DE102016212866A1 - Gas dynamic air bearing - Google Patents

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Michal Klusácek
Matthias Kürner
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Bosch Mahle Turbo Systems GmbH and Co KG
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein gasdynamisches Luftlager (2) zur Radiallagerung einer Welle (3), – mit in einem ringförmigen Gehäuse (4) angeordneten Lagersegmenten (5), die beweglich an einer radialen Einstellschraube (6) gelagert ist, – wobei jede Einstellschraube (6) eine Blattfeder (8) durchsetzt. Erfindungswesentlich ist dabei, – dass zumindest eine Einstellschraube (6) einen Kopf (9), einen mit dem Gehäuse (4) verschraubten Gewindeabschnitt (10) und einen zwischen dem Gewindeabschnitt (10) und dem Kopf (9) angeordneten Schaftabschnitt (11) aufweist, der nicht mit dem Gehäuse (4) in Kontakt steht, – dass Abmessungen der Einstellschraube (6) derart auf einen Werkstoff der Einstellschraube (6) sowie auf einen Werkstoff des Gehäuses (4) abgestimmt sind, dass eine Wärmedehnung des Gehäuses (4) im Betrieb durch eine zugehörige Wärmedehnung der Einstellschraube (6) kompensierbar ist und dadurch eine vorzugsweise temperaturunabhängig gleichbleibende Lagerung der Welle (3) ermöglicht.The invention relates to a gas-dynamic air bearing (2) for the radial mounting of a shaft (3), with bearing segments (5) arranged in an annular housing (4), which is mounted movably on a radial adjustment screw (6), wherein each adjustment screw (6 ) passes through a leaf spring (8). It is essential to the invention that at least one adjusting screw (6) has a head (9), a threaded section (10) screwed to the housing (4) and a shank section (11) arranged between the threaded section (10) and the head (9) , which is not in contact with the housing (4), - that dimensions of the adjusting screw (6) are adapted to a material of the adjusting screw (6) and on a material of the housing (4) that a thermal expansion of the housing (4) in operation by an associated thermal expansion of the adjusting screw (6) is compensated and thereby allows a preferably temperature-independent constant storage of the shaft (3).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein gasdynamisches Luftlager zur Radiallagerung einer Welle mit in einem ringförmigen Gehäuse angeordneten Lagersegmenten, die die Welle gemeinsam lagern, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem einen Abgasturbolader mit einem solchen gasdynamischen Luftlager sowie eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Abgasturbolader.The present invention relates to a gas-dynamic air bearing for radial bearing of a shaft arranged in an annular housing bearing segments, which store the shaft together, according to the preamble of claim 1. The invention also relates to an exhaust gas turbocharger with such a gas-dynamic air bearing and an internal combustion engine with such an exhaust gas turbocharger ,

Aus der DE 10 2013 223 329 A1 ist ein gattungsgemäßes gasdynamisches Luftlager mit Lagersegmenten bekannt, die in einem ringförmigen Gehäuse angeordnet sind und gemeinsam eine rotierbare Welle lagern. Dieses Lagersegment ist beweglich an einer radialen Einstellschraube gelagert, die einstellbar im Gehäuse angeordnet ist und in eine entsprechende Aussparung am Lagersegment eingreift. Jede Einstellschraube durchsetzt dabei eine Blattfeder, die zwischen dem Gehäuse und dem Lagersegment eingesetzt ist, um Bewegungen des Lagersegments zu dämpfen und das Lagersegment relativ zur Welle zu positionieren. Der Federweg der Blattfeder wird einstellbar durch einen Anschlagskörper oder Kopf des einstellbaren Bolzens begrenzt. Hierdurch soll insbesondere ein verbessertes Luftlager erreicht werden können. From the DE 10 2013 223 329 A1 is a generic gas dynamic air bearing with bearing segments known, which are arranged in an annular housing and together store a rotatable shaft. This bearing segment is movably mounted on a radial adjusting screw, which is adjustably arranged in the housing and engages in a corresponding recess on the bearing segment. Each adjustment screw passes through a leaf spring which is inserted between the housing and the bearing segment in order to dampen movements of the bearing segment and to position the bearing segment relative to the shaft. The spring travel of the leaf spring is adjustably limited by a stop body or head of the adjustable bolt. As a result, in particular an improved air bearing should be achieved.

Nachteilig bei dem aus dem Stand der Technik bekannten gasdynamischen Luftlager ist jedoch, dass ein Betriebsspalt bei Raumtemperatur eingestellt wird. Während des Betriebs erfolgen jedoch eine nicht zu unterschätzende Erwärmung der Bauteile und eine damit verbundene Wärmedehnung, wodurch sich der zuvor eingestellte Betriebsspalt stark ändert. Die Veränderung des Betriebsspalts führt jedoch zu einer Verschlechterung der Lagereigenschaften, insbesondere auch zu einer Abnahme der Tragfähigkeit, der Steifigkeit und der Dämpfung eines Schmierfilms bis hin zu einem Ausfall des gasdynamischen Luftlagers. However, a disadvantage of the gas-dynamic air bearing known from the prior art is that an operating gap is set at room temperature. During operation, however, there is a not to be underestimated heating of the components and an associated thermal expansion, which changes the previously set operating gap greatly. The change in the operating gap, however, leads to a deterioration of the bearing properties, in particular to a decrease in the load capacity, the stiffness and damping of a lubricating film up to a failure of the gas-dynamic air bearing.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für einen Abgasturbolader der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine deutlich verbesserte Lagerung auszeichnet. The present invention therefore deals with the problem of providing for an exhaust gas turbocharger of the generic type an improved or at least one alternative embodiment, which is characterized in particular by a significantly improved storage.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. This problem is solved according to the invention by the subject matter of independent claim 1. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, erstmals eine temperaturbedingte Wärmedehnung eines Gehäuses eines gasdynamischen Luftlagers durch eine entsprechende Anpassungen von geometrischen Abmessungen (Maßen) zumindest einer Einstellschraube eines Lagersegments zu berücksichtigen und dadurch entstehende wärmedehnungsbedingte Lagerbeeinträchtigungen auszugleichen. Dabei weist das erfindungsgemäße gasdynamische Luftlager zur Radiallagerung einer Welle in einem ringförmigen Gehäuse angeordnete Lagersegmente auf, die die Welle gemeinsam lagern. Jedes dieser Lagersegmente ist dabei beweglich an einer radialen Einstellschraube gelagert, die wiederum einstellbar im Gehäuse angeordnet ist und in eine entsprechende Aussparung am Lagersegment eingreift. Jede Einstellschraube durchsetzt dabei eine Blattfeder, die zwischen dem Gehäuse einerseits und dem Lagerelement andererseits eingesetzt ist, um Bewegungen des Lagerelements zu dämpfen und das Lagerelement relativ zur Welle zu positionieren. Erfindungsgemäß weist nun zumindest eine Einstellschraube einen Kopf, einen mit dem Gehäuse verschraubten Gewindeabschnitt und einen zwischen dem Kopf und dem Gewindeabschnitt angeordneten Schaftabschnitt auf, der nicht mit dem Gehäuse in Kontakt steht. Darüber hinaus sind erfindungsgemäß die geometrischen Abmessungen der Einstellschraube derart auf einen Werkstoff der Einstellschraube sowie auf einen Werkstoff des Gehäuses abgestimmt, dass eine Wärmedehnung des Gehäuses im Betrieb durch eine zugehörige Wärmedehnung der Einstellschraube kompensiert werden kann und dadurch eine vorzugsweise temperaturunabhängig gleichbleibende Lagerung der Welle ermöglicht. Erfindungsgemäß ist es somit möglich, durch entsprechende Abmessungen zumindest einer Einstellschraube des gasdynamischen Luftlagers temperaturbedingte Wärmedehnungen des Gehäuses des Abgasturboladers auszugleichen. Eine derartige Kompensation von Wärmedehnungen ist mit bislang aus dem Stand der Technik bekannten gasdynamischen Luftlagern nicht möglich. Insbesondere können hierdurch bspw. unterschiedliche Wärmedehnungen zwischen dem Gehäuse des Abgasturboladers, den Lagersegmenten und der Welle ausgeglichen werden, da diese bspw. aus unterschiedlichen Werkstoffen ausgebildet sind. Mit entsprechenden Abmessungen zumindest einer Einstellschraube ist es somit möglich, bislang nicht berücksichtigte und/oder nicht berücksichtigbare unterschiedliche Wärmedehnungen der einzelnen Komponenten, wie bspw. Einstellschraube, Gehäuse des Abgasturboladers, Lagersegmenten und Welle, nunmehr auszugleichen und dadurch über das gesamte Temperaturspektrum gleichbleibende Lagereigenschaften zu erzielen. The present invention is based on the general idea to consider for the first time a temperature-induced thermal expansion of a housing of a gas-dynamic air bearing by a corresponding adjustments of geometric dimensions of at least one adjustment of a bearing segment and thereby compensate for resulting thermal expansion bearing impairments. In this case, the gas-dynamic air bearing according to the invention for radial mounting of a shaft in an annular housing arranged bearing segments, which store the shaft together. Each of these bearing segments is movably mounted on a radial adjusting screw, which in turn is adjustably arranged in the housing and engages in a corresponding recess on the bearing segment. Each adjusting screw passes through a leaf spring which is inserted between the housing on the one hand and the bearing element on the other hand to dampen movements of the bearing element and to position the bearing element relative to the shaft. According to the invention, at least one adjustment screw now has a head, a threaded section bolted to the housing, and a shaft section arranged between the head and the threaded section, which does not contact the housing. In addition, according to the invention, the geometric dimensions of the adjusting screw so matched to a material of the adjusting screw and a material of the housing that a thermal expansion of the housing can be compensated in operation by an associated thermal expansion of the adjusting screw, thereby allowing a preferably temperature-independent storage of the shaft. According to the invention it is thus possible to compensate by appropriate dimensions of at least one adjusting screw of the gas-dynamic air bearing temperature-induced thermal expansion of the housing of the exhaust gas turbocharger. Such compensation of thermal expansion is not possible with hitherto known from the prior art gas dynamic air bearings. In particular, as a result, for example, different thermal expansions between the housing of the exhaust gas turbocharger, the bearing segments and the shaft can be compensated, since these are formed, for example, from different materials. With appropriate dimensions of at least one adjusting screw, it is thus possible, now not taken into account and / or unobservable different thermal expansions of the individual components, such as. Adjustment, housing of the exhaust gas turbocharger, bearing segments and shaft, now compensate and thereby achieve consistent storage properties over the entire temperature range ,

Zweckmäßig ist der Schaftabschnitt hinsichtlich seiner Länge so bemessen, dass eine Wärmedehnung des Gehäuses im Betrieb durch eine zugehörige Wärmedehnung des Schaftabschnitts kompensierbar ist und dadurch eine vorzugsweise temperaturabhängig gleichbleibende Lagerung der Welle ermöglicht. Hierdurch ist es somit möglich, eine Verschlechterung der Lagereigenschaften aufgrund der temperaturbedingten Dehnung des Gehäuses nun erstmals über eine entsprechende geometrische Gestaltung des nicht mit dem Gehäuse in Kontakt stehenden Schaftabschnitts der zumindest einen Einstellschraube zu verhindern. Wird bspw. der Schaftabschnitt länger ausgeführt und besitzt zudem der Werkstoff der Einstellschraube und damit auch des Schaftabschnitts eine größere oder kleinere Wärmedehnung als der Werkstoff des Gehäuses, so lässt sich hierüber eine temperaturbedingte Dehnung des Gehäuses im Hinblick auf das gasdynamische Lager berücksichtigen, wodurch eine vorzugsweise über den gesamten beim Betrieb des Abgasturboladers auftretenden Temperaturbereich gleichbleibende Lagerung erreicht werden kann. Durch eine entsprechende geometrische Ausgestaltung des Schaftabschnitts ist es darüber hinaus möglich, Einfluss auf die Eigenfrequenz der Einstellschrauben zu nehmen, so dass hierüber auch die Eigenfrequenz des gasdynamischen Luftlagers beeinflussbar ist, in dem die Eigenfrequenzen der Einstellschrauben außerhalb der Eigenfrequenz des gasdynamischen Luftlagers gelegt wird. Suitably, the shaft portion is dimensioned with respect to its length so that a thermal expansion of the housing during operation by an associated thermal expansion of the shaft portion is compensated and thereby preferably a temperature-dependent constant storage of the shaft allows. As a result, it is thus possible for the first time to prevent deterioration of the bearing properties due to the temperature-induced expansion of the housing via a corresponding geometric design of the shank portion of the at least one adjusting screw which is not in contact with the housing. If, for example, the shank portion is made longer and, in addition, the material of the adjusting screw and thus also of the shank portion has a greater or lesser thermal expansion than the material of the housing, a temperature-induced expansion of the housing with respect to the gas-dynamic bearing can be taken into account thereby, whereby a preferably over the entire occurring during operation of the exhaust gas turbocharger temperature range constant storage can be achieved. By a corresponding geometric configuration of the shaft portion, it is also possible to influence the natural frequency of the adjusting screws, so that here also the natural frequency of the gas-dynamic air bearing can be influenced, in which the natural frequencies of the adjusting screws outside the natural frequency of the gas-dynamic air bearing is placed.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weist zumindest eine Einstellschraube eine Axialausnehmung auf, die die Einstellschraube vom Gewindeabschnitt bis zu einer im Übergangsbereich zwischen dem Schaftabschnitt und dem Kopf der Einstellschraube angeordnete Querbohrung oder alternativ komplett durchdringt. Über eine derartige Axialausnehmung, welche bspw. als Axialbohrung ausgebildet sein kann, ist es insbesondere möglich, ein Kühlfluid, bspw. Luft, in das gasdynamische Luftlager einzupressen und dadurch das gasdynamische Luftlager zusätzlich zu kühlen, wodurch dessen Leistungsfähigkeit gesteigert werden kann. Von besonderem Vorteil ist hierbei auch, dass mittels einer derartigen, entweder komplett durchgehenden oder mit einer Querbohrung kommunizierend verbundenen Axialausnehmung eine Druckbeaufschlagung des gasdynamischen Luftlagers möglich ist, wodurch bspw. sowohl die für eine verschleißfreie Lagerung erforderlichen Betriebsspalte aufrecht erhalten als auch ein unerwünschtes Eindringen von Schmutzpartikeln vermieden werden kann. Durch den Überdruck kann dabei ein unerwünschtes Eindringen von Abgasen bzw. Schmutzpartikeln zuverlässig verhindert werden. In an advantageous development of the solution according to the invention, at least one adjusting screw has an axial recess which completely penetrates the adjusting screw from the threaded section to a transverse bore arranged in the transitional region between the shaft section and the head of the adjusting screw. About such axial recess, which may be formed, for example, as an axial bore, it is particularly possible to inject a cooling fluid, eg. Air, in the gas-dynamic air bearing and thereby additionally cool the gas-dynamic air bearing, whereby its performance can be increased. Of particular advantage in this case is that by means of such, either completely continuous or communicating with a transverse bore Axialausnehmung a pressurization of the gas-dynamic air bearing is possible, whereby, for example. Maintain both required for a wear-free storage operating column as well as an undesirable penetration of dirt particles can be avoided. Due to the overpressure, undesired penetration of exhaust gases or dirt particles can be reliably prevented.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung weist die Blattfeder mehrere Einzelfedern auf. Durch eine wählbare Anzahl hierfür vorgesehener Einzelfedern lässt sich somit die Federwirkung der Blattfeder individuell einstellen. Dabei werden die einzelnen Einzelfedern im demontierten Zustand des Luftlagers zunächst plan auf die zugehörige Einstellschraube aufgefädelt und erst beim Einschrauben der Einstellschraube in das Gehäuse in ihre bogenförmig gewölbte Form gespannt. Dementsprechend stützen sich die Längsenden der jeweiligen Einzelfedern der Blattfeder am Innenumfang des Gehäuses ab, während der Einstellschraube nahe dem Mittelbereich der jeweiligen Blattfeder gegen die zugewandte Außenseite der Lagersegmente bzw. den Kopf der Einstellschraube gespannt wird. Bei Federungshüben führen die Längsenden der Blattfedern geringe Verschiebebewegungen am Innenumfang des Gehäuses aus, außerdem verschieben sich die Einzelfedern relativ zueinander geringfügig, so dass die damit verbundene Reibung dämpfend wirkt. Darüber hinaus kann durch die Anzahl der Einzelfedern sowie deren Länge und Federeigenschaften auch die Dämpfungswirkung beeinflusst werden. Im Übrigen wird die Dämpfungswirkung auch durch die Bogenform der Blattfedern beeinflusst, da die jeweilige Bogenform der Lage der Berührungszone zwischen Blattfeder und dem zugehörigen Lagersegment bestimmt. In a further advantageous embodiment of the solution according to the invention, the leaf spring on several individual springs. By a selectable number of individual springs provided for this purpose, thus, the spring action of the leaf spring can be adjusted individually. The individual springs in the disassembled state of the air bearing are first threaded flat on the associated adjusting screw and only when tightening the adjusting screw into the housing in its curved arched shape. Accordingly, the longitudinal ends of the respective individual springs of the leaf spring are supported on the inner circumference of the housing, while the adjusting screw is clamped near the central region of the respective leaf spring against the facing outer side of the bearing segments or the head of the adjusting screw. In suspension strokes, the longitudinal ends of the leaf springs perform small displacement movements on the inner circumference of the housing, in addition, the individual springs shift relative to each other slightly, so that the associated friction acts to dampen damping. In addition, the damping effect can be influenced by the number of individual springs and their length and spring properties. Incidentally, the damping effect is also influenced by the arc shape of the leaf springs, since the respective arch shape determines the position of the contact zone between the leaf spring and the associated bearing segment.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Other important features and advantages of the invention will become apparent from the dependent claims, from the drawings and from the associated figure description with reference to the drawings.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.Preferred embodiments of the invention are illustrated in the drawings and will be described in more detail in the following description, wherein like reference numerals refer to the same or similar or functionally identical components.

Es zeigen, jeweils schematisch, Show, in each case schematically,

1 eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Abgasturbolader im Bereich eines gasdynamischen Luftlagers, 1 a sectional view through an exhaust gas turbocharger according to the invention in the region of a gas-dynamic air bearing,

2 eine Schnittdarstellung durch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einstellschraube, 2 a sectional view through a first embodiment of an adjusting screw according to the invention,

3 eine Darstellung wie in 2, jedoch bei einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einstellschraube, 3 a representation like in 2 but in a further embodiment of the adjusting screw according to the invention,

4 eine Schnittdarstellung aus 3 entlang der Schnittebene B-B. 4 a sectional view 3 along the section plane BB.

Entsprechend der 1, weist ein Abgasturbolader 1, der generell auch als Ladeeinrichtung in einer Brennkraftmaschine 18 ausgebildet sein kann, ein erfindungsgemäßes gasdynamisches Luftlager 2 zur Radiallagerung einer Welle 3 auf. Die Welle 3 ist dabei Bestandteil eines im Übrigen nicht gezeigten Rotors des Abgasturboladers 1. Das gasdynamische Luftlager 2 ist dabei in einem ringförmigen Gehäuse 4 angeordnet. In dem ringförmigen Gehäuse 4 angeordnet sind mehrere Lagersegmente 5, hier insgesamt drei Lagersegmente 5, die auch als so genannte Kippsegmente bezeichnet werden. Über die Lagersegmente 5 wird die Welle 3 des Abgasturboladers 1 gemeinsam gelagert, wozu die einzelnen Lagersegmente 5 die Welle 3 umschließen. Jedes der Lagersegmente 5 ist dabei beweglich an einer radialen Einstellschraube 6 gelagert (vgl. auch die 2 bis 4), die einstellbar im Gehäuse 4 angeordnet ist und in eine entsprechende Aussparung 7 am jeweils zugehörigen Lagersegment 5 eingreift. Jede Einstellschraube 6 durchsetzt darüber hinaus eine Blattfeder 8, die zwischen dem Gehäuse 4 und dem jeweiligen Lagersegment 5 eingesetzt ist, um Bewegungen des Lagersegmentes 5 zu dämpfen und das Lagersegment 5 gleichzeitig relativ zur Welle 3 zu positionieren. Erfindungsgemäß weist nun zumindest eine der Einstellschrauben 6 einen Kopf 9, einen mit dem Gehäuse 4 verschraubten Gewindeabschnitt 10 und einen zwischen dem Gewindeabschnitt 10 und dem Kopf 9 angeordneten Schaftabschnitt 11 auf, wobei der Schaftabschnitt 11 nicht mit dem Gehäuse 4 in Kontakt steht. Die Einstellschraube 6 greift dabei mit ihrem Kopf 9 jeweils in die zugehörige Aussparung 7 am zugehörigen Lagerelement 5 ein. Erfindungsgemäß sind zudem die Abmessungen, insbesondere die Länge, des Schaftabschnitts 11 der Einstellschraube 6 derart auf den Werkstoff der Einstellschraube 6 sowie auf einen Werkstoff des Gehäuses 4 abgestimmt, dass eine Wärmedehnung des Gehäuses 4 im Betrieb des Abgasturboladers 1 durch eine zugehörige, äquivalente Wärmedehnung der Einstellschraube 6 kompensiert werden kann und dadurch eine temperaturunabhängige, gleichbleibende Lagerung der Welle 3 ermöglicht. According to the 1 , has an exhaust gas turbocharger 1 , which is also generally used as a charging device in an internal combustion engine 18 may be formed, a gas-dynamic air bearing according to the invention 2 for the radial bearing of a shaft 3 on. The wave 3 is part of an otherwise not shown rotor of the exhaust gas turbocharger 1 , The gas dynamic air bearing 2 is in an annular housing 4 arranged. In the annular housing 4 arranged are several bearing segments 5 , here a total of three bearing segments 5 , which are also referred to as tilting segments. About the bearing segments 5 becomes the wave 3 the exhaust gas turbocharger 1 stored together, including the individual bearing segments 5 the wave 3 enclose. Each of the bearing segments 5 is movable on a radial adjusting screw 6 stored (see also the 2 to 4 ), which are adjustable in the housing 4 is arranged and in a corresponding recess 7 on the respective associated bearing segment 5 intervenes. Each adjustment screw 6 also penetrates a leaf spring 8th between the case 4 and the respective storage segment 5 is used to movements of the bearing segment 5 to dampen and the bearing segment 5 simultaneously relative to the shaft 3 to position. According to the invention now has at least one of the adjusting screws 6 a head 9 , one with the housing 4 screwed threaded section 10 and one between the threaded portion 10 and the head 9 arranged shaft portion 11 on, wherein the shaft portion 11 not with the case 4 in contact. The adjusting screw 6 grips with her head 9 each in the associated recess 7 on the associated bearing element 5 one. According to the invention are also the dimensions, in particular the length of the shaft portion 11 the adjusting screw 6 such on the material of the adjusting screw 6 as well as on a material of the housing 4 matched that a thermal expansion of the housing 4 during operation of the exhaust gas turbocharger 1 by an associated, equivalent thermal expansion of the adjusting screw 6 can be compensated and thus a temperature-independent, constant storage of the shaft 3 allows.

Bei bisherigen aus dem Stand der Technik bekannten gasdynamischen Luftlagern wurde ein Betriebsspalt 12, der sich bei Rotation der Welle 3 zwischen den Lagersegmenten 5 und dem Wellenumfang innerhalb einer äußerst kurzen Anlaufphase bildet, bei Raumtemperatur eingestellt, wobei jedoch die temperaturbedingten Dehnungen, insbesondere des Gehäuses 4, während des Betriebs des Abgasturboladers 1 unberücksichtigt blieben. Mit der erfindungsgemäßen Einstellschraube 6 ist es nun erstmals möglich, die während des Betriebs auftretenden temperaturbedingten Dehnungen des Gehäuses 4, aber auch der Welle 3 bzw. der Lagersegmente 5 zu berücksichtigen und durch eine entsprechende geometrische Anpassung der Einstellschraube 6 zu kompensieren. In previous known from the prior art gas dynamic air bearings was an operating gap 12 that turns on rotation of the shaft 3 between the bearing segments 5 and the shaft circumference within an extremely short start-up phase, adjusted at room temperature, but the temperature-induced strains, in particular of the housing 4 during operation of the exhaust gas turbocharger 1 disregarded. With the adjusting screw according to the invention 6 It is now possible for the first time, the occurring during operation temperature-induced strains of the housing 4 but also the wave 3 or the bearing segments 5 to take into account and by an appropriate geometric adjustment of the adjusting screw 6 to compensate.

Dabei kann vorgesehen sein, dass der Schaftabschnitt 11, welcher berührungsfrei zum Gehäuse 4 angeordnet ist und den Kopf 9 der Einstellschraube 6 mit dem Gewindeabschnitt 10 verbindet, hinsichtlich seiner Länge und/oder hinsichtlich seines Durchmessers so bemessen ist, dass eine Wärmedehnung des Gehäuses 4 im Betrieb des Abgasturboladers 1 zumindest überwiegend durch eine zugehörige Wärmedehnung des Schaftabschnitts 11 kompensiert wird und dadurch eine vorzugsweise temperaturunabhängig gleichbleibende Lagerung der Welle 3 ermöglicht wird. Eine derartige geometrische Anpassung der Einstellschraube 6, insbesondere im Bereich des Schaftabschnitts 11, bietet darüber hinaus die Möglichkeit, die Eigenfrequenzen der Einstellschraube 6 außerhalb der im Betrieb des Abgasturboladers 1 auftretenden Eigenfrequenzen einzustellen, wodurch sich ein besonders ruhiger und insbesondere auch störungsfreier Lauf des Abgasturboladers 1 ergibt. It can be provided that the shaft portion 11 , which contactless to the housing 4 is arranged and the head 9 the adjusting screw 6 with the threaded section 10 connects, in terms of its length and / or in terms of its diameter is dimensioned such that a thermal expansion of the housing 4 during operation of the exhaust gas turbocharger 1 at least predominantly by an associated thermal expansion of the shaft portion 11 is compensated and thereby preferably a temperature-independent constant storage of the shaft 3 is possible. Such a geometric adjustment of the adjusting screw 6 , in particular in the region of the shaft portion 11 , In addition, offers the possibility of the natural frequencies of the adjusting screw 6 outside the operation of the exhaust gas turbocharger 1 to adjust occurring natural frequencies, resulting in a particularly quiet and in particular trouble-free running of the exhaust gas turbocharger 1 results.

Betrachtet man die gemäß den 2 bis 4 dargestellten Einstellschrauben 6 näher, so kann man erkennen, dass diese jeweils eine Axialausnehmung 13, 13', insbesondere in der Art einer Axialbohrung 14, aufweisen, wobei die Axialausnehmung 13' gemäß der 2 die gesamte Einstellschraube 6 durchdringt, während die Axialausnehmung 13 gemäß der 3 vom Gewindeabschnitt 10 bis zu einer Querbohrung 15, 15' verläuft. Die Querbohrung 15 ist dabei im Übergangsbereich zwischen dem Schaftabschnitt 11 und dem Kopf 9 der Einstellschraube 6 angeordnet. Dabei kann lediglich eine Querbohrung 15 vorgesehen sein, wobei auch denkbar ist, dass im Übergangsbereich zwischen dem Schaftabschnitt 11 und dem Kopf 9 zwei orthogonal zueinander angeordnete Querbohrungen 15, 15' vorgesehen sind, die in ihrem Kreuzungspunkt kommunizierend mit der Axialausnehmung 13, das heißt der Axialbohrung 14, kommunizierend verbunden sind. Looking at the according to the 2 to 4 illustrated adjusting screws 6 closer, so you can see that these each have an axial recess 13 . 13 ' , in particular in the manner of an axial bore 14 , wherein the axial recess 13 ' according to the 2 the entire adjusting screw 6 penetrates while the axial recess 13 according to the 3 from the threaded section 10 up to a transverse bore 15 . 15 ' runs. The transverse bore 15 is in the transition region between the shaft section 11 and the head 9 the adjusting screw 6 arranged. It can only have a transverse bore 15 be provided, it being also conceivable that in the transition region between the shaft portion 11 and the head 9 two orthogonal transverse bores 15 . 15 ' are provided, which communicates in its intersection point with the axial recess 13 , that is the axial bore 14 , are communicatively connected.

Über die Axialausnehmung 13, 13' das heißt die Axialbohrung 14 und gemäß der 3 über die damit kommunizierend verbundenen Querbohrungen 15, 15' ist es möglich, ein Kühlfluid 17, bspw. gekühlte Luft, in den Bereich des gasdynamischen Luftlagers 2 einzublasen, wodurch eine besonders effektive Kühlung des Lagerraums möglich ist. Darüber hinaus ist es bei einer derartigen Ausführungsform möglich, den Lagerraum insgesamt mit Überdruck zu beaufschlagen, wodurch eine besonders wirkungsvolle Abdichtung und damit auch ein besonders wirkungsvoller Schutz gegen Abgas und/oder von der Turbinenseite aus eindringende Schmutzpartikel realisiert werden kann. Hierdurch lässt sich nicht nur die Leistungsfähigkeit des gasdynamischen Luftlagers 2 erhöhen, sondern auch dessen Lebenserwartung. About the axial recess 13 . 13 ' that is the axial bore 14 and according to the 3 via the transverse bores communicating therewith 15 . 15 ' is it possible to have a cooling fluid 17 , For example, cooled air, in the area of the gas dynamic air bearing 2 to blow, whereby a particularly effective cooling of the storage room is possible. In addition, it is possible in such an embodiment, the storage room to act on total pressure, whereby a particularly effective seal and thus a particularly effective protection against exhaust gas and / or from the turbine side from penetrating dirt particles can be realized. This not only allows the performance of the gas-dynamic air bearing 2 increase, but also its life expectancy.

Mit dem erfindungsgemäßen gasdynamischen Luftlager 2 und dem damit ausgestatteten erfindungsgemäßen Abgasturbolader 1 ist es somit erstmals möglich, Wärmedehnungen des Gehäuses 4 während des Betriebs des Abgasturboladers 1 auszugleichen und dadurch einen stets optimalen Betriebsspalt 12, das heißt Luftspalt zwischen den einzelnen Lagersegmenten 5 und der Welle 3, einzuhalten, wodurch eine bislang nicht erreichbare Lagerqualität realisierbar ist. Durch die hohlen Einstellschrauben 6 ist zudem eine Kühlung bzw. Druckbeaufschlagung des Lagerraums des gasdynamischen Luftlagers 2 möglich, wodurch dieses nicht nur kühlbar ist, sondern zusätzlich auch mittels Überdruck gegenüber eindringenden Abgasen und/oder Schmutzpartikeln abgedichtet werden kann. With the gas-dynamic air bearing according to the invention 2 and the so equipped Exhaust gas turbocharger according to the invention 1 It is thus possible for the first time, thermal expansion of the housing 4 during operation of the exhaust gas turbocharger 1 and thereby an always optimal operating gap 12 that is air gap between the individual bearing segments 5 and the wave 3 to comply, whereby a previously unachievable stock quality can be realized. Through the hollow adjusting screws 6 is also a cooling or pressurization of the storage space of the gas dynamic air bearing 2 possible, whereby this is not only coolable, but can also be sealed by means of overpressure against penetrating exhaust gases and / or dirt particles.

Im Bereich des Gewindeabschnitts 10 kann auch eine Eingriffskontur 16, bspw. ein Innenmehrkant, für ein entsprechendes Schraubwerkzeug vorgesehen sein. In the area of the threaded section 10 can also be an engagement contour 16 , For example, an internal polygon, be provided for a corresponding screwing.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102013223329 A1 [0002] DE 102013223329 A1 [0002]

Claims (10)

Gasdynamisches Luftlager (2) zur Radiallagerung einer Welle (3), – mit in einem ringförmigen Gehäuse (4) angeordneten Lagersegmenten (5), die die Welle (3) gemeinsam lagern, wobei jedes Lagersegment (5) beweglich an einer radialen Einstellschraube (6) gelagert ist, die einstellbar im Gehäuse (4) angeordnet ist und in eine entsprechende Aussparung (7) am Lagersegment (5) eingreift, – wobei jede Einstellschraube (6) eine Blattfeder (8) durchsetzt, die zwischen dem Gehäuse (4) und dem Lagersegment (5) eingesetzt ist, um Bewegungen des Lagersegmentes (5) zu dämpfen und das Lagersegment (5) relativ zur Welle (3) zu positionieren, dadurch gekennzeichnet, – dass zumindest eine Einstellschraube (6) einen Kopf (9), einen mit dem Gehäuse (4) verschraubten Gewindeabschnitt (10) und einen zwischen dem Kopf (9) und dem Gewindeabschnitt (10) angeordneten Schaftabschnitt (11) aufweist, der nicht mit dem Gehäuse (4) in Kontakt steht, – dass Abmessungen der Einstellschraube (6) derart auf einen Werkstoff der Einstellschraube (6) sowie auf einen Werkstoff des Gehäuses (4) abgestimmt sind, dass eine Wärmedehnung des Gehäuses (4) im Betrieb durch eine zugehörige Wärmedehnung der Einstellschraube (6) kompensierbar ist und dadurch eine vorzugsweise temperaturunabhängig gleichbleibende Lagerung der Welle (3) ermöglicht. Gas dynamic air bearing ( 2 ) for the radial bearing of a shaft ( 3 ), - in an annular housing ( 4 ) arranged bearing segments ( 5 ), which is the wave ( 3 ), each bearing segment ( 5 ) movable on a radial adjusting screw ( 6 ) which is adjustable in the housing ( 4 ) is arranged and in a corresponding recess ( 7 ) at the storage segment ( 5 ), - each adjusting screw ( 6 ) a leaf spring ( 8th ) interspersed between the housing ( 4 ) and the storage segment ( 5 ) is used to movements of the bearing segment ( 5 ) and the bearing segment ( 5 ) relative to the shaft ( 3 ), characterized in that - at least one adjustment screw ( 6 ) a head ( 9 ), one with the housing ( 4 ) screwed threaded portion ( 10 ) and one between the head ( 9 ) and the threaded portion ( 10 ) arranged shaft portion ( 11 ), which does not interfere with the housing ( 4 ), that the dimensions of the adjusting screw ( 6 ) on a material of the adjusting screw ( 6 ) as well as on a material of the housing ( 4 ) that a thermal expansion of the housing ( 4 ) in operation by an associated thermal expansion of the adjusting screw ( 6 ) is compensated and thereby preferably a temperature-independent constant storage of the shaft ( 3 ). Gasdynamisches Luftlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaftabschnitt (11) hinsichtlich seiner Länge so bemessen ist, dass eine Wärmedehnung des Gehäuses (4) im Betrieb durch überwiegend eine zugehörige Wärmedehnung des Schaftabschnitts (11) kompensierbar ist und dadurch eine vorzugsweise temperaturunabhängig gleichbleibende Lagerung der Welle (3) ermöglicht.Gas dynamic air bearing according to claim 1, characterized in that the shank portion ( 11 ) is dimensioned in terms of its length so that a thermal expansion of the housing ( 4 ) in operation by predominantly an associated thermal expansion of the shaft portion ( 11 ) is compensated and thereby preferably a temperature-independent constant storage of the shaft ( 3 ). Gasdynamisches Luftlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Einstellschraube (6) im Übergangsbereich zwischen dem Schaftabschnitt (11) und dem Kopf (9) zumindest eine Querbohrung (15, 15') aufweist. Gas dynamic air bearing according to claim 1 or 2, characterized in that at least one adjusting screw ( 6 ) in the transition region between the shaft portion ( 11 ) and the head ( 9 ) at least one transverse bore ( 15 . 15 ' ) having. Gasdynamisches Luftlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Einstellschraube (6) im Übergangsbereich zwischen dem Schaftabschnitt (11) und dem Kopf (9) zwei orthogonal zueinander angeordnete Querbohrungen (15, 15') aufweist. Gas dynamic air bearing according to one of the preceding claims, characterized in that at least one adjusting screw ( 6 ) in the transition region between the shaft portion ( 11 ) and the head ( 9 ) two orthogonal transverse bores ( 15 . 15 ' ) having. Gasdynamisches Luftlager nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Einstellschraube (6) eine Axialausnehmung (13) aufweist, die die Einstellschraube (6) vom Gewindeabschnitt (10) bis zur Querbohrung (15, 15') durchdringt.Gas dynamic air bearing according to one of claims 3 or 4, characterized in that at least one adjusting screw ( 6 ) an axial recess ( 13 ), which the adjusting screw ( 6 ) of the threaded portion ( 10 ) to the transverse bore ( 15 . 15 ' ) penetrates. Gasdynamisches Luftlager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Einstellschraube (6) eine diese komplett durchdringende Axialausnehmung (13') aufweist. Gas dynamic air bearing according to one of claims 1 to 4, characterized in that at least one adjusting screw ( 6 ) a completely penetrating axial recess ( 13 ' ) having. Gasdynamisches Luftlager nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Axialausnehmung (13, 13') mit einem Kühlfluid (17), insbesondere Luft, durchströmbar ist.Gas dynamic air bearing according to claim 5 or 6, characterized in that the axial recess ( 13 . 13 ' ) with a cooling fluid ( 17 ), in particular air, can flow. Gasdynamisches Luftlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Blattfeder (8) mehrere Einzelfedern aufweist. Gas dynamic air bearing according to one of the preceding claims, characterized in that the leaf spring ( 8th ) has several individual springs. Abgasturbolader (1) mit einem gasdynamischen Luftlager (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.Exhaust gas turbocharger ( 1 ) with a gas-dynamic air bearing ( 2 ) according to one of claims 1 to 8. Brennkraftmaschine (18) mit einem Abgasturbolader (1) nach Anspruch 9.Internal combustion engine ( 18 ) with an exhaust gas turbocharger ( 1 ) according to claim 9.
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