DE102016222625A1 - Bearing bushing for a shaft of a turbocharger - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Lagerbuchse für eine Welle eines Turboladers, mit zumindest einer ringförmigen Axiallagerfläche, umfassend zumindest eine Anzahl von Keilflächen, welche einander in Umfangsrichtung folgen.Die erfindungsgemäße Lagerbuchse ist dadurch gekennzeichnet, dass die Keilflächen in einer Ebene senkrecht zur zentralen Achse der Lagerbuchse starten und von dieser Ebene in axialer Richtung entlang der Umfangsrichtung absteigen, wobei jede der Keilflächen an einer Kante der benachbarten Keilfläche mit einer Stufe in axialer Richtung unterhalb der Ebene endet.The invention relates to a bearing bushing for a shaft of a turbocharger, having at least one annular thrust bearing surface comprising at least a number of wedge surfaces which follow one another in the circumferential direction. The bearing bush according to the invention is characterized in that the wedge surfaces start in a plane perpendicular to the central axis of the bearing bush and descend from said plane in the axial direction along the circumferential direction, each of the wedge surfaces terminating at an edge of the adjacent wedge surface with a step in the axial direction below the plane.
Description
Die Erfindung betrifft eine Lagerbuchse für eine Welle eines Turboladers nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung einen Turbolader mit einer derartigen Lagerbuchse.The invention relates to a bearing bush for a shaft of a turbocharger according to the closer defined in the preamble of claim 1. The invention also relates to a turbocharger with such a bushing.
Turbolader sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Typischerweise weisen sie eine durchgehende Welle auf, auf deren einen Ende eine Turbine und auf deren anderen Ende wenigstens ein Verdichterrad montiert ist. Zur Lagerung der Welle in einem Gehäuse des Turboladers haben sich seit langem Lagerbuchsen etabliert, welche insbesondere Axiallagerflächen und Radiallagerflächen aufweisen. Beispielhaft kann auf eine Lagerbuchse dieser Art in der Offenbarung der
Ein entscheidender Punkt bei derartigen Lagerbuchsen ist ihre Lageraufgabe einerseits als Axiallager und insbesondere als Radiallager für die typischerweise mit mehreren 10000 U/min sehr schnell laufende Welle des Turboladers. Derartige Buchsen können dabei einteilig ausgebildet sein. Hierfür kann beispielhaft auf den Aufbau in der
Die
Die internationale Patentanmeldung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Lagerbuchse für die Welle eines Turboladers anzugeben, welche eine gute Tragfähigkeit zusammen mit minimaler Reibung und akzeptablem Ölkonsum erlaubt. Es ist außerdem die Aufgabe der Erfindung, einen Turbolader mit solch einer Lagerbuchse anzugeben.It is the object of the invention to provide an improved bushing for the shaft of a turbocharger, which allows good bearing capacity along with minimal friction and acceptable oil consumption. It is also the object of the invention to provide a turbocharger with such a bushing.
Diese Aufgabe wird durch eine Lagerbuchse mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Die Aufgabe wird außerdem durch einen Turbolader mit einer solchen Lagerbuchse gelöst.This object is achieved by a bearing bush with the features in claim 1. The object is also achieved by a turbocharger with such a bushing.
Die erfindungsgemäße Lagerbuchse umfasst als Axiallagerfläche eine Anordnung einer Anzahl von Keilflächen, welche einander in Umfangsrichtung folgen. Jede der Keilflächen startet in einer Ebene senkrecht zur zentralen Achse der Lagerbuchse. Sie nimmt ausgehend von dieser Ebene in axialer Richtung entlang der Umfangsrichtung ab, wobei jede der Keilflächen an einer Kante zur benachbarten Keilfläche mit einer Stufe in axialer Richtung unterhalb der Ebene endet. Diese komplexe dreidimensionale Oberfläche erlaubt eine Gestaltung mit einer minimalen Anzahl von Kanten. Deshalb kann so viel Tragfähigkeit beziehungsweise Druckaufbau wie möglich erzielt werden, bei einer minimalen Störung der Strömung des Schmiermittels auf und im Bereich der Axiallagerfläche. Eine gute Tragfähigkeit zusammen mit einer geringen Reibung wird hierdurch erzielt.The bearing bush according to the invention comprises, as an axial bearing surface, an arrangement of a number of wedge surfaces which follow one another in the circumferential direction. Each of the wedge surfaces starts in a plane perpendicular to the central axis of the bearing bush. It decreases from this plane in the axial direction along the circumferential direction, wherein each of the wedge surfaces terminates at one edge to the adjacent wedge surface with a step in the axial direction below the plane. This complex three-dimensional surface allows a design with a minimum number of edges. Therefore, as much bearing capacity or pressure build-up as possible can be achieved, with minimal disturbance of the flow of the lubricant on and in the area of the axial bearing surface. A good load capacity together with a low friction is achieved hereby.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Axiallagerfläche eine abwechselnde Anordnung von Keilflächen und Rastflächen im Bezug auf die Umfangsrichtung. Die Rastflächen sind eben und in einer Ebene angeordnet. Diese Ebene ist senkrecht zur zentralen Achse der Lagerbuchse ausgerichtet. Jede der Keilflächen startet benachbart zu einer Kante der Rastflächen in derselben Ebene. Sie fällt dann in Axialrichtung entlang der Umfangsrichtung von dieser Ebene aus ab, wobei die Keilflächen am anderen Ende der nächsten Rastfläche in Umfangsrichtung mit einer Stufe in axialer Richtung unterhalb der ebenen Rastfläche enden.In an advantageous development of the invention, the axial bearing surface comprises an alternating arrangement of wedge surfaces and latching surfaces with respect to the circumferential direction. The locking surfaces are flat and arranged in a plane. This plane is aligned perpendicular to the central axis of the bearing bush. Each of the wedge surfaces starts adjacent to an edge of the locking surfaces in the same plane. It then drops in the axial direction along the circumferential direction from this plane, the wedge surfaces at the other end of the next latching surface terminating in the circumferential direction with a step in the axial direction below the planar latching surface.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Lagerbuchse ist die Höhe der Stufe am inneren Durchmesser der Axiallagerfläche größer als am äußeren Durchmesser der Axiallagerfläche. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Höhe am inneren Durchmesser zumindest dreimal, vorzugsweise mehr als fünfmal größer als die Höhe der Stufe am äußeren Durchmesser. Das erlaubt eine gute Versorgung mit Öl als Schmiermittel von der Innenseite der Lagerbuchse aus zu den Keilflächen. Andererseits reduziert es die Menge an Schmiermittel, welche zum äußeren Durchmesser gelangt und von den rotierenden Elementen weggeschleudert wird. Hierdurch wird eine gute Schmierung einerseits und eine Reduktion der benötigten Menge an Schmiermitteln andererseits erzielt.According to an advantageous embodiment of the bearing bush, the height of the step at the inner diameter of the thrust bearing surface is greater than at the outer diameter of the thrust bearing surface. In a preferred embodiment, the height at the inner diameter is at least three times, preferably more than five times greater than the height of the step at the outer diameter. That allows a good supply with oil as a lubricant from the inside of the bearing bush to the wedge surfaces. On the other hand, it reduces the amount of lubricant that gets to the outer diameter and is thrown away by the rotating elements. As a result, a good lubrication on the one hand and a reduction of the required amount of lubricant on the other hand is achieved.
Um diese besonderen Verbesserungen zu erzielen hat die Keilfläche eine stetig gekrümmte Form. Es sind keine Kanten in der Keilfläche. Der Übergang von der ebenen Rastfläche in die Keilfläche kann unstetig sein. Der Rest der Form der Keilfläche hat eine dreidimensionale stetige gekrümmte Form. Die Form ist dabei vorzugsweise in radialer Richtung und in Umfangsrichtung stetig. Hierdurch wird ein minimaler Widerstand für das Schmiermittel ermöglicht und eine gute Tragfähigkeit erzielt.In order to achieve these particular improvements, the wedge surface has a steadily curved shape. There are no edges in the wedge surface. The transition from the flat locking surface into the wedge surface can be unsteady. The rest of the shape of the wedge surface has a three-dimensional continuous curved shape. The shape is preferably continuous in the radial direction and in the circumferential direction. As a result, a minimal resistance to the lubricant is possible and achieved a good load capacity.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Lagerbuchse umfasst die Axiallagerfläche zumindest drei, vorzugsweise vier Rastflächen. Mit einer solchen relativ kleinen Anzahl von Rastflächen wird die Reibung zwischen der Axiallagerfläche und ihrem Gegenstück reduziert. Obwohl in einer bevorzugten Ausgestaltung der Idee die gesamte Fläche der Rastflächen kleiner ist als die der Keilflächen, kann dennoch die Tragfähigkeit der Axiallagerfläche verbessert werden.According to an advantageous embodiment of the bearing bush, the thrust bearing surface comprises at least three, preferably four locking surfaces. With such a relatively small number of locking surfaces, the friction between the thrust bearing surface and its counterpart is reduced. Although in a preferred embodiment of the idea, the entire surface of the locking surfaces is smaller than that of the wedge surfaces, the bearing capacity of the thrust bearing surface can still be improved.
Gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der Idee ist das Verhältnis zwischen den Rastflächen auf der einen Seite und den Keilflächen auf der anderen Seite ungefähr 1:2, oder kleiner. Das hilft die Reibung zu reduzieren und erlaubt durch das spezielle Design der Keilflächen eine akzeptable Tragfähigkeit der Axiallagerfläche.According to a further very favorable embodiment of the idea, the ratio between the latching surfaces on the one side and the wedge surfaces on the other side is approximately 1: 2, or smaller. This helps to reduce friction and, due to the special design of the wedge surfaces, allows an acceptable bearing capacity of the thrust bearing surface.
Ferner ist es in einer verbesserten Ausgestaltung vorgesehen, dass die Kanten zwischen den Rastflächen und den Keilflächen in radialer Richtung verlaufen. Die vorzugsweise ringförmige Fläche der Axiallagerfläche wird so in radiale Segmente der Keilflächen und der Rastflächen aufgeteilt, welche einander in abwechselnder Anordnung folgen.Furthermore, it is provided in an improved embodiment that the edges between the locking surfaces and the wedge surfaces extend in the radial direction. The preferably annular surface of the thrust bearing surface is thus divided into radial segments of the wedge surfaces and the locking surfaces, which follow one another in an alternating arrangement.
Obwohl es denkbar ist, dass eine Lagerbuchse nur eine solche Axiallagerfläche hat, ist es gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee vorgesehen, dass die Lagerbuchse dadurch gekennzeichnet ist, dass zwei Axiallagerflächen an jeder ihrer beiden axialen Stirnseiten vorgesehen sind. Gemäß dem speziellen Design der Keilflächen ist es hilfreich, eine Verteilung von Schmiermittel von der Innenseite der Lagerbuchse zu den Keilflächen vorzusehen. Gemäß dieser Idee umfasst die Lagerbuchse Ölverteilungsmittel, welche im Inneren der Umfangsfläche der Lagerbuchse angeordnet sind.Although it is conceivable that a bearing bush only has such a thrust bearing surface, it is provided according to an advantageous development of the idea that the bearing bush is characterized in that two Axiallagerflächen are provided on each of its two axial end faces. According to the special design of the wedge surfaces, it is helpful to provide a distribution of lubricant from the inside of the bearing bush to the wedge surfaces. According to this idea, the bearing bush comprises oil distribution means, which are arranged inside the peripheral surface of the bearing bush.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Idee umfasst die Lagerbuchse zumindest eine Radiallagerfläche an ihrer inneren Oberfläche, welche eine Nut für die Ölverteilung aufweist. Solch eine Nut in zumindest einer Radiallagerfläche an der inneren Umfangsfläche der Lagerbuchse erlaubt die Verteilung von Öl in axialer Richtung von dem Zentrum der Lagerbuchse durch die Radiallagerflächen in den Bereich der Axiallagerfläche. Hierdurch ist sowohl die Schmierung der Radiallagerfläche als auch der Axiallagerfläche möglich.According to an advantageous development of this idea, the bearing bush comprises at least one radial bearing surface on its inner surface, which has a groove for oil distribution. Such a groove in at least one radial bearing surface on the inner peripheral surface of the bushing allows the distribution of oil in the axial direction from the center of the bushing through the radial bearing surfaces in the region of the thrust bearing surface. As a result, both the lubrication of the radial bearing surface and the thrust bearing surface is possible.
Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Entwicklung ist es vorgesehen, dass die Nut für die Ölverteilung in der Radiallagerfläche als spiralförmige Nut ausgebildet ist. Diese spiralförmige Nut erlaubt es, wenn sie in der benötigten Rotationsrichtung ausgestaltet ist, dass durch sie Öl vom Zentrum der Lagerbuchse in axialer Richtung nach außen transportiert wird.According to a further very advantageous development, it is provided that the groove for the oil distribution in the radial bearing surface is formed as a spiral groove. This helical groove, when configured in the required rotational direction, allows oil to be transported outwardly from the center of the bushing in an axial direction.
Ein Turbolader gemäß der Erfindung umfasst wenigstens einen Kompressor und eine Turbine auf einer gemeinsamen Welle. Der Turbolader umfasst ferner ein Gehäuse mit einer zentralen Öffnung zur Aufnahme der Welle in zumindest einer Lagerbuchse. Die Lagerbuchse ist gemäß einer der oben beschriebenen Ausgestaltungen mit einer Axiallagerfläche konstruiert, welche Keilflächen entsprechend der oben beschriebenen Ausgestaltungen umfasst. Ein solcher Turbolader erlaubt eine minimale Reibung in seinen Axiallagern und ermöglicht eine gute Tragfähigkeit mit einem geringen Verbrauch von Schmiermittel beziehungsweise Öl.A turbocharger according to the invention comprises at least a compressor and a turbine on a common shaft. The turbocharger further includes a housing having a central opening for receiving the shaft in at least one bushing. The bushing is constructed according to one of the above-described embodiments with an axial bearing surface comprising wedge surfaces according to the embodiments described above. Such a turbocharger allows minimal friction in its thrust bearings and allows good carrying capacity with a low consumption of lubricant or oil.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lagerbuchse und des Turboladers ergeben sich ferner aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.Further advantageous embodiments and further developments of the bearing bush and the turbocharger also result from the exemplary embodiment, which is described in more detail below with reference to the figures.
Dabei zeigen:
-
1 einen Schnitt durch einen Teil eines Turboladers gemäß der Erfindung; -
2 eine Schnittdarstellung durch die im Gehäuse des Turboladers eingesetzte Lagerbuchse; -
3 eine dreidimensionale Ansicht einer Lagerbuchse in einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung; -
4 eine Draufsicht auf eine Ausgestaltung der Axiallagerfläche in einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung; -
5 eine dreidimensionale Ansicht einer Axiallagerfläche in einer ersten Ausgestaltung gemäß der Erfindung; und -
6 eine dreidimensionale Ansicht einer Axiallagerfläche in einer weiteren Ausgestaltung gemäß der Erfindung.
-
1 a section through a part of a turbocharger according to the invention; -
2 a sectional view through the bearing bush used in the housing of the turbocharger; -
3 a three-dimensional view of a bearing bush in an embodiment of the invention; -
4 a plan view of an embodiment of the thrust bearing surface in an embodiment of the invention; -
5 a three-dimensional view of a thrust bearing surface in a first embodiment according to the invention; and -
6 a three-dimensional view of a thrust bearing surface in a further embodiment according to the invention.
In der Darstellung der
Im vergrößerten Ausschnitt der
Die Lagerbuchse
Die Lagerbuchse
Im Bereich des Ölzufuhrkanals
In der Darstellung der
Über den Ölzufuhrkanal
Ferner ist es in der Darstellung der
Von den Radiallagerflächen
Neben diesem Öl, welches der Schmierung der Radiallagerflächen
Ferner ist in
In der vergrößerten Ansicht der
Bei der Verwendung der Lagerbuchse
Wie es sich aus der Ansicht in
Die Art, in welcher die Keilflächen
In Drehrichtung im Uhrzeigersinn weitergehend hat die Rastfläche
Die Ausführungsform, welche in
Außerdem ist die Verteilung des Öls über die axial verlaufende Nut
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Turboladerturbocharger
- 22
- Turbineturbine
- 33
- Verdichtercompressor
- 44
- Wellewave
- 55
- Gehäusecasing
- 66
- Lagerbuchsebearing bush
- 77
- Verdichtergehäusecompressor housing
- 88th
- Turbinengehäuseturbine housing
- 99
- zentrale Öffnungcentral opening
- 1010
- zentrale Achsecentral axis
- 1111
- ÖlablaufbohrungOil drain hole
- 1212
-
Stufenbohrung im Gehäuse 5Stepped bore in the
housing 5 - 1313
- Stiftpen
- 1414
-
Außenfläche der Lagerbuchse 6Outer surface of the bearing
bush 6 - 1515
-
Innenfläche der Lagerbuchse
6 Inner surface of the bearingbush 6 - 1616
- ÖlzufuhrkanalOil supply channel
- 17 17
- Ölzufuhr (Pfeil)Oil supply (arrow)
- 1818
- in Axialrichtung verlaufende Längsnutin the axial direction extending longitudinal groove
- 1919
- Zentralnutcentral groove
- 2020
- Ringnutenring grooves
- 2121
- Axiallagerflächenaxial bearing
- 2222
- Radialbohrungenradial bores
- 2323
- RadiallagerflächenRadial bearing surfaces
- 2424
-
Durchgangsbohrung in Stift 13Through hole in
pin 13 - 2525
- Ringraumannulus
- 2626
- Ölabfuhr (Pfeile)Oil removal (arrows)
- 2727
- Drainageöffnungdrainage opening
- 2828
- Übergangcrossing
- 2929
- spiralförmige Nutspiral groove
- 3030
- Axiallagerflächethrust bearing
- 3131
- RastflächeRest area
- 3232
- Keilflächewedge surface
- 3333
- radiale Kanteradial edge
- 3434
- Stufestep
- 3535
- radiale Kanteradial edge
- AA
- axiale Richtungaxial direction
- RR
- radiale Richtungradial direction
- hH
-
Höhe der Stufe
34 am äußeren DurchmesserHeight of thelevel 34 at the outer diameter - HH
-
Höhe der Stufe
34 am inneren DurchmesserHeight of thelevel 34 at the inner diameter - DD
- äußerer Durchmesserouter diameter
- dd
- innerer Durchmesserinner diameter
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- US 6017184 A [0003]US 6017184 A [0003]
- EP 1998009 B1 [0003]EP 1998009 B1 [0003]
- US 9140185 B2 [0004]US 9140185 B2 [0004]
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