DE102017114072A1

DE102017114072A1 - Lagereinheit

Info

Publication number: DE102017114072A1
Application number: DE102017114072.7A
Authority: DE
Inventors: Heiko Schmidt
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2017-06-26
Filing date: 2017-06-26
Publication date: 2018-12-27

Abstract

Eine Lagereinheit (1) zur Lagerung einer Läuferwelle eines Abgasturboladers in einer Aufnahmebohrung (3a) eines Ladergehäuses (3) weist eine innerhalb des Ladergehäuses (3) angeordneten Lagerkartusche (2) mit einer Längsmittelachse (13) auf mit zumindest einem äußeren Lagerring (6), mit zwei Wälzkörperreihen sowie mit zumindest einem in dem Ladergehäuse (3) und/oder der Lagerkartusche (2) jeweils verdichterseitig und turbinenseitig angeordneten Mittel (9, 11, 12, 14, 15, 18, 19) zur Ölführung. Eine Ölversorgung der Lagereinheit (1) im Einbauzustand der Lagerkartusche (2) in dem Ladergehäuse (3) erfolgt zumindest teilweise von der Unterseite der Lagerkartusche (2) her. Zur Bereitstellung einer gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Ölversorgung der Lagereinheit, die ein gleichmäßiges Anheben der Lagerkartusche des Abgasturboladers bei Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine und somit steigendem Öldruck bewirkt, sollen die jeweiligen hinsichtlich ihrer Funktion identischen Mittel (9, 11, 12, 14, 15, 18, 19) zur verdichterseitigen und turbinenseitigen Ölführung eine voneinander abweichende geometrische Ausgestaltung und/oder Lage aufweisen, welche jeweils in Bereichen der Lagerkartusche (2), die einem verdichterseitigen Abschnitt (4a) sowie einem turbinenseitigen Abschnitt (4b) der Läuferwelle (4) zugewandt sind, zu einer unterschiedlichen Öldruckverteilung führen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Lagereinheit zur Lagerung einer Läuferwelle eines Abgasturboladers in einer Aufnahmebohrung eines Ladergehäuses, wobei die Lagereinheit aus einer innerhalb des Ladergehäuses angeordneten eine Längsmittelachse aufweisenden Lagerkartusche mit zumindest einem äußeren Lagerring, mit zwei Wälzkörperreihen sowie mit zumindest einem in dem Ladergehäuse und/oder der Lagerkartusche jeweils verdichterseitig und turbinenseitig angeordneten Mittel zur Ölführung besteht und die Ölversorgung der Lagereinheit im Einbauzustand der Lagerkartusche in dem Ladergehäuse zumindest teilweise von der Unterseite der Lagerkartusche her erfolgt.
Stand der Technik
Ein Abgasturbolader dient der Leistungssteigerung von Brennkraftmaschinen durch die Nutzung von Abgasenergie. Der Abgasturbolader besteht hierzu aus einem die Ladeluft verdichtenden Verdichter und einer mit einem Abgasstrom beaufschlagten Turbine, die durch eine innerhalb eines Ladergehäuses gelagerte Welle miteinander verbunden sind. Im Betrieb der Brennkraftmaschine wird die Turbine durch einen Abgasstrom in Rotation versetzt und treibt mittels der Welle den Verdichter an, der Luft ansaugt und verdichtet. Die verdichtete Ladeluft wird in den Motor geleitet, wobei durch den erhöhten Druck während des Ansaugtaktes eine große Menge Luft in die Zylindereinheiten gelangt. Hierdurch steigt der für die Verbrennung von Kraftstoff zur Verfügung gestellte Sauerstoffgehalt entsprechend an.
Dadurch wird eine Steigerung des maximalen Drehmoments erzielt, so dass die Leistungsabgabe, also die maximale Leistung bei konstantem Arbeitsvolumen, erhöht wird. Diese Steigerung erlaubt insbesondere den Einsatz einer leistungsstärkeren Brennkraftmaschine mit annähernd gleichen Abmessungen oder ermöglicht alternativ eine Verringerung von deren Abmessungen, also die Erzielung einer vergleichbaren Leistung bei kleinerer und leichterer Brennkraftmaschine.
Im Betrieb eines Abgasturboladers rotiert, die Welle bei steigender Motordrehzahl mit hoher Drehgeschwindigkeit. Durch die hohe Drehgeschwindigkeit können beispielsweise durch die Rotation der Welle hervorgerufene Schwingungen auf die als Lagerkartusche ausgebildete Lagereinheit übertragen werden. Um hierbei möglichst einen unerwünschten Kontakt der Lagerkartusche mit dem Ladergehäuse zu verhindern und um einen störungsfreien Betrieb des Abgasturboladers gewährleisten zu können, werden üblicherweise Lagereinheiten verwendet, die durch einen sogenannten Quetschölfilm, auch als Squeeze-Film bezeichnet, die auftretenden Schwingungen dämpfen sollen. Hierzu wird Schmieröl aus dem Motorölkreislauf mittels symmetrisch angeordneter Versorgungsbohrungen in Zwischenräume zwischen der Lagerkartusche und der in dem Ladergehäuse ausgebildeten Aufnahmebohrung gedrückt, wobei das in den Zwischenräumen entstehende Ölpolster bzw. der Quetschölfilm die Funktion eines Schwingungsdämpfers übernimmt. Hierdurch können sowohl die eventuell auftretenden kontaktbedingten Geräusche verhindert als auch die Lebensdauer der einzelnen Lagerkomponenten erhöht werden.
Eine gattungsgemäß ausgebildete Lagereinheit für einen Abgasturbolader ist aus der DE 10 2010 054 926 A1 bekannt. Die Lagereinheit weist ein Ladergehäuse mit einer darin angeordneten Aufnahmebohrung sowie eine innerhalb der Aufnahmebohrung angeordnete Lagerkartusche mit zumindest einem äußeren Lagerring auf. Weiterhin weist die Lagereinheit zwei Wälzkörperreihen auf, die jeweils verdichterseitig und turbinenseitig vorgesehen sind. Der zumindest eine äußere Lagerring kann unmittelbar in die Aufnahmebohrung eingesetzt sein, oder es sind zwei äußere Lagerringe vorgesehen, die über einen äußeren Trägerring von der Aufnahmebohrung aufgenommen sind. Zwischen dem Außenumfang der Lagerkartusche und der Aufnahmebohrung des Ladergehäuses sind radiale Zwischenräume für einen Ölfilm ausgebildet, welche der Schwingungsdämpfung und der Zentrierung der Lagerkartusche in dem Ladergehäuse dienen. Zur Ölversorgung der Zwischenräume weist das Ladergehäuse ein paar Versorgungsbohrungen auf, die mit in der Lagerkartusche in Umfangsrichtung umlaufenden Nuten kommunizierend verbunden sind. Die Versorgungsbohrungen wie auch die Zwischenräume sind spiegelsymmetrisch zu einer vertikalen Quermittelebene der Lagerachse angeordnet und ausgebildet.
Durch die Ölversorgung der Lagereinheit im Einbauzustand der Lagerkartusche in der Aufnahmebohrung des Ladergehäuses von der Unterseite her, soll den schwerkraftbedingten Kräften, wie dem Eigengewicht der Lagerkartusche, entgegen gewirkt werden und die Zentrierung der Lagerkartusche in dem Ladergehäuse verbessert werden.
Dabei macht sich der Umstand bemerkbar, dass der Schwerpunkt der von der Lagerkartusche aufgenommenen Welle üblicherweise in Richtung des Turbinenrades verlagert ist. Dies resultiert aus der unterschiedlichen Dichte der für das Verdichterrad und das Turbinenrad verwendeten Materialien. Daher hebt bei steigendem Öldruck das verdichterseitige, in der Regel leichtere Ende des äußeren Lagerrings vor dem des turbinenseitigen Endes ab. Somit liegen die Lagerkartusche einschließlich der Welle verkippt in dem Ladergehäuse, bis der sich in den Zwischenräumen aufbauende Öldruck so hoch ist, dass auch das turbinenseitige Ende angehoben wird. Dies entspricht nicht dem idealen Zustand, da das Verdichterrad und das Turbinenrad in diesem Zustand maximal ausgelenkt sind. Somit unterscheiden sich die Spaltmaße zwischen Verdichterrad und Gehäuse sowie zwischen Turbinenrad und Gehäuse über den Umfang maximal. Dies wirkt sich nachteilig auf den aerodynamischen Wirkungsgrad aber auch auf die Funktion des Quetschölfilms aus. Letzteres wirkt sich auf die Schwingungsentkopplung zwischen Welle und Gehäuse aus. Besonders das Kaltstartverhalten kann dadurch negativ beeinflusst werden.
Offenbarung der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Ölversorgung bereitzustellen, die ein gleichmäßiges Anheben der Lagerkartusche des Abgasturboladers bei Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine und somit steigendem Öldruck bewirkt.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des unabhängigen Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den von diesem abhängigen Patentansprüchen wiedergegeben, welche jeweils für sich genommen oder in verschiedenen Kombinationen miteinander einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
Danach ist eine Lagereinheit zur Lagerung einer Läuferwelle eines Abgasturboladers in einer Aufnahmebohrung eines Ladergehäuses angeordnet, wobei die Lagereinheit aus einer innerhalb der Aufnahmebohrung angeordneten eine Längsmittelachse aufweisenden Lagerkartusche besteht. Diese Lagerkartusche weist zumindest einen äußeren Lagerring auf. Weiterhin umfasst die Lagereinheit jeweils verdichterseitig und turbinenseitig zumindest ein Mittel zur Ölführung, das in dem Ladergehäuse und/oder der Lagerkartusche in diesen beiden Bereichen angeordnet ist. Die Ölversorgung der Lagereinheit erfolgt im Einbauzustand der Lagerkartusche in dem Ladergehäuse zumindest teilweise von der Unterseite.
Erfindungsgemäß weisen die jeweiligen hinsichtlich ihrer Funktion identischen Mittel zur verdichterseitigen und turbinenseitigen Ölführung eine voneinander abweichende geometrische Ausgestaltung und/oder Lage auf, welche auf einem verdichterseitigen Abschnitt und einem turbinenseitigen Abschnitt der Lagerkartusche zu einer unterschiedlichen Öldruckverteilung führt. Als abweichende geometrische Ausgestaltung wird jedwede Änderung eines der beiden paarweise vorgesehenen Mittel zur Ölführung verstanden, welche zu einer Beeinflussung der Öldruckverteilung über den Umfang der Lagerkartusche führt.
Erfindungsgemäß wird die Ausbildung der Öldruckverteilung über den Umfang des äußeren Lagerringes durch die abweichende geometrische Ausgestaltung derart beeinflusst, dass die resultierende Kraft auf den äußeren Lagerring entgegen der Schwerkraft bei gleichem Versorgungsöldruck auf der schwereren Seite höher ausfällt. Dies soll auch den Vorteil haben, dass die aufgrund der Verteilung des Öldruckes auf den Außenring wirkende unterschiedliche Kraft zu einem im Wesentlichen synchronen Anheben der Lagerkartusche an der schwereren turbinenseitigen und an der leichteren verdichterseitigen führt. Dadurch lässt sich ein Verkippen durch das vorzeitige Abheben des verdichterseitigen Endes des äußeren Lagerings vermeiden.
Durch die zumindest teilweise Beaufschlagung der Lagerkartusche von unten wirkt der Versorgungsöldruck von der Unterseite des Ladergehäuses nach oben hin und ist somit schwerkraftbedingten Kräften, wie dem Eigengewicht der Lagerkartusche, entgegen gerichtet. Durch die gezielte Ölversorgung kann somit auf einfache Weise die Dämpfungswirkung des Ölfilms gewährleistet und entsprechend die notwendige Zentrierung der Lagerkartusche innerhalb des Ladergehäuses unterstützt werden. Gegenüber einer klassischen Ölzuführung von oben kann das Abheben bei deutlich niedrigeren Drehzahlen oder bei geeigneter Auslegung und vorhandenem Versorgungsöldruck sogar vor Drehbeginn der Welle erfolgen. Der erfindungsgemäße Effekt besteht darin, dass die Auftriebskraft bei gleichem Öldruck umso größer ist, je größer das Druckgefälle von der zumindest teilweisen untenseitigen Ölversorgung bis zur Oberseite der Lagerkartusche ist.
Bevorzugt können die Mittel verdichterseitig und turbinenseitig asymmetrisch zu einer durch eine Lagermitte verlaufenden senkrechten Querebene ausgebildet sein. Durch die asymmetrische Ausführung kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass die bedingt durch die Öldruckverteilung hervorgerufene Kraftwirkung auf den äußeren Lagerring mit zunehmendem Ölversorgungsdruck auf der schwereren Seite der Lagerkartusche schneller erfolgt. So können beispielsweise die von unten an die Aufnahmebohrung geführten Versorgungsbohrungen mit Ölversorgungsnuten verbunden sein, die wenigstens über einen Teil ihrer Umfangserstreckung verdichter- und turbinenseitig unterschiedliche Querschnitte aufweisen.
Zur Beeinflussung des Versorgungsöldrucks kann vorgesehen sein, dass die Mittel zur Ölführung verdichterseitig und turbinenseitig um einen Winkel in Umfangsrichtung versetzt zueinander anzuordnen sind. Während das turbinenseitig angeordnete Mittel zur Ölführung in einer vertikalen Ebene der Längsmittelachse liegend angeordnet ist, ist das verdichterseitige Mittel zur Ölführung um einen Winkel zu dieser vertikalen Ebene versetzt angeordnet. Somit ist die auf die Lagerkartusche entgegen der Schwerkraft einwirkende Kraftkomponente verdichterseitig geringer als turbinenseitig.
Weiterhin können die Mittel zur Ölführung verdichterseitig und turbinenseitig relativ zur horizontalen Längsmittelebene unterschiedlich positioniert sein. So kann eine Anordnung vorgesehen sein, bei welcher das eine Mittel unterhalb der horizontalen Längsmittelebene der Längsmittelachse angeordnet ist, während das andere Mittel oberhalb dieser angeordnet ist. Die Anordnung des oberhalb der horizontalen Längsmittelebene liegenden Mittels orientiert sich an der Lage des Schwerpunktes der Lagerkartusche. Je weiter sich der Schwerpunkt aus der Lagermitte in Richtung des entsprechenden schwereren Endes der Lagerkartusche verlagert, desto größer muss die erforderliche Auftriebskraft für ein kippfreies Anheben der Lagerkartusche sein. Während das unterhalb der horizontalen Ebene angeordnete Mittel im Wesentlichen senkrecht zu dieser steht, kann das korrespondierende, oberhalb der horizontalen Längsmittelebene angeordnete Mittel in diesem Bereich unter einem Winkel geneigt angeordnet sein. Daher kann auch eine in Umfangsrichtung um 180° zueinander versetzte Anordnung der Mittel vorgesehen sein, in der beide Mittel spiegelsymmetrisch angeordnet sind. Bei dieser Anordnung ist die Wirkrichtung auf der schwereren Seite im Wesentlichen senkrecht von unten nach oben gerichtet, während auf der leichteren Seite die Wirkrichtung ebenfalls im Wesentlichen senkrecht, aber von oben nach unten gerichtet ist.
Bevorzugt können sich die Mittel zur Ölführung verdichterseitig und turbinenseitig hinsichtlich der jeweiligen radialen Ausdehnung, also bezogen auf die Längsmittelachse voneinander unterscheiden. Eine unterschiedliche radiale Ausdehnung der Mittel zur Ölführung führt somit zu einer Querschnittserweiterung bei einem der beiden Mittel, so dass das der Lagerkartusche zuzuführende Öl durch das eine Mittel weniger gedrosselt wird als durch das andere. Auf diese Weise wird eine Reduzierung des Druckgefälles zwischen der verdichterseitigen Unterseite und Oberseite der Lagerkartusche erreicht. Damit geht eine Veränderung der Auftriebskräfte bei gleichem Versorgungsöldruck auf dem verdichterseitigen Abschnitt und dem turbinenseitigen Abschnitt der Lagerkartusche einher.
Vorteilhaft ist es, wenn sich die Mittel zur Ölführung verdichterseitig und turbinenseitig hinsichtlich ihres Durchmessers voneinander unterscheiden. Die Variation des jeweiligen Durchmessers resultiert in einer Querschnittsänderung, durch welche der Versorgungsöldruck des zugeführten Öls verändert wird. Auf diese Weise lässt sich gezielt ein Druckgefälle auf dem verdichterseitigen Abschnitt und dem turbinenseitigen Abschnitt der Lagerkartusche erzeugen, welches ein gleichmäßiges Abheben der Lagerkartusche bei identischem Ölversorgungsdruck ermöglicht. In Abhängigkeit von der Durchmesserdifferenz der Mittel lässt sich das ungleichmäßige Abheben aufgrund der asymmetrischen Position des Schwerpunktes der Lagerkartusche kompensieren.
Dabei können die Mittel zur Ölführung als Ölzuführungsbohrungen ausgeführt sein. Die Ölzuführungsbohrungen sind innerhalb des Ladergehäuses angeordnet und lassen sich bei dessen Herstellung in einfacher Weise mit unterschiedlichen Durchmessern realisieren. Alternativ oder zusätzlich können die auf dem verdichterseitigen Abschnitt und dem turbinenseitigen Abschnitt angeordneten Ölzuführungsbohrungen in Umfangsrichtung versetzt zueinander positioniert sein.
Weiterhin können die Mittel zur Ölführung als Ölversorgungsnuten ausgeführt sein. Die Ölversorgungsnuten sind in dem zumindest einen äußeren Lagerring der Lagerkartusche ausgebildet. Die Variation einer der Ölversorgungsnuten des äußeren Lagerings ist von Vorteil, da die Tiefe der Ölversorgungsnut nur abschnittsweise oder vollumfänglich geändert werden kann. So kann die Ölversorgungsnut auf dem verdichterseitigen Abschnitt über einen Teil des Umfangs des äußeren Lagerrings erweitert sein, wodurch der Querschnitt vergrößert wird, so dass das Druckgefälle über den Umfang und damit die Auftriebskraft reduziert werden.
Des Weiteren können die Mittel zur Ölführung als Spritzölbohrungen ausgeführt sein. Zur Beeinflussung des Auftriebsverhaltens können die auf dem verdichterseitigen Abschnitt und dem turbinenseitigen Abschnitt angeordneten Spritzölbohrungen in Umfangsrichtung versetzt zueinander positioniert sein. Denkbar ist eine um 180° zueinander versetzte Positionierung, wobei die Spritzölbohrung auf dem verdichterseitigen Abschnitt oberhalb der horizontalen Ebene positioniert ist, während die Spritzölbohrung auf dem verdichterseitigen Abschnitt unterhalb der horizontalen Ebene positioniert ist. Denkbar ist auch eine Anordnung zweier Spritzölbohrungen auf dem verdichterseitigen Abschnitt in der horizontalen Ebene der Lagerkartusche. Ebenfalls denkbar ist eine Kombination der unterschiedlichen Positionierungen der Spritzölbohrungen in Verbindung mit der in radialer Richtung erweiterten Ölversorgungsnut auf dem verdichterseitigen Abschnitt.
Bevorzugt können die Mittel zur Ölführung als für die Squeeze-Film-Dämpfung dienende radiale Zwischenräume ausgeführt sein. Diese entsprechenden Abschnitte der Außenmantelfläche des äußeren Lagerringes, die den Zwischenraum nach innen begrenzen, können unterschiedlich konfiguriert sein. Weiterhin können sich die Zwischenräume hinsichtlich ihrer axialen Erstreckung voneinander unterscheiden. Hierdurch kann ein Ölabfluss in axialer Richtung in der Weise verändert werden, dass auf dem turbinenseitigen Abschnitt der Lagerkartusche ein höherer Abfluss auftritt, als auf dem verdichterseitigen Abschnitt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Lagerkartusche zwei Schulterkugellager aufweisen, bei denen der zumindest eine äußere Lagerring eine Schrägschulter aufweist und der zumindest eine Lagerinnenring nach der Art eines Rillenkugellagers ausgebildet ist. Der äußere Lagerring ist vorzugsweise einteilig ausgeführt und unmittelbar in der Aufnahmebohrung angeordnet. Es besteht aber auch die Möglichkeit, zwei äußere Lagerringe in einem Trägerring anzuordnen, der dann in die Aufnahmebohrung eingeführt wird. Dabei weist dieser Trägerring der Lagerkartusche die vorgenannten Mittel zur Ölführung auf und bildet durch entsprechende Ausnehmungen am Umfang die Zwischenräume.
Weiterhin kann das Lager auch als Gleitlager ausgebildet sein. Bei einer Gleitlagerung haben die beiden sich relativ zueinander bewegenden Teile direkten Kontakt und gleiten aufeinander. Der hierbei entstehende Reibwiderstand kann insbesondere durch die Erzeugung eines Schmierfilms überwunden werden. Weiterhin kann durch die Wahl reibungsarmer Materialpaarungen der sich berührenden Teile eine Verringerung des Reibwiderstands erreicht werden. Der Einsatz eines Gleitlagers zur Lagerung einer Welle eines Turboladers eignet sich beispielsweise deswegen, da das durch die Versorgungsbohrungen zugeführte Öl auch zur Schmierung des Gleitlagers genutzt werden kann.
Die Erfindung ist nicht auf die angegebene Kombination der Merkmale des unabhängigen Patenanspruches 1 und den von diesem abhängigen Patentansprüchen beschränkt. Es ergeben sich darüber hinaus weitere Möglichkeiten, einzelne Merkmale, insbesondere dann, wenn sie sich aus den Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele oder unmittelbar aus den Figuren ergeben, miteinander zu kombinieren. Außerdem soll die Bezugnahme der Patentansprüche auf die Figuren durch die Verwendung von Bezugszeichen den Schutzumfang der Patentansprüche auf keinen Fall auf die dargestellten Ausgestaltungsbeispiele beschränken.
Figurenliste
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnungen verwiesen, in denen unterschiedliche Ausführungsbeispiele vereinfacht dargestellt sind. Es zeigen:

1 eine Lagereinheit für einen Turbolader im Längsschnitt;
2 eine Schnittansicht entlang der Linie II - II gemäß 1;
3 eine Schnittansicht entlang der Linie III - III gemäß 1;
4 eine zweite Ausführungsform einer Lagereinheit für einen Abgasturbolader im Längsschnitt;
5 eine Schnittansicht entlang der Linie V - V gemäß 3;
6 eine Schnittansicht entlang der Linie VI - VI gemäß 3;
7 eine Detailansicht VII gemäß 3;
8 eine Detailansicht VIII gemäß 3;
9 eine dritte Ausführungsform einer Lagereinheit für einen Abgasturbolader im Längsschnitt;
10 eine Schnittansicht entlang der Linie X - X gemäß 9;
11 eine Schnittansicht entlang der Linie XI - XI gemäß 9;
12 eine vierte Ausführungsform einer Lagereinheit für einen Abgasturbolader im Längsschnitt;
13 eine fünfte Ausführungsform einer Lagereinheit für einen Abgasturbolader im Längsschnitt;
14 eine sechste Ausführungsform einer Lagereinheit für einen Abgasturbolader im Längsschnitt;
15 eine Schnittansicht entlang der Linie XV - XV gemäß 14;
16 eine Schnittansicht entlang der Linie XVI - XVI gemäß 14;
17 eine siebente Ausführungsform einer Lagereinheit für einen Abgasturbolader im Längsschnitt;
18 eine Detailansicht XVIII gemäß 17;
19 eine Detailansicht einer Lagereinheit einer achten Ausführungsform mit turbinenseitig ein größeres Spaltmaß aufweisenden Quetschölfilmabschnitten;
20 eine Detailansicht einer Lagereinheit einer neunten Ausführungsform mit einem turbinenseitig verkürzten Quetschölfilmabschnitt; und
21 eine Detailansicht einer Lagereinheit einer zehnten Ausführungsform.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
In der 1 ist eine Lagereinheit 1 für einen Turbolader in einem Längsschnitt dargestellt. Die Lagereinheit 1 umfasst eine Lagerkartusche 2, die in einer sich axial erstreckenden Aufnahmebohrung 3a eines Ladergehäuses 3 angeordnet ist. Als Teil der Lagerkartusche 2 ist ein als zweireihiges Schulterkugellager ausgebildetes Wälzlager 5 in dieser positioniert. Das Wälzlager 5 ist mit einem äußeren Lagerring 6 sowie mit einem inneren Lagerring 7 ausgebildet. Der innere Lagerring 7 ist zweiteilig ausgeführt, d.h., dieser besteht aus zwei getrennten Ringabschnitten, und der innere Lagerring 7 ist auf einer Läuferwelle 4 angeordnet.
Die Läuferwelle 4 weist einen verdichterseitigen Abschnitt 4a, auf welchem ein nicht näher dargestelltes Verdichterrad des Abgasturboladers befestigbar ist, und einen turbinenseitigen Abschnitt 4b, auf dem eine ebenfalls nicht dargestellte Turbine des Abgasturboladers fixierbar ist, auf. Als Wälzkörper 8 sind Kugeln zwischen den Lagerringen 6, 7 eingesetzt. Die unterschiedliche Ausgestaltung von Verdichterrad und Turbinenrad und folglich deren unterschiedliches Gewicht führt zu einer Verlagerung eines Schwerpunkts COG der in der Lagereinheit 1 gelagerten Läuferwelle 4 in Richtung des turbinenseitigen Abschnitts 4b.
Zwischen dem Außenumfang des äußeren Lagerrings 6 und dem Ladergehäuse 3 sind Zwischenräume 9 in Form jeweils eines Umfangsspalts mit einem verdichterseitigen Quetschölfilm 10a (Squeeze-Film) und einem turbinenseitigen Quetschölfilm 10b (Squeeze-Film) ausgebildet. Der jeweilige Quetschölfilm 10a, 10b wird im eingebauten Zustand durch zwei Versorgungsbohrungen 11, 12 mit Öl versorgt und dient der Dämpfung der Lagerkartusche 2. Hierzu sind beide Versorgungsbohrungen 11, 12 jeweils mit auf dem Außenumfang des äußeren Lagerrings 6 umlaufenden Ölversorgungsnuten 14, 15 kommunizierend verbunden.
Um eine Zentrierung des äußeren Lagerrings 6 innerhalb des Ladergehäuses 3 und damit eine störungsfreie Funktion des Turboladers zu gewährleisten, sind die Versorgungsbohrungen 11, 12 im Einbauzustand an der Unterseite des Ladergehäuses 3 ausgebildet. Sie sollen somit im Wesentlichen rechtwinklig zur Längsmittelachse 13 der Lagerkartusche 2 verlaufen. Mit dem Bezugszeichen 13b ist eine senkrecht durch die Mitte der Lagerkartusche 2 verlaufende Querebene bezeichnet.
Durch die Beaufschlagung der Zwischenräume 9 von der Unterseite des Ladergehäuses 3 ist der Öldruck der Schwerkraft der Lagerkartusche 2 entgegen gerichtet. Somit lässt sich durch die gezielte Ölversorgung der Zwischenräume 9 und den sich dabei ausbildenden Quetschölfilmen 10a, 10b mittels der aus dem Öldruck resultierenden Kräfte von unten den schwerkraftbedingten Kräften entgegenwirken, so dass der äußere Lagerring 6 und damit das Lager 5 innerhalb der Aufnahmebohrung 3a des Ladergehäuses 3 zentriert ist.
Weiterhin ist der äußere Lagerring 6 an seinem Außenumfang mit einer Ablaufnut 16 versehen, durch die das Öl der Quetschölfilme 10a, 10b ablaufen kann. Die Ablaufnut 16 ist im eingebauten Zustand des Lagers 5 kommunizierend mit einer Auslassbohrung 17 verbunden, deren Durchmesser so dimensioniert ist, dass ein störungsfreier Ölabfluss gewährleistet ist. Auf diese Weise kann ein gleichbleibender Quetschölfilm 10a, 10b gewährleistet werden. Zusätzlich fließt das Öl auch in axialer Richtung außen zwischen dem äußeren Lagerring 6 und der Aufnahmebohrung 3a des Ladergehäuses 3 ab.
Von den auf dem Außenumfang des äußeren Lagerrings 6 umlaufend ausgebildeten Ölversorgungsnuten 14, 15 erstrecken sich Spritzölbohrungen 18, 19 in radialer Richtung durch den äußeren Lagerring 6. Durch diese Spritzölbohrungen 18, 19 wird Öl in das Innere der Wälzlagers 5 geleitet, das die Laufbahnen der Wälzkörper 8 schmiert und die Lagereinheit 1 kühlt.
Die Darstellung in 2 zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie II - II gemäß 1. 3 zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie III - III gemäß 1. Wie aus der Gegenüberstellung der Schnittansichten zu erkennen ist, soll die radiale Ausdehnung der verdichterseitig angeordneten Ölversorgungsnut 14 über einen Teil ihres Umfangs erheblich größer sein als die der turbinenseitig angeordneten Ölversorgungsnut 15. Diese abschnittsweise Vergrößerung der Ölversorgungsnut 14 ist mit 14a bezeichnet. Hierdurch wird der Effekt erzielt, dass der sich verdichterseitig im unteren Bereich des Umfangs des äußeren Lagerrings 6 aufbauende Druck reduziert wird. Damit geht eine Reduzierung der auf der Verdichterseite wirksamen Auftriebskraft einher.
In den 4 bis 8 ist eine Lagereinheit 1 für einen Turbolader einer zweiten Ausführungsform dargestellt. Für identische Bauteile werden die gleichen Bezugszeichen verwendet wie für die Ausführung gemäß den 1 bis 3. Wie aus den Schnittansichten gemäß den 5 und 6 beziehungsweise den Detailansichten VII und VIII gemäß den 7 und 8 ersichtlich ist, soll gemäß dieser Ausführungsform die Querschnittserweiterung der Ölversorgungsnut 14 am äußeren Lagerring 6 ausgebildet sein. Die Tiefe der Ölversorgungsnut 14, die auf dem verdichterseitigen Abschnitt 4a angeordnet ist, wird in dem äußeren Lagerring 6 in Umfangsrichtung zumindest abschnittsweise größer ausgeführt als die der Ölversorgungsnut 15 auf dem turbinenseitigen Abschnitt 4b. Das soll insbesondere durch die 5 bis 8 verdeutlicht werden. Natürlich kann die Ölversorgungsnut 14 auch breiter ausgebildet sein.
In den 9 bis 11 ist eine Lagereinheit 1 für einen Abgasturbolader einer dritten Ausführungsform dargestellt. Für identische Bauteile werden dieselben vorgenannten Bezugszeichen verwendet. Gemäß der dritten Ausführungsform ist vorgesehen, zur Beeinflussung der in Umfangsrichtung wirksamen Auftriebskräfte die Lage der auf dem verdichterseitigen Abschnitt 4a und dem turbinenseitigen Abschnitt 4b im Ladergehäuse 3 angeordneten Versorgungsbohrungen 11, 12 zu variieren. Der jeweilige Bereich, in dem die Versorgungsbohrungen 11, 12 in dem Ladergehäuse 3 vorgesehen sind, lässt sich nach der Art eines Zifferblattes einer Uhr, das auf die Querschnittsfläche der Lagerkartusche 2 projiziert ist, veranschaulichen.
Um eine Auftriebskraft aufgrund des Öldrucks auf den Umfang des äußeren Lagerrings 6 auszuüben, ist eine Anordnung der Versorgungsbohrungen 11, 12 innerhalb eines Bereiches zwischen 3 Uhr und 9 Uhr vorgesehen. Die demgegenüber senkrechte Positionierung, das heißt auf 6 Uhr, der auf dem turbinenseitigen Abschnitt 4b angeordneten Versorgungsbohrung 12 führt zu einer maximalen Auftriebskraft in Umfangsrichtung des äußeren Lagerrings 6. Hingegen kann die auf dem verdichterseitigen Abschnitt 4a angeordnete Versorgungsbohrung 11 im Bereich zwischen 3 Uhr und kleiner 6 Uhr bzw. größer 6 Uhr und 9 Uhr positioniert sein, was zu einer entsprechenden Reduzierung der Auftriebskraft in Umfangsrichtung führt.
Eine Positionierung der auf dem verdichterseitigen Abschnitt 4a angeordneten Versorgungsbohrung 11 beispielsweise auf 8 Uhr führt dazu, dass die resultierende Auftriebskraft eine vertikale und eine horizontale Kraftkomponenten aufweist, von denen nur die vertikale Kraftkomponente entgegen der Schwerkraft wirkt. Die horizontale Kraftkomponente kann ausgeglichen werden, indem eine zweite Versorgungsbohrung spiegelsymmetrisch zu einer durch die vertikale Längsmittelebene 13a vorgesehen wird. Ebenso kann die verdichterseitige Spritzölbohrung 18 genutzt werden, um die horizontale Kraftkomponente auszugleichen. Die auf dem verdichterseitigen Abschnitt 4a angeordnete Spritzölbohrung 18 kann hierzu in Umfangsrichtung versetzt positioniert werden, um den Abstand zu der Versorgungsbohrung 11 zu reduzieren.
Die Darstellung in 12 zeigt eine vierte Ausführungsform einer Lagereinheit 1 für einen Abgasturbolader im Längsschnitt. Diese Ausführungsform berücksichtigt eine stärkere Verlagerung des Schwerpunkts COG in Richtung des turbinenseitigen Abschnitts 4b. Bei dieser Ausführungsform liegt der Schwerpunkt COG rechts einer Wirklinie W des turbinenseitigen Quetschölfilms 10b. Das hat zur Folge, dass für ein kippfreies Anheben der Lagerkartusche 2 durch die in Umfangsrichtung wirkenden Auftriebskräfte entgegen der Schwerkraft, die öldruckverteilungsbedingte Wirkrichtung des turbinenseitigen Quetschölfilms 10b wie bei den vorangehend beschriebenen Ausführungsformen auch von unten nach oben ausgerichtet sein muss.
Hierzu ist die dem turbinenseitigen Abschnitt 4b benachbarte Versorgungsbohrung 12 entsprechend bei 6 Uhr positioniert. Das heißt, der Öldruck ist entgegen der Wirkrichtung der Schwerkraft gerichtet. Die öldruckverteilungsbedingte Wirkrichtung des auf dem verdichterseitigen Abschnitt 4a angeordneten Quetschölfilms 10a ist jedoch von oben nach unten gerichtet. Demzufolge muss das Öl von der verdichterseitigen Versorgungsbohrung 11 in der oberen Hälfte der Lagerkartusche 2, das heißt zwischen 9 Uhr und 3 Uhr, zugeführt werden. Die Darstellung in 12 zeigt eine Positionierung der Versorgungsbohrung 11 bei 12 Uhr.
In 13 ist eine Lagereinheit 1 für einen Abgasturbolader einer fünften Ausführungsform dargestellt. Für identische Bauteile werden dieselben Bezugszeichen verwendet, wie vorgenannt. Gemäß der fünften Ausführungsform ist vorgesehen, zur Beeinflussung der in Umfangsrichtung wirksamen Auftriebskräfte die Anordnung bzw. Lage der verdichterseitigen und turbinenseitigen Spritzölbohrungen 18 und 19 zu variieren. Gemäß dieser Ausführungsform wird die auf dem verdichterseitigen Abschnitt 4a angeordnete Spritzölbohrung 18 um 180° in Umfangsrichtung versetzt in dem äußeren Lagerring 6 angeordnet. Diese Spritzölbohrung 18 ist mit der verdichterseitigen Versorgungsbohrung 11 verbunden.
Das hat zur Folge, dass auf dem verdichterseitigen Abschnitt 4a bereits im unteren Bereich der Ölversorgungsnut 14 der Öldruck durch die Spritzölbohrung 18 reduziert wird. Daher fallen der Gesamtöldruckgradient und damit die Auftriebskraft auf dem verdichterseitigen Abschnitt 4a geringer aus. Um den Einfluss der verdichterseitig angeordneten Spritzölbohrung 18 zu eliminieren, kann man diese auch vollständig entfallen lassen. Jedoch muss dann die Kühlung und Schmierung der Lager 5 der Lagereinheit 1 auf eine andere Art sichergestellt werden.
In den 14 bis 16 ist eine Lagereinheit 1 für einen Abgasturbolader einer sechsten Ausführungsform dargestellt. Hierbei handelt es sich um eine Weiterbildung der ersten Ausführungsform der Lagereinheit 1, bei welcher die radiale Ausdehnung der verdichterseitig angeordneten Ölversorgungsnut 14 über einen Teil des Umfangs des Ladergehäuses 3 erheblich größer als die der turbinenseitig angeordneten Ölversorgungsnut 15 ausgeführt ist, wie die entsprechende Vergrößerung 14a erkennen lässt. Im Unterschied zu der ersten Ausführungsform gemäß 1, wonach die Anordnung der Spritzölbohrungen 18 und 19 oberhalb einer zur Längsmittelachse 13 verlaufenden horizontalen Ebene vorgesehen ist, soll die auf dem verdichterseitigen Abschnitt 4a benachbarte Spritzölbohrungen 18 im Bereich der erweiterten Ölversorgungsnut 14 angeordnet sein, während die dem turbinenseitigen Abschnitt 4b benachbarte Spritzölbohrung 19 oberhalb der horizontalen Ebene liegend angeordnet ist. Eine besonders bevorzugte Weiterbildung sieht vor, dass, wie in 16 dargestellt, turbinenseitig zwei Spritzölbohrungen 19 in einer horizontalen Längsebene 13c liegend angeordnet sind.
In den 17 und 18 ist eine siebte Ausführungsform einer Lagereinheit 1 für einen Abgasturbolader im Längsschnitt dargestellt. Der siebten Ausführungsform liegt die Überlegung zugrunde, an der dem turbinenseitigen Abschnitt 4b der Läuferwelle benachbarten Seite der Lagerkartusche 2 den axialen Ölabfluss aus dem turbinenseitigen Quetschölfilm 10b zu erhöhen. Hierdurch stellt sich ein höherer Öldruckgradient ein, was zu einer höheren Auftriebskraft führt.
Auf dem verdichterseitigen Abschnitt 4a und dem turbinenseitigen Abschnitt 4b bilden sich die Quetschölfilme 10a und 10b zwischen jeweils einem ersten Quetschölfilmabschnitt 20a bzw. 20b und einem zweiten Quetschölfilmabschnitt 21a bzw. 21b des äußeren Lagerringes 6 aus. Zwischen dem jeweiligen ersten Quetschölfilmabschnitt 20a bzw. 20b und dem zweiten Quetschölfilmabschnitt 21a bzw. 21b sind jeweils die umlaufenden Ölversorgungsnuten 14 bzw. 15 angeordnet. Wie in 18 dargestellt, weist der auf dem turbinenseitigen Abschnitt 4b angeordnete zweite Quetschölfilmabschnitt 20b ein größeres Spaltmaß zwischen dem äußeren Lagerring 6 und dem Ladergehäuse 3 auf, als der auf dem verdichterseitigen Abschnitt 4a angeordnete zweite Quetschölfilmabschnitt 20a. Dadurch lässt sich der Drosseleffekt des turbinenseitigen Quetschölfilms 10b im zweiten Quetschölfilmabschnitt 20b reduzieren. Die Darstellung in 18 zeigt, dass das Spaltmaß des zweiten Quetschölfilmabschnitts 20b über seine gesamte Länge erweitert ist. Denkbar ist auch eine nur abschnittsweise Erhöhung des Spaltmaßes des zweiten Quetschölfilmabschnitts 20b.
19 zeigt eine Detailansicht einer Lagereinheit mit turbinenseitig ein größeres Spaltmaß aufweisenden Quetschölfilmabschnitten. Bei dieser Variante ist das Spaltmaß auf dem turbinenseitigen Abschnitt 4b des ersten und des zweiten Quetschölfilmabschnitts 20b und 21b gegenüber dem Spaltmaß der auf dem verdichterseitigen Abschnitt 4a angeordneten ersten und zweiten Quetschölfilmabschnitte 20a und 21a vergrößert. Auf dem turbinenseitigen Abschnitt 4b wird der axiale Ölabfluss aus der Ölversorgungsnut 15 durch den Quetschölfilm 10b erhöht. Dieser erhöhte Abfluss hat einen höheren Öldruckgradienten und damit einen höheren Auftrieb zur Folge.
Die 20 und 21 zeigen eine Detailansicht einer Lagereinheit mit turbinenseitig unterschiedliche Längen aufweisenden Quetschölfilmabschnitten 20b, 21b und eine Detailansicht einer Lagereinheit mit turbinenseitig unterschiedliche Längen aufweisenden Quetschölfilmabschnitten 20b, 21b, welche durch im Ladergehäuse 3 vorgesehene Ausnehmungen 22 oder 23 verändert werden. Bei der in 20 dargestellten Variante wird die Länge, d.h. die Ausdehnung in axialer Richtung der Lagereinheit 1, der auf dem turbinenseitigen Abschnitt 4b angeordneten ersten und zweiten Quetschölfilmabschnitte 20b und 21b gegenüber den auf dem verdichterseitigen Abschnitt 4 angeordneten ersten und zweiten Quetschölfilmabschnitten 20a und 21a verringert.
Hierzu wird, wie in 20 dargestellt ist, die Länge der dem turbinenseitigen Abschnitt 4b benachbarten ersten und zweiten Quetschölfilmabschnitte 20b und 21b auf der Mantelfläche des äußeren Lagerrings 6 durch entsprechende Ausnehmungen 23 reduziert. Denkbar ist dabei auch nur das Vorsehen einer Ausnehmung 23 in der Mantelfläche des äußeren Lagerrings 6.
Alternativ wird, wie in 21 dargestellt ist, die Länge des jeweiligen dem turbinenseitigen Abschnitt 4b benachbart angeordneten ersten und zweiten Quetschölfilmabschnitts 20b und 21b an der Innenmantelfläche der Aufnahmebohrung 3a des Ladergehäuses 3 durch entsprechende Ausnehmungen 23 reduziert. Auch hier ist es denkbar, nur eine Ausnehmung 23 auf der Innenmantelfläche des Ladergehäuses 3 vorzusehen.
Bezugszeichenliste

1: Lagereinheit
2: Lagerkartusche
3: Ladergehäuse
3a: Aufnahmebohrung von 3
4: Läuferwelle
4a: verdichterseitiger Abschnitt von 4
4b: turbinenseitiger Abschnitt von 4
5: Wälzlager
6: äußerer Lagerring
7: innerer Lagerring
8: Wälzkörper
9: Zwischenraum
10a: verdichterseitiger Quetschölfilm
10b: turbinenseitiger Quetschölfilm
11: Versorgungsbohrung
12: Versorgungsbohrung
13: Längsmittelachse von 2
13a: vertikale Längsmittelebene von 2
13b: Querebene durch die Mitte von 2
13c: horizontale Längsmittelebene von 2
14: Ölversorgungsnut
15: Ölversorgungsnut
16: Ablaufnut
17: Auslassbohrung
18: Spritzölbohrung
19: Spritzölbohrung
20a: Quetschölfilmabschnitt
20b: Quetschölfilmabschnitt
21a: Quetschölfilmabschnitt
21b: Quetschölfilmabschnitt
22: Ausnehmung
23: Ausnehmung
COG: Schwerpunkt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010054926 A1 [0005]

Claims

Lagereinheit (1) zur Lagerung einer Läuferwelle eines Abgasturboladers in einer Aufnahmebohrung (3a) eines Ladergehäuses (3), wobei die Lagereinheit (1) aus einer innerhalb der Aufnahmebohrung (3a) angeordneten eine Längsmittelachse (13) aufweisenden Lagerkartusche (2) mit zumindest einem äußeren Lagerring (6), mit zwei Wälzkörperreihen sowie mit zumindest einem in dem Ladergehäuse (3) und/oder der Lagerkartusche (2) jeweils verdichterseitig und turbinenseitig angeordneten Mittel (9, 11, 12, 14, 15, 18, 19) zur Ölführung besteht und die Ölversorgung der Lagereinheit (1) im Einbauzustand der Lagerkartusche (2) in dem Ladergehäuse (3) zumindest teilweise von der Unterseite der Lagerkartusche (2) her erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen hinsichtlich ihrer Funktion identischen Mittel (9, 11, 12, 14, 15, 18, 19) zur verdichterseitigen und turbinenseitigen Ölführung eine voneinander abweichende geometrische Ausgestaltung und/oder Lage aufweisen, welche jeweils in Bereichen der Lagerkartusche (2), die einem verdichterseitigen Abschnitt (4a) sowie einem turbinenseitigen Abschnitt (4b) der Läuferwelle (4) zugewandt sind, zu einer unterschiedlichen Öldruckverteilung führen.
Lagereinheit (1) nach Anspruch (1), dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Mittel (9, 11, 12, 14, 15, 18, 19) verdichterseitig und turbinenseitig asymmetrisch zu einer durch eine Lagermitte verlaufenden senkrechten Querebene (13a) ausgebildet ist.
Lagereinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Mittel (9, 11, 12, 14, 15, 18, 19) zur Ölführung verdichterseitig und turbinenseitig unterschiedliche Positionen zu einer vertikalen Quermittelebene der Lagerkartusche (2) einnimmt.
Lagereinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Mittel (9, 11, 12, 14, 15, 18, 19) zur Ölführung verdichterseitig und turbinenseitig unterschiedliche Positionen zu einer horizontalen Längsmittelebene der Lagerkartusche (2) einnimmt.
Lagereinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich Mittel (9, 11, 12, 14, 15, 18, 19) zur Ölführung verdichterseitig und turbinenseitig hinsichtlich ihrer radialen Ausdehnung bezogen auf die Längsmittelachse (13) voneinander unterscheiden.
Lagereinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (9, 11, 12, 14, 15, 18, 19) zur Ölführung sich verdichterseitig und turbinenseitig hinsichtlich ihres Durchmessers unterscheiden.
Lagereinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die verdichterseitig und turbinenseitig vorgesehenen Mittel zur Ölführung als Ölzuführungsbohrungen (11, 12) ausgeführt sind.
Lagereinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die verdichterseitig und turbinenseitig vorgesehenen Mittel zur Ölführung als Ölversorgungsnuten (14, 15) ausgeführt sind.
Lagereinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die verdichterseitig und turbinenseitig vorgesehenen Mittel zur Ölführung als Spritzölbohrungen (18, 19) ausgeführt sind.
Lagereinheit () nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Ölführung als zur Squeeze-Film-Dämpfung dienende Zwischenräume (9, 10a, 10b, 20a, 21a, 20b, 21b) ausgeführt sind.