DE102017211037A1

DE102017211037A1 - Einrichtung zur axialen Lagerung einer Welle in einem Gehäuse und Verdichtereinrichtung

Info

Publication number: DE102017211037A1
Application number: DE102017211037.6A
Authority: DE
Inventors: Steffen Derhardt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-06-29
Filing date: 2017-06-29
Publication date: 2019-01-03

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung (10) zur axialen Lagerung einer Welle (20) in einem Gehäuse (12), mit einem mit der Welle (20) verbundenen, insbesondere scheibenförmigen Element (38), mit in Längsrichtung der Welle (20) axial voneinander beabstandeten Stirnseiten (40, 42) des Elements (38), die dazu ausgebildet sind, mit einem als aerodynamisches Axiallager (26) ausgebildeten Lager zusammenzuwirken, das ortsfest in dem Gehäuse (12) angeordnet ist, mit Kühlkanälen (70, 72) zur Zuführung von Kühlluft zu dem Bereich der Stirnseiten (40, 42) des Elements (38) und mit Versorgungskanälen (66, 68) zur Kühlung des Axiallagers (26).

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur axialen Lagerung einer Welle in einem Gehäuse nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Verdichtereinrichtung mit einer erfindungsgemäßen Lagereinrichtung.
Eine Einrichtung zur axialen Lagerung einer Welle in einem Gehäuse mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist aus der EP 2 102 507 B1 bekannt. Die bekannte Einrichtung ist Teil einer Strömungsarbeitsmaschine und weist ein mit einer Welle verbundenes, radial um die Drehachse der Welle umlaufendes scheibenförmiges Element auf, dessen gegenüberliegende Stirnseiten mit einem aerodynamischen Axiallager zusammenwirken. Weiterhin ist es aus der genannten Schrift bekannt, Kühlkanäle zur Zuführung von Kühlluft in den Bereich des Axiallagers vorzusehen, wobei die Kühlluft über Bohrungen in der Welle und dem scheibenförmigen Element in den Bereich des Axiallagers gelangt. Einzelheiten bzgl. der konstruktiven Ausbildung des Axiallagers sind der genannten Schrift nicht entnehmbar.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Einrichtung zur axialen Lagerung einer Welle in einem Gehäuse mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass sie bei konstruktiv einfach ausgebildeter Welle bzw. scheibenförmigem Element, d.h. ohne die Notwendigkeit, dort Kühlkanäle vorzusehen, einen kompakten Aufbau des Axiallagers ermöglicht.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, die Kühlkanäle zur Zuführung von Kühlluft zu dem Axiallager zumindest teilweise in unmittelbar die Axiallagerscheiben des Axiallagers begrenzende Bauteile zu verlegen bzw. dort auszubilden. Dadurch ist es möglich, die Axiallagerscheiben bezüglich der Dicke besonders schmal auszubilden. Darüber hinaus lässt sich dadurch auch eine zumindest nahezu konstante Dicke der Axiallagerscheiben erzielen, sodass ein Wärmeeintrag bzw. Wärmeübertrag in die Axiallagerscheiben von der sich drehenden Welle homogen bzw. gleichmäßig erfolgt.
Konkret schlägt es die Erfindung vor, dass das Axiallager zwei, mit den Stirnseiten des scheibenförmigen Elements zusammenwirkende Axiallagerscheiben aufweist, und dass die Kühlkanäle und/oder die Versorgungskanäle zumindest teilweise in mit den Axiallagerscheiben zusammenwirkenden, insbesondere scheibenförmigen Bauteilen angeordnet sind, die jeweils beidseitig der Stirnseiten der Axiallagerscheiben angeordnet sind. Ganz besonders bevorzugt kann es dabei, wenn die Axiallagerscheiben auf beiden Seiten in Wirkverbindung mit entsprechenden Kühlkanälen angeordnet sind, sodass beide Stirnseiten der Axiallagerscheiben gekühlt werden können bzw. es dadurch möglich ist, eine besonders hohe Wärmeabfuhr auch mit im Querschnitt relativ klein ausgebildeten Kühlkanälen zu realisieren.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Einrichtung zur axialen Lagerung einer Welle in einem Gehäuse sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
Um es bei kompakter Bauweise zu ermöglichen, die beiden Axiallagerscheiben an den Stirnflächen, die dem scheibenförmigen Element zugewandt sind, mit Kühlluft zu versorgen, ist es in einer konstruktiv bevorzugten Variante vorgesehen, dass das scheibenförmige Element radial von einem der Zuführung von Kühlluft zu den beiden Axiallagerscheiben dienenden Bauteil umgeben ist.
Weiterhin ist es zur Erzielung eines möglichst kompakten Aufbaus vorgesehen, dass eine der Axiallagerscheiben in Anlagekontakt mit einem Gehäuseteil angeordnet ist, und dass in dem Gehäuseteil im Überdeckungsbereich mit der Stirnseite der Axiallagerscheibe ein Versorgungskamal für das scheibenartige Element an der Welle ausgebildet ist. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass der Versorgungskanal unmittelbar in dem Gehäuse, und nicht in einem separaten Bauteil angeordnet bzw. ausgebildet ist.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Problematik der Koaxialitäten von Radiallagern, wie sie zur Lagerung insbesondere von schnelldrehenden Wellen verwendet werden. Gemeint sind dabei Wellen, die eine Umdrehungszahl von beispielsweise mehr als 100000 Umdrehungen pro Minute aufweisen. Die Problematik betrifft auch Bauteile, die in Wirkverbindung mit der Welle angeordnet sind, insbesondere Bauteile des Axiallagers. Zur Erzielung einer hohen Koaxialität der Bauteile bei gleichzeitig vorteilhafter fertigungsgerechter Gestaltung und relativ geringen Herstellkosten wird vorgeschlagen, dass das Gehäuse eine Aufnahmebohrung mit einem zylindrischen Aufnahmeabschnitt aufweist, in dem die Bauteile des Axiallagers aufgenommen sind, wobei die Bauteile jeweils einen dem Durchmesser der Aufnahmebohrung bzw. des Aufnahmeabschnitts angepassten Außendurchmesser aufweisen. Das bedeutet, dass sämtliche Bauteile, die das Axiallager bilden, einen (gemeinsamen) Außendurchmesser aufweisen, der unter Berücksichtigung üblicher Fertigungstoleranzen und der erforderlichen Montagetauglichkeit dem Durchmesser der Aufnahmebohrung angepasst sind.
Zur gezielten Zuführung von Kühlluft in den Axiallagerscheiben kann es darüber hinaus vorgesehen sein, dass zusätzlich in den Axiallagerscheiben Kühlkanäle ausgebildet sind.
Eine weitere Problematik bei der Ausbildung bzw. Herstellung derartiger Axiallager betrifft die Dichtheit des Axiallagers. Unter Dichtheit wird dabei verstanden, dass einerseits möglich geringe Kühlluftverluste bei der Zuführung der Kühlluft zu den zu kühlenden Bereichen des Axiallagers auftreten sollen, und dass andererseits eine Vermischung von Gasen nicht stattfinden soll. Letztgenannte Problematik betrifft insbesondere bei Verdichtereinrichtungen zu, deren zu verdichtendes Medium von dem Kühlmedium (Luft) abweicht. Um die benötigte Dichtheit eines derartigen Axiallagers zu gewährleisten, wird daher neben einer entsprechenden Rauhigkeit der Bauteile an aneinander anschließenden Kontaktflächen insbesondere vorgeschlagen, dass die Aufnahmebohrung von einem Gehäusedeckel verschließbar ist, der dazu ausgebildet ist, die Bauteile des Axiallagers mit einer axialen Vorspannkraft zu beaufschlagen. Diese axiale Vorspannkraft drückt somit die Bauteile des Axiallagers gegeneinander und dichtet die zugewandten Kontaktflächen besonders gut und wirkungsvoll ab.
Mit Blick auf die Koaxialität der Radiallager und der Anordnung des Axiallagers in dem Gehäuse ist es darüber hinaus in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Aufnahmebohrung koaxial zu einer weiteren Aufnahmebohrung für ein Radiallager angeordnet ist.
Um eine möglichst einfache Montage der Bauteile des Axiallagers bzw. eine vorteilhafte Integration der Bauteile in das Gehäuse zu ermöglichen, ist es darüber hinaus vorgesehen, dass das Axiallager in einem axialen Endbereich des Gehäuses angeordnet ist.
Die Erfindung betrifft auch eine Verdichtereinrichtung, umfassend wenigstens eine soweit beschriebene erfindungsgemäße Einrichtung zur Lagerung der Welle in dem Gehäuse.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
Diese zeigt in der einzigen Figur eine stark vereinfachte Darstellung einer Verdichtereinrichtung im Längsschnitt.
In der einzigen Figur ist stark vereinfacht eine Verdichtereinrichtung 100 zum Verdichten eines Gases gezeigt. Die Verdichtereinrichtung 100 umfasst ein Gehäuse 12, das beispielhaft ein topfförmiges Grundteil 14 aufweist, das stirnseitig mittels eines als Strömungselement dienenden Gehäusedeckels 16 mittels Schrauben 18 verschließbar ist. Innerhalb des Gehäuses 12 ist eine Welle 20 mittels zweier Radiallager 22, 24 und eines Axiallagers 26 um eine Drehachse 21 gelagert. Sowohl die beiden Radiallager 22, 24, als auch das Axiallager 26 sind als aerodynamisch ausgebildete Lager ausgebildet, d.h., dass in die zwischen der Welle 20 und den Radiallagern 22, 24 bzw. dem Axiallager 26 ausgebildete Lagerspalte jeweils ein Gas (insbesondere Luft) als Schmiermedium zur Lagerung der Welle 20 eingesetzt wird.
Ergänzend wird erwähnt, dass die Verdichtereinrichtung 100 bzw. deren Welle 20 insbesondere auch bei Drehzahlen von mehr als 100000 Umdrehungen pro Minute betrieben werden kann.
Der Antrieb der Verdichtereinrichtung 100 erfolgt mittels eines im Innenraum des Gehäuses 12 angeordneten Elektromotors 30. Der Elektromotor 30 umfasst beispielhaft, und nicht einschränkend, am Außenumfang der Welle 20 angeordnete Magnetelemente 32 sowie einen mit dem Gehäuse 12 ortsfest verbundenen Stator 34. Weiterhin umfasst die Verdichtereinrichtung 100 wenigstens ein schneckenförmiges Verdichterrad 36, das stirnseitig an einem Endbereich der Welle 20 angeordnet und mit dieser drehfest verbunden ist.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Einrichtung 10 zur Axiallagerung der Welle 20, die u.a. auch das Axiallager 26 umfasst. Wie anhand der Figur erkennbar ist, weist die Welle 20 ein im Bereich des Axiallagers 26 mit der Welle 20 verbundenes bzw. monolithisch ausgebildetes scheibenförmiges Element 38 auf. Die beiden einander abgewandten Stirnflächen 40, 42 des scheibenförmigen Elements 38 sind in Wirkverbindung mit zwei Axiallagerscheiben 44, 46 angeordnet, die Bestandteil der Einrichtung 10 bzw. des Axiallagers 26 sind.
Zwischen den beiden Axiallagerscheiben 44, 46 ist das scheibenförmige Element 38 von einer ringförmigen Distanzscheibe 48 radial umgeben, dessen Dicke beispielsweise lediglich geringfügig größer ist als die Dicke des scheibenförmigen Elements 38. Auf der dem scheibenförmigen Element 38 abgewandten Seite der Axiallagerscheibe 44 schließt sich in axialer Richtung bzw. in Längsrichtung der Welle 20 betrachtet eine erste Dichtscheibe 50 und eine zweite Dichtscheibe 52 an, die wiederum in Wirkverbindung mit dem Gehäusedeckel 16 angeordnet ist. Die zweite Dichtscheibe 52 weist einen Innendurchmesser auf, der größer ist als der Innendurchmesser der ersten Dichtscheibe 50, wobei das Verdichterrad 36 radial von der zweiten Dichtscheibe 52 umgeben ist.
Sowohl die beiden Axiallagerscheiben 44, 46 als auch die Distanzscheibe 48 und die beiden Dichtscheiben 50, 52 weisen jeweils denselben Außendurchmesser auf. Ferner sind die genannten Bauteile innerhalb einer in etwa sacklochförmigen, zylindrischen Bohrung 54 des Gehäusegrundteils 14 eingesetzt, derart, dass zwischen dem Innendurchmesser der Bohrung 54 und dem Außendurchmesser der Axiallagerscheiben 44, 46 der Distanzscheibe 48 und den Dichtscheiben 50, 52 lediglich ein geringes Montagespiel vorhanden ist, oder aber, das zwischen den genannten Bauteile und der Bohrung 54 eine Schiebe- oder Presspassung ausgebildet ist, wobei die eine Axiallagerscheibe 46 axial unmittelbar am Grund der Bohrung 54 anliegt. Koaxial zur Bohrung 54 sind weitere Bohrungen 55 zur Aufnahme der beiden Radiallager 22, 24 in dem Gehäusegrundteil 14 ausgebildet.
Weiterhin weist der Gehäusedeckel 16 auf der der zweiten Dichtscheibe 52 zugewandten Seite in axialer Richtung betrachtet einen Vorsprung 56 auf, der in die Bohrung 54 hineinragt. Die Höhe bzw. die Dimensionierung des Vorsprungs 56 ist insbesondere derart, dass beim Verbinden des Gehäusedeckels 16 mit dem Gehäusegrundteil 14 durch den Vorsprung 56 auf die Axiallagerscheiben 44, 46, die Distanzscheibe 48 sowie die beiden Dichtscheiben 50, 52 zur Erzielung einer gewünschten Dichtheit zwischen den Bauteilen eine axiale Vorspannkraft F erzeugt wird.
Wie oben erläutert, ist das Axiallager 26 als aerodynamisches Lager ausgebildet, das bedeutet, dass zwischen den Stirnflächen 40, 42 des scheibenförmigen Elements 38 und den den Stirnflächen 40, 42 zugewandten Stirnflächen 58, 60 der Axiallagerscheiben 44, 46 axiale Lagerspalte ausgebildet sind, in denen sich gasförmiges Medium, insbesondere Luft befindet. Diese Luft wird mittels in den Axiallagerscheiben 44, 46 ausgebildeten, im Ausführungsbeispiel in Bezug zur Welle 20 schräg verlaufenden Zuführkanälen 62, 64 in die entsprechende Lagerspalte zugeführt. Die Zuführkanäle 62, 64 münden in radial umlaufenden Versorgungskanälen 66, 68 in der einen Axiallagerscheibe 44 sowie am Grund der Bohrung 54 des Gehäusegrundteils 14. Die Versorgungskanäle 66, 68 sind radial fluchtend zu zwei Kühlkanälen 70, 72 angeordnet. Die beiden auf nicht dargestellte Art und Weise mit einer Zuführung bzw. Abführung für Kühlmedium (Luft) verbundenen Kühlkanäle 70, 72 sind zumindest in den den Axiallagerscheiben 44, 46 zugewandten Stirnseiten der Distanzscheibe 48, bevorzugt ebenfalls in den Axiallagerscheiben 44, 46, ausgebildet. Somit dienen die Distanzscheibe 48, die Dichtscheibe 50 und das Gehäusegrundteil 14 der Versorgung der Lagerspalte zwischen den Axiallagerscheiben 44, 46 und dem scheibenförmigen Element 38 und der Kühlung der Axiallagerscheiben 44, 46.
Die soweit beschriebene Verdichtereinrichtung 100 bzw. die Einrichtung 10 zur axialen Lagerung der Welle 20 in dem Gehäuse 12 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2102507 B1 [0002]

Claims

Einrichtung (10) zur axialen Lagerung einer Welle (20) in einem Gehäuse (12), mit einem mit der Welle (20) verbundenen, insbesondere scheibenförmigen Element (38), mit in Längsrichtung der Welle (20) axial voneinander beabstandeten Stirnseiten (40, 42) des Elements (38), die dazu ausgebildet sind, mit einem als aerodynamisches Axiallager (26) ausgebildeten Lager zusammenzuwirken, das ortsfest in dem Gehäuse (12) angeordnet ist, mit Kühlkanälen (70, 72) zur Zuführung von Kühlluft zu dem Bereich der Stirnseiten (40, 42) des Elements (38) und mit Versorgungskanälen (66, 68) zur Kühlung des Axiallagers (26), dadurch gekennzeichnet, dass das Axiallager (26) zwei, mit den Stirnseiten (40, 42) des scheibenförmigen Elements (38) zusammenwirkende Axiallagerscheiben (44, 46) aufweist, und dass die Kühlkanäle (70, 72) und/oder die Versorgungskanäle (66, 68) zumindest teilweise in mit den Axiallagerscheiben (44, 46) zusammenwirkenden, insbesondere scheibenförmigen Bauteilen (48, 50) angeordnet sind, die jeweils beidseitig der Stirnseiten der Axiallagerscheiben (44, 46) angeordnet sind.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das scheibenförmige Element (38) radial von einem der Zuführung von Kühlluft zu den beiden Axiallagerscheiben (44, 46) dienenden Bauteil (48) umgeben ist.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Axiallagerscheiben (46) in Anlagekontakt mit einem Gehäuseteil (14) angeordnet ist, und dass in dem Gehäuseteil (14) im Überdeckungsbereich mit der Stirnseite der Axiallagerscheibe (46) der Versorgungskanal (68) ausgebildet ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (12) eine zylindrische Bohrung (54) aufweist, in die die Bauteile des Axiallagers (26) aufgenommen sind, wobei die Bauteile jeweils einen gleichen, dem Durchmesser der Bohrung angepassten Außendurchmesser aufweisen.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (70, 72) zusätzlich in den Axiallagerscheiben (44, 46) ausgebildet sind.
Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung (54) von einem Gehäusedeckel (16) verschließbar ist, der dazu ausgebildet ist, die Bauteile des Axiallagers (26) mit einer axialen Vorspannkraft (F) zu beaufschlagen.
Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung (54) koaxial zu wenigstens einer weiteren Bohrung (55) für ein Radiallager (22, 24) angeordnet ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (70, 72) und/oder die Versorgungskanäle (66, 68) dazu ausgebildet sind, mit unter Druck stehendem Gas bzw. Druckluft beaufschlagt zu werden.
Einrichtung nacheinem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Axiallager (26) in einem axialen Endbereich der Welle (20) angeordnet ist.
Verdichtereinrichtung (100), umfassend wenigstens eine Einrichtung (10), die nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist.