Durchmesser einer solchen Lagerbuchse zur Läuferwelle hin ist hierzu ein innerer Lagerspalt und am äußeren Durchmesser der Buchse zum Lagergehäuse hin ist ein äußerer Lagerspalt ausgebildet. Die beiden Spalte sind zumindest im Betrieb mit Öl gefüllt zur Ausbildung von Schmierfilmen.Typically, the radial bearing of a turbocharger is designed as an oil-flooded floating bush bearing. The bearing bushing is arranged between part of the bearing housing and the rotor shaft. Between the rotor shaft, which rotates during operation, and the bearing housing, the rotating bearing bush absorbs the radial forces that occur, such as unbalance forces. For this purpose, an inner bearing gap is formed on the inner diameter of such a bearing bush towards the rotor shaft and an outer bearing gap is formed on the outer diameter of the bush towards the bearing housing. The two gaps are filled with oil, at least during operation, to form lubricating films.
Neben einem grundsätzlichen Design des Radiallagers stellen die Lagerspalte Parameter zur Erreichung der Tragfähigkeit dar, um etwa Unwucht- und Starrkörperkräfte aufnehmen zu können. Diese sind im Wesentlichen durch Fertigungstoleranzen beeinflusst. Darüber hinaus verändern sich die Lagerspalte aufgrund der verschiedenen thermischen Dehnungen der entsprechenden Lagerkomponenten, insbesondere der Lagerbuchse, im Betrieb. Beispielhafte Lagerspalte bewegen sich im Bereich von wenigen Hundertstel Millimetern, wobei die Veränderung eines Spaltes ab wenigen Tausendstel Millimeter bereits signifikanten Einfluss auf das Lagersystem haben kann.In addition to a basic design of the radial bearing, the bearing gaps represent parameters for achieving the load capacity in order to be able to absorb unbalance and rigid body forces. These are essentially influenced by manufacturing tolerances. In addition, the bearing gaps change during operation due to the different thermal expansions of the corresponding bearing components, in particular the bearing bush. Examples of bearing gaps are in the range of a few hundredths of a millimeter, although changing a gap of just a few thousandths of a millimeter can have a significant impact on the bearing system.
So nimmt bei zunehmender Öltemperatur (und damit der Bauteiltemperatur von Lagerbuchse und Welle) die Viskosität des Öls ab, wodurch die Tragfähigkeit des Lagersystems reduziert würde. Weiterhin wurde erkannt, dass die thermische Ausdehnung der Lagerbuchse bei hohen (Öl-) Temperaturen zu einer Reduzierung des äußeren Lagerspalts und einer Vergrößerung des inneren Lagerspalts führt. Entsprechend würde sich die Tragfähigkeit des Radiallagers am inneren Spalt verschlechtern, während sie sich am äußeren Spalt verbessert.As the oil temperature increases (and thus the component temperature of the bearing bush and shaft), the viscosity of the oil decreases, which would reduce the load-bearing capacity of the bearing system. Furthermore, it was recognized that the thermal expansion of the bearing bush at high (oil) temperatures leads to a reduction in the outer bearing gap and an increase in the inner bearing gap. Accordingly, the bearing capacity of the radial bearing would deteriorate at the inner gap while it improves at the outer gap.
Durch das Vorsehen der Lage des zweiten Materials wird zu einem effizienten Betrieb des Turboladers beigetragen. Die Lage des zweiten Materials ist entweder an der Läuferwelle oder an der Lagerbuchse angeordnet. Es ist auch denkbar, dass zwei solcher Lagen vorgesehen sind, eine an der Lagerbuchse und eine an der Läuferwelle. Die Lage des zweiten Materials weist eine Gleitfläche auf, die je nach Anordnung entweder in der Lagerbuchse oder um die Läuferwelle gleitet. Das Anordnen des zweiten Materials zwischen der Lagerbuchse und der Läuferwelle bedeutet, dass in der folgenden Reihenfolge ein Wellenmaterial der Welle, das zweite Material und das erste Material der Buchse übereinander, etwa schichtartig, angeordnet sind. Mit anderen Worten findet in einer radialen Richtung bezüglich der Läuferwelle ein Materialübergang von dem Wellenmaterial zu dem zweiten und dem ersten Material statt.Providing the layer of the second material contributes to efficient operation of the turbocharger. The layer of the second material is arranged either on the rotor shaft or on the bearing bush. It is also conceivable that two such layers are provided, one on the bearing bush and one on the rotor shaft. The layer of the second material has a sliding surface which, depending on the arrangement, slides either in the bearing bush or around the rotor shaft. Arranging the second material between the bearing bush and the rotor shaft means that a shaft material of the shaft, the second material and the first material of the bush are arranged one above the other, for example in layers, in the following order. In other words, a material transition from the shaft material to the second and first materials takes place in a radial direction with respect to the rotor shaft.
Durch die Ausnutzung der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Lagerkomponenten kann das Lagerspiel des Radiallagers im Betrieb vorteilhaft verändert werden. Durch die Kombination des ersten und zweiten Materials mit verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten können der innere und äußere Lagerspalt im Betrieb positiv beeinflusst werden. Insbesondere lässt sich durch geeignete Wahl des ersten und zweiten Materials erreichen, dass sich der innere Spalt im Betrieb bei erhöhten Temperaturen nicht oder nicht signifikant vergrößert, während sich der äußere Spalt im Betrieb verringert.By utilizing the different thermal expansion coefficients of the bearing components, the bearing clearance of the radial bearing can be advantageously changed during operation. By combining the first and second materials with different thermal expansion coefficients, the inner and outer bearing gaps can be positively influenced during operation. In particular, by suitable choice of the first and second materials, it can be achieved that the inner gap does not increase or does not increase significantly during operation at elevated temperatures, while the outer gap decreases during operation.
Dadurch kann bei hohen Temperaturen der Lagerkomponenten die Tragfähigkeit auf der der Welle abgewandten äußeren Seite der Buchse verbessert werden, während die Tragfähigkeit auf der der Welle zugewandten Seite der Buchse im Vergleich zu herkömmlichen Lagersystem nicht oder nicht signifikant verringert wird.As a result, at high temperatures of the bearing components, the load capacity on the outer side of the bushing facing away from the shaft can be improved, while the load capacity on the side of the bushing facing the shaft is not reduced or not significantly reduced compared to conventional bearing systems.
Es sei erwähnt, dass ein Wärmeausdehnungskoeffizient eines Wellenmaterials der Läuferwelle typischerweise sehr gering ist.It should be mentioned that a thermal expansion coefficient of a shaft material of the rotor shaft is typically very low.
Unter dem Begriff Material wird beispielsweise ein Stoff, ein Werkstoff, ein Rohstoff oder ein Verbundwerkstoff verstanden. Es kann sich dabei um ein Reinmaterial, etwa Kupfer, aber auch eine Legierung, beispielsweise Messing, handeln. Ein Material unterscheidet sich von einem anderen Material durch den Wärmeleitkoeffizient.The term material is understood to mean, for example, a substance, a material, a raw material or a composite material. This can be a pure material, such as copper, but also an alloy, such as brass. A material differs from another material by its thermal conductivity coefficient.
Des Weiteren lässt sich bei kaltem Zustand des Motors beziehungsweise Öls ein weiterer Lagerspalt im Vergleich zu dem Betriebszustand mit hohen Temperaturen realisieren. Weiterhin können akustische Beeinträchtigungen, beispielsweise aufgrund der Anregung des sogenannten Sub2, aufgrund der unterdrückten oder zumindest verringerten Zunahme des inneren Spiels vermieden oder reduziert werden. Unter dem Sub2 wird der translatorische Starrkörpermod verstanden, der aufgrund von Instabilitäten im inneren Schmier-(Lager-)spalt angeregt wird. Diese Schwingung wird über den äußeren Lagerspalt nach außen übertragen und kann dort beispielsweise als Konstantton hörbar sein.Furthermore, when the engine or oil is cold, a further bearing gap can be achieved compared to the operating condition with high temperatures. Furthermore, acoustic impairments, for example due to the excitation of the so-called Sub2, can be avoided or reduced due to the suppressed or at least reduced increase in internal play. The Sub2 is understood to mean the translational rigid body mod, which is excited due to instabilities in the inner lubrication (bearing) gap. This vibration is transmitted to the outside via the outer bearing gap and can be heard there, for example, as a constant tone.
Mittels des beschriebenen erfindungsgemäßen Turboladers ist es zudem nicht zwingend oder nur teilweise notwendig, die Lagerspalte durch Lagerspieleinengungen, etwa durch geeignete Wahl von Fertigungstoleranzen, anzupassen, um die Tragfähigkeit und/oder akustische Eigenschaften des Radiallagers bei einem vorgegebenen Design zu verbessern. Weiter ist es beispielsweise nicht zwingend notwendig, auftretende Kräfte durch Reduzierung von Unwuchten und/oder Anpassungen des Verdichter- und/oder Turbinenrads zu reduzieren. Die Anpassung der Räder würde Einschränkungen in Auslegung der Verdichter- beziehungsweise Turbinenräder und somit auch hinsichtlich einer thermodynamischen Auslegung haben. Anpassungen des Lagerspiels beziehungsweise von Toleranzen der Lagerkomponenten würden erhöhte Produktionskosten und Fertigungskosten bedingen.By means of the turbocharger according to the invention described, it is also not absolutely necessary or only partially necessary to adapt the bearing gap by reducing bearing play, for example by suitable selection of manufacturing tolerances, in order to improve the load-bearing capacity and/or acoustic properties of the To improve radial bearings for a given design. Furthermore, for example, it is not absolutely necessary to reduce the forces that occur by reducing imbalances and/or adjusting the compressor and/or turbine wheel. Adapting the wheels would have limitations in the design of the compressor or turbine wheels and thus also in terms of thermodynamic design. Adjustments to the bearing clearance or tolerances of the bearing components would result in increased production costs and manufacturing costs.
Weiterhin ist es nicht zwingend notwendig, die Unwucht des Verdichter- beziehungsweise Turbinenrads zu reduzieren, was ebenfalls erhöhte Kosten bedingen würde. Weiterhin ist es nicht zwingend notwendig, erhöhte Anforderungen an Schmieröle zu stellen, was beispielsweise Anforderungen von Kunden zuwiderlaufen könnte. Schließlich ist es auch nicht zwingend notwendig, das Radiallagerdesign grundsätzlich zu optimieren, beispielsweise breitere Buchsen und/oder Gleitlagerflächen vorzusehen. All die vorbeschriebenen Maßnahmen würden stets einen Kompromiss verschiedener Ziele darstellen, wobei die Anpassung eines Elements oder Komponente eine andere Eigenschaft negativ beeinflusst. Beispielsweise führt eine Erhöhung der Tragfähigkeit durch größere Tragflächen zu Nachteilen hinsichtlich des Gesamtaufbaus, der Reibleistung oder der Akustik des Turboladers.Furthermore, it is not absolutely necessary to reduce the unbalance of the compressor or turbine wheel, which would also result in increased costs. Furthermore, it is not absolutely necessary to place increased demands on lubricating oils, which could, for example, run counter to customer requirements. Finally, it is not absolutely necessary to fundamentally optimize the radial bearing design, for example to provide wider bushings and/or plain bearing surfaces. All of the measures described above would always represent a compromise between different goals, with the adjustment of one element or component negatively affecting another property. For example, increasing the load capacity through larger wings leads to disadvantages in terms of the overall structure, the frictional performance or the acoustics of the turbocharger.
Gemäß der ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Turboladers ist die Lage des zweiten Materials direkt an der Lagerbuchse angeordnet. Somit ist die Lage des zweiten Materials Teil der Lagerbuchse, die zwei Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat. Die Lagerbuchse ist somit zweiteilig aufgebaut. Dadurch wird beispielsweise der innere Lagerspalt zwischen der Läuferwelle und der Lage des zweiten Materials ausgebildet. Die Lagerbuchse weist etwa einen äußeren Ring mit dem ersten Material und einen inneren Ring mit dem zweiten Material auf. Dadurch werden die oben beschriebenen Vorteile und Funktionen ermöglicht.According to the first embodiment of the turbocharger according to the invention, the layer of the second material is arranged directly on the bearing bush. Thus, the layer of the second material is part of the bearing bushing, which has two materials with different coefficients of thermal expansion. The bearing bush is therefore constructed in two parts. This creates, for example, the inner bearing gap between the rotor shaft and the layer of the second material. The bearing bush has approximately an outer ring with the first material and an inner ring with the second material. This enables the advantages and functions described above.
Erfindungsgemäß weist die Lage des zweiten Materials eine separate Beschichtung auf. Dabei ist die Lage des zweiten Materials an der der Läuferwelle zugewandten Seite mit der zusätzlichen Gleitschicht zum Gleiten an der Welle versehen. Mittels der Gleitschicht können Trockenlaufeigenschaften der Lagerbuchse verbessert werden. Bei der Gleitbeschichtung handelt es sich beispielsweise um eine Schicht DLC (englisch = diamond like carbon), chemisch Nickel, Chrom oder Teflon.According to the invention, the layer of the second material has a separate coating. The layer of the second material on the side facing the rotor shaft is provided with the additional sliding layer for sliding on the shaft. Using the sliding layer, the dry running properties of the bearing bush can be improved. The anti-friction coating is, for example, a layer of DLC (diamond like carbon), chemical nickel, chrome or Teflon.
Gemäß der zweiten alternativen Ausgestaltung ist die Lage des zweiten Materials direkt an der Läuferwelle angeordnet. Die Lage des zweiten Materials ist somit Teil der Läuferwelle. Somit ist die Lagerbuchse einteilig aus dem ersten Material gefertigt. In dieser Ausgestaltung ist der innere Lagerspalt zwischen der Lagerbuchse und der Lage des zweiten Materials ausgebildet. Etwa sind die Wärmeleitkoeffizienten so gewählt, dass eine Wärmeausdehnung der Läuferwelle mittels der Lage des zweiten Materials quasi erhöht wird, wodurch sich der innere Lagerspalt nicht oder nicht signifikant erhöht. Auch diese Ausgestaltung ermöglicht die vorgenannten Vorteile und Funktionen.According to the second alternative embodiment, the layer of the second material is arranged directly on the rotor shaft. The position of the second material is therefore part of the rotor shaft. The bearing bush is therefore made in one piece from the first material. In this embodiment, the inner bearing gap is formed between the bearing bush and the layer of the second material. For example, the thermal conductivity coefficients are selected so that thermal expansion of the rotor shaft is virtually increased by means of the layer of the second material, as a result of which the inner bearing gap does not increase or does not increase significantly. This configuration also enables the aforementioned advantages and functions.
Erfindungsgemäß ist auch bei der vorgenannten zweiten alternativen Ausgestaltung auf die Lage des zweiten Materials eine separate Beschichtung aufgebracht. Die Lage des zweiten Materials ist dabei an der der Buchse zugewandten Seite mit der zusätzlichen Gleitschicht zum Gleiten versehen. Mittels der Gleitschicht sind die Trockenlaufeigenschaften der Lagerung verbessert. Bei der Gleitbeschichtung handelt es sich analog zu oben beispielsweise um eine Schicht DLC, chemisch Nickel, Chrom oder Teflon. Beispielsweise muss nicht die gesamte Lage des zweiten Materials mit der Beschichtung versehen sein, sondern es können kostengünstig nur einzelne Bereiche beschichtet sein.According to the invention, a separate coating is also applied to the layer of the second material in the aforementioned second alternative embodiment. The layer of the second material is provided with the additional sliding layer for sliding on the side facing the socket. The sliding layer improves the dry running properties of the bearing. Analogous to the above, the anti-friction coating is, for example, a layer of DLC, chemical nickel, chrome or Teflon. For example, the entire layer of the second material does not have to be provided with the coating, but rather only individual areas can be coated cost-effectively.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist das zweite Material einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Lagerbuchsenmaterial auf. Dadurch wird zu den vorbeschriebenen Funktionen und Vorteilen beigetragen.According to a further embodiment, the second material has a lower coefficient of thermal expansion than the bearing bush material. This contributes to the functions and benefits described above.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist das Wellenmaterial Stahlmaterial. Das Stahlmaterial weist typischerweise einen sehr geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Dies ist insbesondere notwendig, um die hohen auf die Welle wirkenden Kräfte aufnehmen zu können.According to a further embodiment, the shaft material is steel material. The steel material typically has a very low coefficient of thermal expansion. This is particularly necessary in order to be able to absorb the high forces acting on the shaft.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist das Lagerbuchsenmaterial Messing.According to a further embodiment, the bearing bush material is brass.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist das weitere Material Aluminium.According to a further embodiment, the additional material is aluminum.
Weitere Vorteile und Funktionen sind in der nachfolgenden, ausführlichen Beschreibung von Ausführungsbeispielen offenbart.Further advantages and functions are disclosed in the following detailed description of exemplary embodiments.
Die Ausführungsbeispiele werden unter Zuhilfenahme der angehängten Figuren nachfolgend beschrieben. Gleichartige oder gleichwirkende Elemente sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.The exemplary embodiments are described below with the help of the attached figures. Elements that are similar or have the same effect are provided with the same reference numerals across the figures.
In den Figuren zeigen:
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1 eine schematische Schnittansicht eines Turboladers, -
2 ein Ausführungsbeispiel eines Radiallagers des Turboladers in einer schematischen Querschnittsansicht und -
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Radiallagers des Turboladers in einer schematischen Querschnittsansicht.
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1 a schematic sectional view of a turbocharger, -
2 an embodiment of a radial bearing of the turbocharger in a schematic cross-sectional view and -
3 a further exemplary embodiment of a radial bearing of the turbocharger in a schematic cross-sectional view.
In der Regel weist ein gebräuchlicher Abgasturbolader 1, wie in
Eine weitere Baueinheit des Abgasturboladers 1 stellt der Turboladerläufer 10 dar, der die Läuferwelle 14, das in dem Turbinengehäuse 21 angeordnete Turbinenlaufrad 12 mit einer Laufradbeschaufelung 121 und das in dem Verdichtergehäuse 31 angeordnete Verdichterlaufrad 13 mit einer Laufradbeschaufelung 131 aufweist. Das Turbinenlaufrad 12 und das Verdichterlaufrad 13 sind auf den sich gegenüberliegenden Enden der gemeinsamen Läuferwelle 14 angeordnet und mit dieser drehfest verbunden. Die Läuferwelle 14 erstreckt sich in Richtung der Turboladerachse 2 axial durch das Lagergehäuse 41 und ist in diesem axial und radial um seine Längsachse, die Läuferdrehachse 15, drehgelagert, wobei die Läuferdrehachse 15 in der Turboladerachse 2 liegt, also mit dieser zusammenfällt.Another structural unit of the exhaust gas turbocharger 1 is the
Das Lagergehäuse 41 ist axial zwischen dem Turbinengehäuse 21 und dem Verdichtergehäuse 31 angeordnet. Im Lagergehäuse 41 ist die Läuferwelle 14 des Turboladerläufers 10 sowie die erforderliche Lageranordnung zur Axiallagerung und zur Drehlagerung der Läuferwelle 14 aufgenommen.The bearing
Die Lageranordnung besteht in der Regel aus zwei in axialem Abstand zueinander angeordneten Radiallagern 42 zur Drehlagerung und einer Axiallagerscheibe 43 zur Abstützung von im Betrieb auf die Läuferwelle 14 wirkenden Axialkräften. Die Lager können dabei als Gleitlager, als Wälzlager oder auch Magnetlager ausgeführt sein. Weiterhin besteht, zum Beispiel bei Wälzlagerungen, die Möglichkeit der Kombination von Axiallagerung und Drehlagerung. Auch die Zusammenfassung der Lagerkomponenten zu einer kompakten Lagereinheit, auch als Lagerkartusche bezeichnet, kann hier Anwendung finden. Zur Schmierung und Ölversorgung der Lagerkomponenten sind im Lagergehäuse 41 Ölversorgungskanäle 44 vorgesehen, die über einen Ölanschluss 45 mit einer externen Ölversorgung (nicht dargestellt) in Verbindung stehen und zu den zu versorgenden Lagerkomponenten führen.The bearing arrangement usually consists of two
Auf der, dem Frischluftverdichter 30 zugewandten Seite des Lagergehäuses 41 ist ein Verdichtergehäuse-Anschlussflansch 47 vorgesehen, an dem das Verdichtergehäuse 31 am Lagergehäuse 41 angeschlossen ist.On the side of the bearing
Auf der, der Abgasturbine 20 zugewandten Seite des Lagergehäuses 41 ist ein Turbinengehäuse-Anschlussflansch 46 vorgesehen, an dem das Turbinengehäuse 21 am Lagergehäuse 41 angeschlossen ist. Weiterhin ist auf dieser Seite des Lagergehäuses 41 zwischen Turbinengehäuse 21 und Lagergehäuse 41 ein sogenanntes Hitzeschild 48 angeordnet, das die dem Turbinengehäuse 21 zugewandte Gehäusewand des Lagergehäuses 41 sowie die Lagerkomponenten im Lagergehäuse 41 abdeckt und so gegen die hohen Abgastemperaturen in der Abgasturbine 20 abschirmt.On the side of the bearing
Weitere Details des Turboladers 1 werden nicht näher erläutert. Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass der Turbolader 1 exemplarischer Natur ist und auch anderweitig ausgestaltet sein kann.Further details of the turbocharger 1 are not explained in more detail. It should be mentioned at this point that the turbocharger 1 is of an exemplary nature and can also be designed differently.
Zwischen dem ersten Material 422 und dem Lagergehäuse 41 ist ein äußerer Lagerspalt 424 ausgebildet, während zwischen dem der Lage des zweiten Materials 423 der Lagerbuchse 421 und der Läuferwelle 14 ein innerer Lagerspalt 425 ausgebildet ist.An
Die Läuferwelle 14 ist aus einem Stahlwerkstoff oder einem Stahlmaterial als Wellenmaterial gefertigt. Das erste Material 422 ist beispielsweise Messing (CuZn) und die Lage des zweiten Materials 423 besteht im Ausführungsbeispiel aus Aluminium. Der Wärmeausdehnungskoeffizient der Lage des weiteren Materials 423 ist geringer als der des ersten Materials 422. Beispielsweise ist die Buchse aus einem Messing-Rohr gebildet, welches mit Aluminium zur Bildung der Lage des zweiten Materials 423 aufgefüllt und anschließend fertigungstechnisch bearbeitet ist.The
Die Lagerbuchse 421 umgibt die Läuferwelle 14 derart, dass die Lage des zweiten Materials 425 um die Welle 14 gleiten kann. The bearing
Mittels des beschriebenen Radiallagers können die erwähnten Vorteile und Funktionen erreicht werden. Insbesondere wird aufgrund der Kombination zweier unterschiedlicher Materialien mit verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten erreicht, dass sich der äußere Bereich der Lagerbuchse 421, etwa das erste Material 422, im Betrieb aufgrund der Wärme in radialer Richtung 16 ausdehnt. Dadurch wird der äußere Lagerspalt 424 reduziert. Die Reduzierung des äußeren Lagerspalts 424 bewirkt eine Erhöhung der Tragfähigkeit der Radiallagerung 42. Die Lage des weiteren Materials 423 dehnt sich verglichen mit dem ersten Material 422 weniger stark in radialer Richtung 16 aus, sodass der innere Lagerspalt 425 gar nicht oder deutlich weniger stark vergrößert wird. Beispielsweise kann eine Spielzunahme der Lagerbuchse 421 im Betrieb um 15 % im Vergleich zu einer herkömmlichen Lageranordnung ohne zusätzliches zweites Material 423 reduziert werden.The advantages and functions mentioned can be achieved using the radial bearing described. In particular, due to the combination of two different materials with different thermal expansion coefficients, the outer region of the bearing
Die beschriebenen Radiallagerungen 42 gemäß der Ausführungsbeispiele sind insbesondere kostengünstig zu realisieren. Beispielsweise lässt sich der Turbolader 1 deutlich kostengünstiger herstellen als im Vergleich zu einem Turbolader, wobei die Lagerspalte und Toleranzen der Lagerkomponenten fertigungstechnisch, beispielsweise durch höhere Produktions- und Fertigungsvorgaben, eingestellt werden. Stellen die Toleranzen auf Basis der Anforderung bereits die möglichen Fertigungsgrenzen dar, ermöglichen die beschriebenen Radiallager-Konzepte den Einsatz eines bestimmten Radiallagerdesigns.The described
Es sei darauf hingewiesen, dass anstelle zweier Radiallager 42 auch nur ein Radiallager 42 denkbar ist. Es ist auch denkbar, dass die Radiallager 42 über einen Verbindungsabschnitt verbunden und somit einstückig ausgebildet sind. Wichtig ist die zusätzliche Lage eines zweiten Materials, die entweder Teil der Welle 14 oder Teil der Buchse 421 ist.It should be noted that instead of two
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