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Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung für einen Verdichter eines Verbrennungsmotors, insbesondere eine Lageranordnung bestehend aus einem Schrägkugellager zu der Abstützung und Führung der Läuferwelle eines Turboladers. Kugellager beinhalten Kugeln als Wälzkörper sowie einen Außenring und ggf. einen Innenring, an denen jeweils eine Wälzbahn gebildet ist. Die Kugeln wälzen zwischen dem Außen- und dem Innenring auf den Wälzbahnen ab und werden mittels eines Käfigs mit über seinen Umfang verteilten Wälzkörpertaschen voneinander beabstandet. Der Käfig kann an den Wälzkörpern geführt sein oder an einem der Ringe; in Turboladern erfolgt die Führung für gewöhnlich am Außenring – aber auch die Führung am Innenring ist möglich. Die besonderen Betriebsbedingungen eines Turboladers stellen die Auslegung der Lagerung vor besondere Herausforderungen. Die Läuferwelle rotiert mit einer Drehzahl, die infolge ihrer absoluten Höhe und ihrer Schwankungen hohe Lasten in das Lager leiten. Turbolader werden mit sich ständig ändernder Drehzahl betrieben, die in der Spitze bis zu 300.000 Umdrehungen pro Minute betragen kann. Darüber hinaus herrschen insbesondere in der Nähe des Turbinenrades hohe Betriebstemperaturen, die auf das Schmiermittel und die verwendeten Werkstoffe wirken. Vergleichbare Betriebsbedingungen gelten auch für die Lagerung von Läuferwellen für Kompressoren und sogenannte Turbocompounds.
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Üblicherweise wird eine Verdrehsicherung der Wälzlagerkartusche durch Anlageflächen, die an einem Gehäuse und dem Lageraußenring angebracht sind, bewerkstelligt. Die axiale Sicherung erfolgt üblicherweise durch jeweils einen Anschlag an den außenliegenden Enden der äußeren Lagerhülse. Bei solchen Varianten erfolgt die Abstützung in axialer Richtung an zwei unterschiedlichen Positionen am Gehäuse. Hierbei kommt es zur Erhöhung des Axialspiels bei Erwärmung der Bauteile aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten: Das Gehäuse kann nämlich aus Leichtmetall, wie Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung gefertigt sein, wohingegen die Lagerhülsen insbesondere aus Stahl bzw. einer Stahllegierung gefertigt sind.
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Die
EP 2 299 066 A1 zeigt beispielhaft eine Lageranordnung für einen Verdichter eines Verbrennungsmotors. Gezeigt ist eine Lageranordnung mit einem Außenring einer Lagerkartusche und mit einem an einem Gehäuse befestigten Positionierungsbauteil, das an der Stirnfläche des Außenrings anliegt. Das Positionierungsbauteil zeigt eine mittige Ausnehmung mit einem Innenumfang. Im Bereich der Anlagefläche zwischen Positionierungsbauteil und Außenring sind zwei Stifte angeordnet. Die Stifte greifen in entsprechende Ausnehmungen am Außenring ein und bilden die Verdrehsicherung. Der Kontaktbereich zwischen Positionierungsbauteil und Außenring bildet ein einseitiges Axiallager. Als nachteilig wird in einigen Anwendungen empfunden, dass die Passung im Bereich der Verdrehsicherung und des Axialanschlags aufgrund wärmebedingter Ausdehnung angrenzender Bauteil als Spielpassung mit großem Mindestspiel auszulegen ist. In einigen Anwendungsfällen kann es in der Folge zu einer Geräuschentwicklung kommen.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Lageranordnung, einen Verdichter mit einer solchen Lageranordnung und einen Turbolader mit einer solchen Lageranordnung bereitzustellen, deren Sicherung gegen Verdrehen verbessert wird.
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Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1, vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden. Demnach wird die Aufgabe gelöst durch eine Lageranordnung für einen Verdichter eines Verbrennungsmotors mit einem Außenring aufweisend eine Außenmantelfläche mit einem ersten und einem zweiten axialen Abschnitt, wobei der Querschnitt des ersten axialen Abschnitts einen im Wesentlichen konstanten Radius der Kontur der Außenmantelfläche zeigt, wodurch ein auf einer Drehachse liegender Mittelpunkt definiert wird, und mit einem Positionierungsbauteil, das eine Ausnehmung mit einem Innenumfang zeigt, wobei das Positionierungsbauteil den Außenring im Bereich des zweiten axialen Abschnitts umgibt und wobei das Positionierungsbauteil und der Außenring relativbeweglich zueinander angeordnet sind. Der Innenumfang der Ausnehmung des Positionierungsbauteils weist zumindest einen Teilabschnitt mit uneinheitlichem Abstand zum Mittelpunkt auf und der Querschnitt des zweiten axialen Abschnitts weist entlang des Umfangs zumindest einen Teilabschnitt auf, der einen veränderlichen Radius der Kontur der Außenmantelfläche zeigt (Radiusvariation), wobei in einem ersten Umfangsabschnitt der Abstand zwischen der Kontur der Außenmantelfläche des zweiten axialen Abschnitts und der Drehachse größer ist als der Abstand zwischen der Kontur des Innenumfangs und der Drehachse in einem zweiten Umfangsabschnitt.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Anordnung des Positionierungsbauteils relativ zum Außenring derart erfolgen kann, dass sich der Abstand zwischen dem auf der Drehachse des Außenrings liegenden Mittelpunkt und dem Innenumfang der Ausnehmung des Positionierungsbauteils entlang des Innenumfangs verändert. Als Gegenstück dient die Außenmantelfläche des zweiten axialen Abschnitts des Außenrings. Der Querschnitt des zweiten axialen Abschnitts weist entlang des Umfangs zumindest einen Teilabschnitt auf, der einen veränderlichen Radius der Kontur der Außenmantelfläche zeigt. Der Innenumfang der Ausnehmung des Positionierungsbauteils und die Außenmantelfläche des zweiten axialen Abschnitts können somit in ein bestimmtes Verhältnis zueinander gesetzt werden: In einem ersten Umfangsabschnitt ist der Abstand zwischen der Kontur der Außenmantelfläche des zweiten axialen Abschnitts und der Drehachse größer als der Abstand zwischen der Kontur des Innenumfangs und der Drehachse in einem zweiten Umfangsabschnitt, wobei der Ausdruck Umfangsabschnitt einen Winkelbereich des Innenumfangs des Positionierungsbauteils und einen Winkelbereich der Kontur der Außenmantelfläche bezeichnet.
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Durch die geometrischen Verhältnisse kann ein Verdrehen des Außenrings verhindert werden, wobei es zu tangentialen Kontaktbedingungen zwischen dem Außenring und dem Positionierungsbauteil kommt. Daraus ergeben sich Vorteile hinsichtlich Geräuschentwicklung und Verschleiß. Darüber hinaus kann ein geringes axiales sowie radiales Spiel verwirklicht werden bei gleichzeitig nur geringen Anforderungen an die Fertigungstoleranzen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform schließt sich an den zweiten axialen Abschnitt auf der dem ersten Abschnitt abgewandten Seite ein dritter axialer Abschnitt mit einer Außenmantelfläche an, wobei im Querschnitt die Kontur der Außenmantelfläche des dritten axialen Abschnitts einen Teilabschnitt aufweist mit einem größeren Abstand zum Mittelpunkt im Vergleich zum Teilabschnitt der Radiusvariation des zweiten axialen Abschnitts im gleichen Umfangswinkelbereich (Axiallagerabschnitt). Auf vorteilhafte Weise kann somit ein Axiallager gebildet werden, das insbesondere zur axialen Sicherung des Außenrings und der Lagerkartusche dient. Darüber hinaus wird auf unaufwendige Weise eine Sicherung verwirklicht, die Kräfte unabhängig von der axialen Wirkrichtung der Kräfte aufnehmen kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Positionierungsbauteil mit einem Gehäuse verbindbar, wodurch die relative Lage des ersten Umfangsabschnitts und des zweiten Umfangsabschnitts festgelegt werden. Auf diese Weise können die Bauteile unaufwendig ausgerichtet werden. Das Positionierungsbauteil ist insbesondere scheibenförmig ausgebildet und wird vorzugsweise mittels Schraubverbindungen mit dem Gehäuse verbunden. Die Schraubverbindungen sind vorzugsweise asymmetrisch angeordnet, wodurch die positionsgetreue Anordnung der Positionierungsbauteils gewährleistet wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist in einem dritten Umfangsabschnitt der Abstand zwischen der Kontur der Außenmantelfläche des zweiten axialen Abschnitts und der Drehachse größer als der Abstand zwischen der Kontur des Innenumfangs und der Drehachse in dem zweiten und/oder einem vierten Umfangsabschnitt. Auf diese Weise kann eine Verdrehsicherung gewährleistet werden, die in beide Umfangsrichtungen wirkt. Zudem kann durch Anordnung eines vierten Umfangsabschnitts ein zweiter Bereich gebildet werden, so dass bereits bei kleinen Verdrehwinkeln eine Verdrehung verhindert wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Radiusvariation ein kreisbogenförmiger Teilabschnitt, dessen Mittelpunkt auf einer zweiten Achse liegt (zweiter Mittelpunkt), deren Lage von der Drehachse abweicht. Der zweite Mittelpunkt schließt vorteilhafterweise mit dem kreisbogenförmigen Teilabschnitt den auf der Drehachse des Außenrings liegenden Mittelpunkt ein.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Ausnehmung im Wesentlichen kreisförmig ist, wobei der Radius der kreisförmigen Ausnehmung größer oder gleich dem minimalen Radius der Kontur des Querschnitts der Außenmantelfläche des zweiten axialen Abschnitt ist und kleiner als der größte Radius der Kontur des Querschnitts der Außenmantelfläche des zweiten axialen Abschnitts. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass eine Verdrehung des Lageraußenrings bereits bei kleinen Verdrehwinkeln verhindert wird.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausführungsform ist der Mittelpunkt der kreisförmigen Ausnehmung (dritter Mittelpunkt) exzentrisch zum Mittelpunkt angeordnet, wobei der Mittelpunkt näher am Teilabschnitt der Abstandsvariation liegt als der dritte Mittelpunkt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform geht die Radiusvariation des zweiten axialen Abschnitts aus einem exzentrischen Einstich hervor. Insbesondere können der zweite und der dritte axiale Abschnitt im Wesentlichen den gleichen Grundkörper aufweisen. Auf kostengünstige Weise lässt sich somit die Kontur des zweiten axialen Abschnitts verwirklichen.
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Die Aufgabe wird ferner gelöst durch einen Verdichter für einen Verbrennungsmotor mit einem Gehäuse und mit einer Lageranordnung in einer der beschrieben Ausführungsformen, wobei das Positionierungsbauteil am Gehäuse festgelegt ist.
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Darüber hinaus wird die Aufgabe gelöst durch einen Turbolader für einen Verbrennungsmotor mit einem Turbinenrad und einem Verdichterrad, die über eine Welle miteinander verbunden sind, sowie mit einer Lageranordnung nach einer der vorangegangen beschriebenen Ausführungsformen, wobei die Lageranordnung zumindest teilweise von einem Gehäuse aufgenommen ist. Darüber hinaus ist eine Anwendung grundsätzlich möglich mit einem Turboverdichter, einem Turbocompound und vergleichbaren Anwendungen, beispielsweise einem durch einen Elektromotor angetriebenen Verdichter.
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Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei Bezug auf die Zeichnungen genommen wird. Funktionsgleiche Elemente der erläuterten Ausführungsformen werden mit dem gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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1 Zentralgehäuse eines Turboladers mit Lagerkartusche nach dem Stand der Technik;
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2 Perspektivische Ansicht einer Lagerkartusche mit exzentrischem Einstich;
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3 Längsschnitt eines Zentralgehäuses mit Lagerkartusche der 2;
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4 Einzelheit Z aus 3;
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5 Draufsicht der Stirnseite der Lagerkartusche aus 3;
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6 Positionierungsbauteil in der Draufsicht;
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7 Lagerkartusche der 3 im Querschnitt B-B;
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8 Einzelheit Y aus 7;
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9 Lagerkartusche mit exzentrischem Einstich;
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10 Lagerkartusche der 9 im Querschnitt C-C;
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Die 1 zeigt einen Ausschnitt eines Zentralgehäuses 1, das gemeinsam mit einer Lagerkartusche 2, einer Welle (nicht gezeigt) und endseitig an der Welle befestigtem Turbinen- und Verdichterrad (nicht gezeigt) einen Turbolader bildet. Die vom Zentralgehäuse 1 aufgenommene Lagerkartusche 2 umfasst eine zweireihige Schrägkugellageranordnung mit einem durchgehenden Außenring 3, einem geteilten Innenring 4 und Kugeln 5 als Wälzkörper. Die Schmierung der Lagerung erfolgt mittels Motoröl, das der Lagerkartusche 2 über eine Motorölbohrung 6 zugeführt werden kann. Über eine Spritzölbohrung 7 gelangt das Motoröl in das Innere der Lagerkartusche 2. Die Abfuhr erfolgt über Auslassöffnungen 8.
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Beidseitig der Lagerkartusche 2 ist am Zentralgehäuse 1 ein Axialanschlag 9 angeordnet, wobei der Axialanschlag 9 an einem der Enden durch einen mit dem Zentralgehäuse 1 verschraubbaren Deckel 10 gebildet wird. Eine Sicherung gegen Verdrehen kann beispielsweise durch einen radial in die Kartusche eingreifenden Stift realisiert werden (nicht gezeigt). Als nachteilig wird in einigen Anwendungen empfunden, dass die Passung im Bereich der Verdrehsicherung und des Axialanschlags aufgrund wärmebedingter Ausdehnung angrenzender Bauteil als Spielpassung mit großem Mindestspiel auszulegen ist. In einigen Anwendungsfällen kann es in der Folge zu einer Geräuschentwicklung kommen.
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Eine erfindungsgemäße Lagerkartusche 2 mit exzentrischem Einstich 11 ist in einer perspektivischen Darstellung in 2 gezeigt. An ein axial mittleres Segment 12 des gezeigten Außenrings 3, an dessen Umfang eine Auslassöffnung 8 angedeutet ist, schließt sich eine umlaufende Nut 13 an, die der Zuführung von Motoröl von der Motorölbohrung 6 des Zentralgehäuses 1 zu der Spritzölbohrung 7 dient. Endseitig ist eine Gestaltung der Außenmantelfläche gezeigt mit einem ersten und einem zweiten axialen Abschnitt (14 und 15), wobei der Querschnitt des ersten axialen Abschnitts 14 einen im Wesentlichen konstanten Radius der Kontur der Außenmantelfläche zeigt, wodurch ein auf einer Drehachse liegender Mittelpunkt 16 definiert wird.
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Der Querschnitt des zweiten axialen Abschnitts 15 weist entlang des Umfangs zumindest einen Teilabschnitt auf, der einen veränderlichen Radius der Kontur der Außenmantelfläche zeigt. Dieser, im Folgenden als Radiusvariation 18 definierte Verlauf der Kontur, geht aus einem exzentrischen Einstich 11 hervor. An den zweiten axialen Abschnitt 15 schließt sich auf der dem ersten axialen Abschnitt 14 abgewandten Seite ein dritter axialer Abschnitt 19 mit einer Außenmantelfläche an, wobei im Querschnitt die Kontur der Außenmantelfläche des dritten axialen Abschnitts 19 einen Teilabschnitt aufweist mit einem größeren Abstand zum Mittelpunkt 16 im Vergleich zum Teilabschnitt der Radiusvariation des zweiten axialen Abschnitts im gleichen Umfangswinkelbereich. Auf diese Weise können ein Axialanschlag und eine Verdrehsicherung gebildet werden, deren Funktionsweise aus der 3 hervorgeht.
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Die 3 zeigt einen Längsschnitt eines Zentralgehäuses 1 mit der in 2 gezeigten Lagerkartusche 2. Neben die allgemeinen, in 1 bereits erläuterten Bestandteile einer gattungsgemäßen Lagerkartusche 2, tritt ein Positionierungsbauteil 20, das eine Ausnehmung 21 mit einem Innenumfang zeigt, wobei das Positionierungsbauteil 20 den Außenring 3 im Bereich des zweiten axialen Abschnitts 15 umgibt und wobei das Positionierungsbauteil 20 und der Außenring 3 relativbeweglich zueinander angeordnet sind. Das Positionierungsbauteil 20 ist als Scheibe gestaltet und mittels Schraubverbindung 22 mit dem Zentralgehäuse 1 fest verbunden.
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4 zeigt die Einzelheit Z der Lagerkartusche 2 aus 3. Das Positionierungsbauteil 20 greift in die durch den Einstich 11 gebildete Nut ein und begrenzt die axiale Beweglichkeit der Lagerkartusche 2 in axialer Richtung. Die Axialsicherung erfolgt somit im Gegensatz zu der aus dem Stand der Technik bekannten Lagerkartusche an nur einer Seite, wodurch die negativen Auswirkungen einer temperaturabhängigen Ausdehnung der Materialien vermindert werden können.
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5 zeigt eine Stirnseite des Zentralgehäuses 1 mit Lagerkartusche 2 in der Draufsicht. Das Positionierungsbauteil 20 in Form einer Scheibe ist mittels Schraubverbindung 22 am Zentralgehäuse 1 befestigt. Eine mittige Ausnehmung 21 greift im Bereich der Radiusvariation 18 in den Einstich 11 ein. Im befestigten Zustand weist der Innenumfang der Ausnehmung 21 des Positionierungsbauteils 20 einen Teilabschnitt mit uneinheitlichem Abstand zum durch die Drehachse der Lagerkartusche definierten Mittelpunkt 16 auf.
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6 zeigt das Positionierungsbauteil in der Draufsicht. Drei Bohrungen 23 ermöglichen eine Schraubverbindung 22 zwischen Positionierungsbauteil 20 und Zentralgehäuse 1, wobei ein asymmetrisches Bohrbild verwendet wird. Auf diese Weise wird eine gerichtete Montage ermöglicht.
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Die Ausnehmung 21 ist im Wesentlichen kreisförmig, wobei der Radius der kreisförmigen Ausnehmung 21 größer oder gleich dem minimalen Radius der Kontur des Querschnitts der Außenmantelfläche des zweiten axialen Abschnitts 15 ist und kleiner als der größte Radius der Kontur des Querschnitts der Außenmantelfläche des zweiten axialen Abschnitts 15. Der Mittelpunkt der kreisförmigen Ausnehmung 21 (dritter Mittelpunkt 24) ist exzentrisch zum Mittelpunkt 16 angeordnet, wobei der Mittelpunkt 16 im montierten Zustand näher am Teilabschnitt der Radiusvariation 18 liegt als der dritte Mittelpunkt 24. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass das Positionierungsbauteil 20 in den in 4 gezeigten Einstich 11 eingreift.
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Die 7 veranschaulicht die Lagerkartusche 2 der 3 im Querschnitt B-B. Gezeigt sind der Innenring 4, die Wälzkörper 5 und der Außenring 3 im Bereich des zweiten axialen Abschnitts 15. Verdeutlicht wird insbesondere die Kontur der Radiusvariation 18. Darüber hinaus wird das Zusammenspiel zwischen Einstich 11 und Positionierungsbauteil 20 zur Verwirklichung einer Verdrehsicherung verdeutlicht: In einem ersten Umfangsabschnitt 25 ist der Abstand zwischen der Kontur der Außenmantelfläche des zweiten axialen Abschnitts 15 und der Drehachse größer ist als der Abstand zwischen der Kontur des Innenumfangs der Ausnehmung 21 des Positionierungsbauteils 20 und der Drehachse in einem zweiten Umfangsabschnitt 26.
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Dieser Zusammenhang ist in der Einzelheit Y der 8 dargestellt: Eine Verdrehung gegen den Uhrzeigersinn führt aufgrund der beschriebenen geometrischen Verhältnisse zu einem Kontakt zwischen dem Außenring 3 und Positionierungsbauteil 20, wodurch eine weitere Verdrehung verhindert wird. Eine entsprechende Gestaltung auf der gegenüberliegenden Seite verhindert ein Drehen im Uhrzeigersinn: In einem dritten Umfangsabschnitt ist der Abstand zwischen der Kontur der Außenmantelfläche des zweiten axialen Abschnitts 15 und der Drehachse 16 größer als der Abstand zwischen der Kontur des Innenumfangs und der Drehachse in dem zweiten Umfangsabschnitt 26. Es kommt somit in beiden Drehrichtungen zu tangentialen Kontaktbedingungen, was sich positiv auf das Verschleißverhalten auswirkt.
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Die 9 zeigt eine weitere Ansicht der Lagerkartusche 2 mit exzentrischem Einstich, die 10 zeigt die Lagerkartusche 2 im Querschnitt C-C. Verdeutlicht wird die Exzentrizität des Einstichs 11, dessen Radiusvariation 18 zu einer Verschiebung gegenüber dem Mittelpunkt 16 führt: Die Radiusvariation 17 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel ein kreisbogenförmiger Teilabschnitt, dessen Mittelpunkt auf einer zweiten Achse liegt (zweiter Mittelpunkt 27), deren Lage von der Drehachse abweicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zentralgehäuse
- 2
- Lagerkartusche
- 3
- Außenring
- 4
- Innenring
- 5
- Wälzkörper
- 6
- Motorölbohrung
- 7
- Spritzölbohrung
- 8
- Auslassöffnungen
- 9
- Axialanschlag
- 10
- Deckel
- 11
- Einstich
- 12
- mittleres Segment
- 13
- Nut
- 14
- erster axialer Abschnitt
- 15
- zweiter axialer Abschnitt
- 16
- auf der Drehachse liegender Mittelpunkt
- 17
- Teilabschnitt
- 18
- Radiusvariation
- 19
- dritter axialer Abschnitt
- 20
- Positionierungsbauteil
- 21
- Ausnehmung
- 22
- Schraubverbindung
- 23
- Bohrung
- 24
- dritter Mittelpunkt
- 25
- erster Umfangsabschnitt
- 26
- zweiter Umfangsabschnitt
- 27
- zweiter Mittelpunkt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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