DE102017123043A1

DE102017123043A1 - Schmiermittelversorgung

Info

Publication number: DE102017123043A1
Application number: DE102017123043.2A
Authority: DE
Inventors: Heiko Schmidt
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2017-10-05
Filing date: 2017-10-05
Publication date: 2019-04-11

Abstract

Eine Schmiermittelversorgung (20) für eine Lagereinheit (1) einer Läuferwelle (4) eines Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine (21), bestehend aus einem sich axial erstreckenden Lagergehäuse (3) sowie einer innerhalb des Lagergehäuses (3) in einer Aufnahmebohrung (3a) derart angeordneten Lagerkartusche (2), dass zwischen der Lagerkartusche (2) und der Aufnahmebohrung (3a) ein Zwischenraum (9) vorgesehen ist, in dem ein Quetschölfilm (10a, 10b) ausgebildet ist, wobei die Lagerkartusche (2) zumindest einem äußeren Lagerring (6) mit zwei Wälzkörperreihen (8) aufweist, sowie bestehend aus zumindest einer in dem Lagergehäuse (3) und/oder in der Lagerkartusche (2) jeweils verdichterseitig und turbinenseitig angeordneten Schmiermittelversorgungsbohrung (9, 11, 12, 14, 15, 18, 19), wobei die Schmiermittelversorgungbohrungen (9, 11, 12, 14, 15, 18, 19) mit dem Schmiermittelkreislauf (22) der Brennkraftmaschine (21) verbunden sind. Um eine Reduktion der Planschverluste und eine Optimierung der quasi-statischen/hydraulischen Zentrierfunktion der Lagerkartusche in der Aufnahmebohrung und damit eine Reduzierung der Geräuschemission zu erreichen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Schmiermittelversorgung (20) aus mindestens einer Schmiermittelzufuhrleitung (27, 27', 29, 29', 29", 30, 30') zu den Schmiermittelversorgungbohrungen (9, 11, 12, 14, 15, 18, 19) besteht, in der ein Druckbegrenzungsventil (31, 31', 31") angeordnet ist, das den Druck in den Schmiermittelversorgungsbohrungen (9, 11, 12, 14, 15, 18, 19) begrenzt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Schmiermittelversorgung für eine Lagereinheit einer Läuferwelle eines Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine, bestehend aus einem sich axial erstreckenden Lagergehäuse sowie einer innerhalb des Lagergehäuses in einer Aufnahmebohrung derart angeordneten Lagerkartusche, dass zwischen der Lagerkartusche und der Aufnahmebohrung ein Zwischenraum vorgesehen ist, in dem ein Quetschölfilm ausgebildet ist, wobei die Lagerkartusche zumindest einem äußeren Lagerring mit zwei Wälzkörperreihen aufweist, sowie bestehend aus zumindest einer in dem Lagergehäuse und/oder in der Lagerkartusche jeweils verdichterseitig und turbinenseitig angeordneten Schmiermittelversorgungsbohrung, wobei die Schmiermittelversorgungbohrungen mit dem Schmiermittelkreislauf der Brennkraftmaschine verbunden sind.
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 Läuferwelle bei steigender Motordrehzahl mit hoher Drehgeschwindigkeit. Durch die hohe Drehgeschwindigkeit können beispielsweise durch die Rotation der Läuferwelle hervorgerufene Schwingungen auf die als Lagerkartusche ausgebildete Lagereinheit übertragen werden. Um hierbei möglichst einen unerwünschten Kontakt der Lagerkartusche mit dem Lagergehäuse 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 als Schmiermittel Schmieröl aus dem Schmiermittelkreislauf der Brennkraftmaschine mittels symmetrisch angeordneter Versorgungsbohrungen in Zwischenräume zwischen der Lagerkartusche und der in dem Lagergehäuse 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 einer Brennkraftmaschine ist aus der DE 10 2010 054 926 A1 bekannt. Die Lagereinheit weist ein Lagergehäuse 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 Lagergehäuses sind radiale Zwischenräume für einen Ölfilm ausgebildet, welche der Schwingungsdämpfung und der Zentrierung der Lagerkartusche in dem Lagergehäuse dienen. Zur Ölversorgung der Zwischenräume weist das Lagergehäuse 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 Lagergehäuse, 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 Schmiermittelversorgung bereitzustellen, die die eingangs beschriebenen Nachteile vermeidet.
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 geht die Erfindung von einer Schmiermittelversorgung für eine Lagereinheit einer Läuferwelle eines Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine aus, bestehend aus einem sich axial erstreckenden Lagergehäuse sowie einer innerhalb des Lagergehäuses in einer Aufnahmebohrung angeordneten Lagerkartusche. Zwischen dieser Lagerkartusche und der Aufnahmebohrung ist ein Zwischenraum vorgesehen, in dem sich ein Quetschölfilm ausbilden kann. Die Lagerkartusche weist zumindest einen äußeren Lagerring mit zwei Wälzkörperreihen auf. Weiterhin umfasst die Lagereinheit jeweils verdichterseitig und turbinenseitig zumindest eine Schmiermittelversorgungsbohrung, die in dem Lagergehäuse und/oder in der Lagerkartusche in diesen beiden Bereichen angeordnet sind. Die Schmiermittelversorgung der Lagereinheit zweigt von dem Schmiermittelkreislauf der Brennkraftmaschine ab.
Erfindungsgemäß besteht die Schmiermittelversorgung aus mindestens einer Schmiermittelzufuhrleitung, in der ein Druckbegrenzungsventil angeordnet ist, das den Druck in den Schmiermittelbohrungen begrenzt. Als Schmiermittel dient üblicherweise das Schmieröl der Brennkraftmaschine, wobei in diesem Fall die Schmiermittelzufuhrleitung von einer Schmiermitteldruckleitung der Brennkraftmaschine abzweigt. Der Einfachheit halber wird im Folgenden immer von einen Schmieröl gesprochen, gleichgültig ob der Schmiermittelversorgung aus dem Schmiermittelkreislauf der Brennkraftmaschine oder aus einem anderen Schmiermittelkreislauf im Bereich der Brennkraftmaschine erfolgt.
Unter dem Begriff „Schmiermittelversorgungsbohrung“ werden Mittel zur Schmierölführung wie Bohrungen, Nuten, Kanäle, Leitungen oder ähnliches verstanden, die zur Führung eines Schmiermittels, üblicherweise eines Schmieröls, im Lagergehäuse und/oder in der Lagerkartusche dienen.
Kerngedanke der Erfindung ist es, den an der Lagerkartusche anliegenden Schmieröldruck zu begrenzen. Dadurch lassen sich erstaunlicherweise mehrere Vorteile erzielen. Da der Schmieröldruck in der Schmiermittelversorgungsbohrung und der Quetschölfilm in Umlaufrichtung um die Lagerkartusche mit zunehmenden Abstand von der Schmiermittelzufuhrleitung sinkt, hat dies bei einer Ölzuführung von oben in Einbaulage des Abgasturboladers zu Folge, dass zusätzlich zur Schwerkraft eine aus der Öldruckverteilung resultierende Kraft in Schwerkraftrichtung auf den äußeren Lagerring wirkt. Dies wirkt der dynamischen Zentrierung der Lagerkartusche in ihrer Aufnahmebohrung entgegen. Durch die erfindungsgemäße Begrenzung des Schmieröldruckes kann dieser Effekt deutlich abgeschwächt werden. Dies hat zum Vorteil, dass er sich positiv auf das Übertragungsverhalten von der Läuferwelle des Abgasturboladers zur Gehäuseoberfläche hin auswirkt und damit die Geräuschemission verringert wird.
Weiterhin muss durch die Begrenzung des Schmieröldruckes weniger Schmieröl durch die Wälzkörpersätze der Wälzlager verdrängt werden, sodass die Planschverluste zurückgehen und die Reibung und der damit einhergehende Wärmeeintrag sinken. Dadurch steigt der Wirkungsgrad der Lagerung.
Die Auslassleitung des Druckbegrenzungsventils kann direkt in den Schmierölsumpf der Brennkraftmaschine geleitet werden. Eine Weiterbildung der Erfindung sieht jedoch vor, den Schmierölauslass zuerst zu einem Abschnitt der Läuferwelle des Abgasturboladers zu führen und von dort zu dem Schmierölsumpf. Als bevorzugter Ort der Läuferwelle bietet sich der Wellenabschnitt zwischen der Lagereinheit und dem turbinenseitigen Dichtbereich an. Dies wirkt sich insbesondere dann vorteilhaft aus, wenn die Brennkraftmaschine mit hoher Last und hohen Drehzahlen betrieben wird, da dann hohe Abgastemperaturen vorherrschen und ein hoher Abgasdurchsatz durch die Abgasturbine anfällt, wodurch die Turbine und damit auch die Läuferwelle besonders heiß werden. Da in diesen Betriebsbereichen der Schmieröldruck der Brennkraftmaschine besonders hoch ist und hierbei das erfindungsgemäß vorgesehene Druckbegrenzungsventil anspricht, wird das am Druckbegrenzungsventil abströmende Schmieröl zumindest zu einem Teil zu diesem Wellenabschnitt geführt und kann ihn dort kühlen. Damit kann ein Großteil der Wärmemenge abgeführt werden bevor sie über die Läuferwelle die Wälzlager erreicht. Damit wird die Kühlung der Lager sogar wesentlich verbessert gegenüber einer lagerinternen Kühlung.
Vorteilhaft ist es, den Volumenstrom für das Schmieröl für den Abgasturbolader nach dem Abzweig aus der Schmiermittelversorgung für die Brennkraftmaschine über ein druck-/volumenstromreduzieren des Ventil, beispielsweise eine Blende oder alternativ eine Drossel, zu führen.
Um unterschiedlich wirkende hydraulische Kräfte auf der Turbinen-und Verdichterseite des Abgasturboladers zu reduzieren, wenn eine Schmiermittelzuführung in Einbaulage des Abgasturboladers von unten gewünscht wird, besteht nach einer Weiterbildung der Erfindung die Möglichkeit, die Schmierölzufuhrleitung zu der Lagereinheit in zwei Teilleitungen aufzuteilen. Dann ist es sinnvoll, in jeder Teilleitung ein Druckbegrenzungsventil einzubauen, die auf unterschiedliche Druckwerte eingestellt sind. Dies ist besonders dann sinnvoll, wenn die Läuferwelle aufgrund der asymmetrischen Auslegung der Lade- und Verdichterseite des Abgasturboladers keinen mittigen Schwerpunkt aufweist. So können den unterschiedlichen Kräften auf der Turbinen- und Verdichterseite des Abgasturboladers durch unterschiedlich hohe Schmieröldrücke in den beiden Teilleitungen entgegengewirkt werden. Damit kann eine Momentenfreiheit der Lagerkartusche erzielt werden, d.h. das aus den wirkenden Kräften resultierende Moment um den außermittigen Schwerpunkt der Läuferwelle ist gleich null.
Durch die zumindest teilweise Beaufschlagung der Lagerkartusche von unten wirkt der Versorgungsöldruck von der Unterseite des Lagergehäuses nach oben hin und ist somit schwerkraftbedingten Kräften, wie dem Eigengewicht der Lagerkartusche, entgegen gerichtet. Durch die gezielte Ölversorgung innerhalb der Aufnahmebohrung kann somit auf einfache Weise die Dämpfungswirkung des Ölfilms weiter gesteigert und entsprechend die notwendige Zentrierung der Lagerkartusche innerhalb des Lagergehäuses unterstützt werden.
Für die Wirkung der Erfindung ist es also gleichgültig, ob die Schmiermittelzufuhr zu der Aufnahmebohrung in Einbaulage des Abgasturboladers von oben oder von unten erfolgt.
Durch die nachfolgend beschriebenen zusätzlichen Maßnahmen in der Geometrie und/oder der Lage der Schmiermittelversorgungsbohrungen kann verhindert werden, dass der Quetschölfilm unterschiedlich schnell ansteigt. Dann steigen die resultierenden Kräfte linear an, so dass das Moment bei jedem Öldruck in den Schmiermittelversorgungsbohrungen gleich null ist und damit wirkt nur eine Kraft gegen die Schwerkraft. Dann wird im Idealfall das Druckbegrenzungsventil so eingestellt, dass der äußere Lagerring mit der Läuferwelle gerade angehoben wird. So hat die dynamische Zentrierfunktion den geringsten Widerstand. Ein weiterer Druckanstieg in den Schmiermittelversorgungsbohrungen würde sonst die Lagerkartusche nach oben drücken.
Um nur eine Kraft gegen die Schwerkraft zu erreichen, können beispielsweise nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Schmiermittelversorgungsbohrungen im oder am äußeren Lagerring 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 bis zum Ansprechen des Druckbegrenzungsventils 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.
Weiterhin kann zur Beeinflussung des Versorgungsöldrucks in der Aufnahmebohrung vorgesehen sein, dass die Schmiermittelversorgungsbohrungen verdichterseitig und turbinenseitig um einen Winkel in Umfangsrichtung versetzt zueinander anzuordnen sind. Während die turbinenseitig angeordnete Schmiermittelversorgungsbohrung in einer vertikalen Ebene der Längsmittelachse liegend angeordnet ist, ist die verdichterseitige vorhandene Schmiermittelversorgungsbohrung um einen Winkel zu dieser vertikalen Ebene versetzt angeordnet. Somit ist die auf die Lagerkartusche entgegen der Schwerkraft einwirkende Kraftkomponente verdichterseitig geringer als turbinenseitig.
Eine andere Maßnahme kann darin bestehen, die Schmiermittelversorgungsbohrungen im äußeren Lagerring verdichterseitig und turbinenseitig relativ zur horizontalen Längsmittelebene unterschiedlich zu positionieren. So kann eine Anordnung vorgesehen sein, bei welcher die eine Schmiermittelversorgungsbohrung unterhalb der horizontalen Längsmittelebene der Längsmittelachse angeordnet ist, während die andere Schmiermittelversorgungsbohrung oberhalb dieser angeordnet ist. Die Anordnung der oberhalb der horizontalen Längsmittelebene liegenden Schmiermittelversorgungsbohrung 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 die unterhalb der horizontalen Ebene angeordnete Schmiermittelversorgungsbohrung im Wesentlichen senkrecht zu dieser steht, kann die korrespondierende, oberhalb der horizontalen Längsmittelebene angeordnete Schmiermittelversorgungsbohrung in diesem Bereich unter einem Winkel geneigt angeordnet sein. Daher kann auch eine in Umfangsrichtung um 180° zueinander versetzte Anordnung der Schmiermittelversorgungsbohrungen vorgesehen sein, in der beide Schmiermittelversorgungsbohrungen 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 Schmiermittelversorgungsbohrungen verdichterseitig und turbinenseitig hinsichtlich der jeweiligen radialen Ausdehnung, also bezogen auf die Längsmittelachse voneinander unterscheiden. Eine unterschiedliche radiale Ausdehnung der Schmiermittelversorgungsbohrungen führt somit zu einer Querschnittserweiterung bei einer der beiden Schmiermittelversorgungsbohrung, so dass das der Lagerkartusche zuzuführende Öl durch die eine Schmiermittelversorgungsbohrung weniger gedrosselt wird als durch die 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 auch, wenn sich die Schmiermittelversorgungsbohrungen 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 Schmiermittelversorgungsbohrungen lässt sich das ungleichmäßige Abheben aufgrund der asymmetrischen Position des Schwerpunktes der Lagerkartusche kompensieren.
Dabei können die Schmiermittelversorgungsbohrungen als Ölzuführungsbohrungen ausgeführt sein. Die Ölzuführungsbohrungen sind innerhalb des Lagergehäuses 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 Schmiermittelversorgungsbohrungen 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 Schmiermittelversorgungsbohrungen 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 Schmiermittelversorgungsbohrungen 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 ein 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 Schmiermittelversorgungsbohrungen 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 Abgasturbolader im Längsschnitt mit einer ersten Ausgestaltung einer Schmiermittelzufuhr von oben;
2 eine Lagereinheit für einen Abgasturbolader im Längsschnitt mit einer zweiten Ausgestaltung einer Schmiermittelzufuhr von unten;
3 eine Lagereinheit für einen Abgasturbolader im Längsschnitt mit einer dritten Ausgestaltung einer Schmiermittelzufuhr von unten.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
In der 1 ist eine Lagereinheit 1 für einen Abgasturbolader in einem Längsschnitt dargestellt. Die Lagereinheit 1 umfasst eine Lagerkartusche 2, die in einer sich axial erstreckenden Aufnahmebohrung 3a eines Lagergehäuses 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. Zwischen der Lagerkartusche 2 und dem turbinenseitigen Abschnitt 4a weist die Läuferwelle 4 eine umlaufende Schulter 4c auf, die von einer Kammer 4d im Lagergehäuse 3 mit Abstand umschlossen wird.
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 Lagergehäuse 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 Schmieröl versorgt und dient der Dämpfung der Lagerkartusche 2 in ihrer Aufnahmebohrung 3a. Hierzu sind beide Versorgungsbohrungen 11, 12 jeweils mit auf dem Außenumfang des äußeren Lagerrings 6 umlaufenden Ölversorgungsnuten 14, 15 kommunizierend verbunden. Die Schmierölversorgungsbohrungen 11, 12 sollen 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, während mit dem Bezugszeichen 13a eine vertikale Längsmittelebene der Lagerkartusche 2 bezeichnet wird..
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 Lagergehäuses 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.
Angeschlossen sind diese beiden Versorgungsbohrungen 11, 12 über eine Schmiermittelversorgung 20 an einen Schmierölkreislauf 22 einer mit dem Abgasturbolader ausgerüsteten Brennkraftmaschine 21.
Der schematisiert dargestellte Schmierölkreislauf 22 besteht aus einem Schmierölsumpf 23, aus dem eine Schmierölpumpe 24 mit einem Schmierölfilter 25 das Schmieröl (Volumenstrom V_G ) einerseits zu der Brennkraftmaschine 21 und andererseits über einen Abzweig 26 (Volumenstrom V_T ) in die Schmierölversorgung 20 pumpt.
Die Schmierölversorgung 20 besteht aus einer ersten Teilleitung 27, in der eine Blende 28 eingebaut ist. Anstelle der Blende 28 kann auch eine Drossel vorgesehen sein. Nach der Blende 28 verzweigt sich die Teilleitung 27 auf eine zweite Teilleitung 29 (Volumenstrom V_L ) und eine dritte Teilleitung 30. Die zweite Teilleitung 29 ist über zwei Abschnitte mit den Versorgungsbohrungen 11, 12 verbunden. In der dritten Teilleitung 30 ist ein Druckbegrenzungsventil 31 eingebaut. Ein Auslass des Druckbegrenzungsventils 31 (Volumenstrom V_K ) ist über eine Auslassleitung 32 mit der Kammer 4d verbunden. Rücklaufleitungen 33 führen das Schmieröl aus der Brennkraftmaschine 21, dem Lagergehäuse 3 und der Kammer 4d zurück in den Schmierölsumpf 23. Das Druckbegrenzungsventil öffnet, wenn ein eingestellter Druckwert überschritten wird. Dadurch werden zum Einen hohe Drücke an den Lagerstellen vermieden und zum Anderen über den Schmieröldurchfluss durch die Kammer 4d eine Kühlung der Läuferwelle 4 erreicht.
Bei dieser Ausgestaltung der Schmierölversorgung für die Läuferwelle 4 und die Lagerkartusche 2 wirkt durch die Schmierölzufuhr in Einbaulage des Abgasturboladers von oben eine aus der Schmieröldruckverteilung resultierende Kraft neben der Schwerkraft in Schwerkraftrichtung auf den äußeren Lagerring 6. Dies wirkt der dynamischen Zentrierung der Lagerkartusche 2 im Betrieb entgegen, d.h. die Zentrierung und damit die Entkoppelung vom äußeren Lagerring und seiner Aufnahmebohrung 3a erfolgt erst bei höheren Drehzahlen der Läuferwelle 4. Durch die Begrenzung des Schmieröldruckes durch das Druckbegrenzungsventil 27 kann dieser Effekt deutlich abgeschwächt werden. Dies wirkt sich positiv auf das Geräuschübertragungsverhalten von der Lagerkartusche 2 auf das Ladergehäuse 3 aus und damit auf die vom Abgasturbolader abgestrahlten Geräuschemissionen aus. Weiterhin wird durch die Begrenzung des Schmieröldruckes auch der Schmieröldurchfluss durch die Lagerkartusche begrenzt. Damit muss weniger Schmieröl durch die Wälzlager verdrängt werden. Die dort auftretenden Planschverluste werden reduziert, die Reibungsverluste im Lager sinken und dadurch auch der Wärmeeintrag. Somit wird der Wirkungsgrad der Lagerung gesteigert.
In 2 ist eine Alternative der Schmiermittelversorgung 20 für die Lagerkartusche 2 dargestellt. Gleiche Bauteile sind in 2 mit den gleichen Bezugsziffern wie in 1 bezeichnet.
Im Unterschied zu 1 wird im Ausführungsbeispielnach 2 die Schmierölversorgung in Einbaulage des Abgasturboladers von unten durchgeführt. Hier wird also die zweite Teilleitung 29' an die nach unten gerichteten Versorgungsbohrungen 11' und 12' angeschlossen. Hier wirkt die aus den hydraulisch wirkenden Drücken resultierende Kraft der Schwerkraft entgegen. Da durch die asymmetrische Auslegung der Turbinenseite gegenüber der Verdichterseite die aus dem Quetschölfilm 10a, 10b resultierende hydraulische Kraft mit steigendem Schmieröldruck schnell ansteigt, wird die Geometrie der Schmierölversorgungsnut 14, 15 in dem äußeren Lagerring 6 so ausgelegt, dass sich das aus der Druckverteilung um den äußeren Lagerring 6 und damit das aus den daraus resultierenden Kräften ergebende Moment in jedem Betriebszustand gleich null ist. Wenn die resultierenden Kräfte linear ansteigen, ist das Moment bei jedem Schmieröldruck in der Schmierölversorgung gleich null und es wirkt nur eine Kraft gegen die Schwerkraft. Deshalb wird durch das Druckbegrenzungsventil 31 der Schmieröldruck auf den Wert oder wenigsten doch nahe an dem Wert begrenzt, bei dem der äußere Lagerring 6 mit der Läuferwelle 4 gerade angehoben wird. So hat die dynamische Zentrierfunktion den geringsten Widerstand. Ein weiterer Druckanstieg in der Schmiermittelversorgung 20 bei fehlendem oder auf zu hohem Druck eingestelltem Druckbegrenzungsventil 31 würde sonst die Lagerkartusche 2 nach oben drücken.
Geeignet Geometrien für die Schmierölversorgungsnuten 14, 15 bestehen beispielsweise darin, dass die radiale Ausdehnung der verdichterseitig angeordneten Ölversorgungsnut 14 über einen Teil ihres Umfangs erheblich größer sein soll als die der turbinenseitig angeordneten Ölversorgungsnut 15. Auch ist es denkbar, die Tiefe der Ölversorgungsnut 14, die auf dem verdichterseitigen Abschnitt 4a angeordnet ist, zumindest abschnittsweise größer als die der Ölversorgungsnut 15 auf dem turbinenseitigen Abschnitt 4b wird in dem äußeren Lagerring 6 in Umfangsrichtung auszuführen. Auch kann die Lage und Geometrie der Versorgungsbohrungen 11, 12 variiert werden. Daneben kann auch die Lage und Geometrie für die beiden Quetschölfilme 10a und 10b variiert werden.
Die Vorteile der Kühlung der Läuferwelle 4 durch das am Druckbegrenzungsventil 31 über seine Auslassleitung 32 abfließende Schmieröl sind auch bei dieser Variante gegeben.
In 3 ist eine weitere Variante im Aufbau der Schmiermittelversorgung 20 dargestellt. Auch hier sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugsziffern wie in 1 bezeichnet.
Wenn auch hier die Schmierölversorgung in Einbaulage des Abgasturboladers von unten erfolgt, so ist jedoch im Unterschied zu der Ausgestaltung in 2 eine Aufteilung der Teilleitungen 27, 29 und 30 in jeweils zwei Teilleitungen 27', 29'' und 30' vorgenommen worden. Dementsprechend sind auch zwei Blenden 28', und 28'' sowie zwei Druckbegrenzungsventile 31' und 31" vorgesehen. Hierbei wird nach dem Abzweig 26 die erste Teilleitung 27 in zwei Teilleitungen 27' aufgeteilt, in die jeweils eine Blende 28' und 28" eingebaut ist. Von der einen Teilleitung 27' zweigt eine zweite Teilleitung 29'' zu der Versorgungsbohrung 11' ab, während die andere zweite Teilleitung 29'' von der anderen Teilleitung 27' abzweigt und zu der Versorgungsbohrung 12' führt. Nach den jeweiligen Abzweigpunkten der zweiten Teilleitungen 29" führen die jeweils dritten Teilleitungen 30' zu den Druckbegrenzungsventilen 31' und 31" und von dort zu einer gemeinsamen Auslassleitung 32. Anstelle unterschiedlicher Geometrien für die Schmierölversorgungsnuten 14 und 15 im äußeren Lagerring 6 werden hier unterschiedliche Druckwerte an den beiden Druckbegrenzungsventile 31' und 31'' eingestellt. Die Öffnungsdrücke für die beiden Druckbegrenzungsventile 31' und 31'' werden hierbei so eingestellt, dass das aus dem Schmieröldruck beziehungsweise aus den daraus resultierenden Kräften resultierende Moment um den Läuferschwerpunkt gleich null ist und die hydraulische Kraft im Idealfall der Schwerkraft der Läuferwelle entspricht. Auch dadurch erreicht man eine Momentfreiheit für die Lagerkartusche2 und die Läuferwelle 4. Weiterhin wird auch hier das von den beiden Druckbegrenzungsventilen 31' und 31'' abfließende Schmieröl über eine gemeinsame Auslassleitung 32 zur Kammer 4d und von dort über die Rücklaufleitung 33 in den Schmierölsumpf 23 der Brennkraftmaschine 21 geführt, so dass eine Kühlung der Schulter 4c der Läuferwelle 4 auch hier erfolgt.
Bezugszeichenliste

1: Lagereinheit
2: Lagerkartusche
3: Lagergehäuse
3a: Aufnahmebohrung von 3
4: Läuferwelle
4a: verdichterseitiger Abschnitt von 4
4b: turbinenseitiger Abschnitt von 4
4c: Schulter von 4
4d: Kammer
5: Wälzlager
6: äußerer Lagerring
7: innerer Lagerring
8: Wälzkörper
9: Zwischenraum
10a: verdichterseitiger Quetschölfilm
10b: turbinenseitiger Quetschölfilm
11, 11': Versorgungsbohrung
12, 12': Versorgungsbohrung
13: Längsmittelachse von 2
13a: vertikale Längsmittelebene von 2
13b: Querebene durch die Mitte von 2
14: Ölversorgungsnut
15: Ölversorgungsnut
16: Ablaufnut
17: Auslassbohrung
18: Spritzölbohrung
19: Spritzölbohrung
20: Schmiermittelversorgung von 1
21: Brennkraftmaschine
22: Schmierölkreis von 20
23: Schmierölsumpf
24: Schmierölpumpe
25: Schmierölfilter
26: Abzweig
27, 27': erste Teilleitung
28, 28', 28": Blende
29, 29', 29": zweite Teilleitung
30, 30': dritte Teilleitung
31, 31', 31": Druckbegrenzungsventil
32: Auslassleitung von 31, 31', 31''
33: Rücklaufleitungen zu 23
COG: Schwerpunkt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010054926 A1 [0005]

Claims

Schmiermittelversorgung (20) für eine Lagereinheit (1) einer Läuferwelle (4) eines Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine (21), bestehend aus einem sich axial erstreckenden Lagergehäuse (3) sowie einer innerhalb des Lagergehäuses (3) in einer Aufnahmebohrung (3a) derart angeordneten Lagerkartusche (2), dass zwischen der Lagerkartusche (2) und der Aufnahmebohrung (3a) ein Zwischenraum (9) vorgesehen ist, in dem ein Quetschölfilm (10a, 10b) ausgebildet ist, wobei die Lagerkartusche (2) zumindest einem äußeren Lagerring (6) mit zwei Wälzkörperreihen (8) aufweist, sowie bestehend aus zumindest einer in dem Lagergehäuse (3) und/oder in der Lagerkartusche (2) jeweils verdichterseitig und turbinenseitig angeordneten Schmiermittelversorgungsbohrung (9, 11, 12, 14, 15, 18, 19), wobei die Schmiermittelversorgungbohrungen (9, 11, 12, 14, 15, 18, 19) mit dem Schmiermittelkreislauf (22) der Brennkraftmaschine (21) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmiermittelversorgung (20) aus mindestens einer Schmiermittelzufuhrleitung (27, 27', 29, 29', 29", 30, 30') zu den Schmiermittelversorgungbohrungen (9, 11, 12, 14, 15, 18, 19) besteht, in der ein Druckbegrenzungsventil (31, 31', 31") angeordnet ist, das den Druck in den Schmiermittelversorgungsbohrungen (9, 11, 12, 14, 15, 18, 19) begrenzt.
Schmiermittelversorgung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auslassleitung (32) des Druckbegrenzungsventils (31, 31', 31") zu einen Abschnitt (4c) der Läuferwelle (4) geführt ist.
Schmiermittelversorgung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Schmiermittelzufuhrleitung (27, 27', 29, 29', 29", 30, 30') vor den Schmiermittelversorgungbohrungen (9, 11, 12, 14, 15, 18, 19) ein druck- oder volumenstromreduzierendes Ventil (28, 28', 28") eingebaut ist.
Schmiermittelversorgung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmiermittelversorgung (20) aus zwei getrennten Schmiermittelzufuhrleitungen (27', 29', 29") zu den Schmiermittelversorgungbohrungen (9, 11, 12, 14, 15, 18, 19) besteht.
Schmiermittelversorgung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder der getrennten Schmiermittelzufuhrleitungen (30') ein Druckbegrenzungsventil (31', 31") angeordnet ist.
Schmiermittelversorgung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmiermittelversorgungsbohrungen (9, 11, 12, 14, 15, 18, 19) verdichterseitig und turbinenseitig asymmetrisch zu einer durch eine Lagermitte verlaufenden senkrechten Querebene (13a) ausgebildet sind.
Schmiermittelversorgung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3 und/oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmiermittelversorgungsbohrungen (9, 11, 12, 14, 15, 18, 19) verdichterseitig und turbinenseitig unterschiedliche Positionen zu einer vertikalen Quermittelebene der Lagerkartusche (2) einnehmen.
Schmiermittelversorgung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3 und/oder 6, 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmiermittelversorgungsbohrungen (9, 11, 12, 14, 15, 18, 19) verdichterseitig und turbinenseitig unterschiedliche Positionen zu einer horizontalen Längsmittelebene der Lagerkartusche (2) einnehmen.
Schmiermittelversorgung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3 und/oder 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmiermittelversorgungsbohrungen (9, 11, 12, 14, 15, 18, 19) sich verdichterseitig und turbinenseitig hinsichtlich ihrer radialen Ausdehnung bezogen auf die Längsmittelachse (13) voneinander unterscheiden.
Schmiermittelversorgung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3 und/oder 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmiermittelversorgungsbohrungen (9, 11, 12, 14, 15, 18, 19) sich verdichterseitig und turbinenseitig hinsichtlich ihres Durchmessers unterscheiden.