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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turboladereinrichtung für einen Verbrennungsmotor mit einem Turbinenrad und einem Verdichterrad, die auf einer gemeinsamen Turboladerwelle angeordnet sind, wobei die Turboladerwelle mittels zweier in Axialrichtung der Welle voneinander beabstandeter Wälzelementlager und einer zwischen beiden Wälzelementlagern angeordneten Wälzelementlagerhülse in einer Aufnahmebohrung im Gehäuse der Turboladereinrichtung gelagert ist.
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Eine derartige Turboladereinrichtung ist allgemein bekannt. Die mit dem Turbinenrad dem Verdichterrad versehene Welle ist über die beiden Wälzelementlager im Gehäuse der Turboladereinrichtung gelagert, wobei die beiden Wälzelementlager innere Laufringe aufweisen, die auf der Welle selbst ausgebildet sind. Zwischen den beiden äußeren Laufringen der Wälzelementlager ist eine Wälzelementlagerhülse vorgesehen, die als C-Ring ausgebildet ist. Die Wälzelementlager sind in der Regel als Kugellager ausgebildet.
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Bei der Montage einer derartigen Turboladereinrichtung ist es von großer Bedeutung, die gesamte Rotoreinheit, d. h. die Turboladerwelle mit Turbinenrad, Verdichterrad, den beiden Wälzelementlagern und der dazwischen angeordneten Wälzelementlagerhülse, in Axialrichtung präzise innerhalb des Gehäuses der Turboladereinrichtung zu positionieren. Um dies zu erreichen, müssen daher die zugehörigen Teile mit hoher Präzision gefertigt sein.
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Des Weiteren offenbart das Dokument
US 2010/0068053 A1 eine Vorrichtung zur Festlegung eines Turbinenlagers in einer Gehäusebohrung mittels eines Zapfens und einer Kugel, wobei der Zapfen einen konischen Teil und einen zylindrischen Teil aufweist. Mit dem konischen Teil sitzt der Zapfen in einer Gehäusebohrung des Lagergehäuses eines Turboladers, wobei der zylindrische Teil des Zapfens in eine Bohrung der Lagerbuchse ragt und die Lagerbuchse so im Lagergehäuse fixiert.
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Das Dokument
7 214 037 US B2 offenbart eine in einer zylindrischen Bohrung eines Lagergehäuses eines Turboladers angeordnete Wälzlagerkartusche. Hier wird die Lagerkartusche axial mittels einer Anschlagplatte fixiert und mittels eines zusätzlichen Zapfens gegen Verdrehen gesichert.
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Der vorliegenden Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, eine Turboladereinrichtung der vorstehend beschriebenen Art zu schaffen, die sich bei einem relativ großen Fertigungstoleranzbereich auf besonders einfache und genaue Weise montieren lässt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Turboladereinrichtung der angegebenen Art dadurch gelöst, dass die Wälzelementlagerhülse eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Nut mit angefasten Außenkanten aufweist und dass das Gehäuse der Turboladereinrichtung ein senkrecht zur Gehäuseachse verlaufendes Loch besitzt, in dem zwei gegen die angefasten Kanten der Nut pressbare Stifte angeordnet sind.
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Die vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Lösung basiert auf dem Grundgedanken, die Turboladerwelle mit dem Wälzelementlagersystem sowie Verdichterrad und Turbinenrad über zwei Stifte zu fixieren, die sich durch das im Lagergehäuse vorgesehene Loch im montierten Zustand der Turboladereinrichtung bis in die sich in Umfangsrichtung erstreckende Nut der Wälzelementlagerhülse erstrecken. Durch Pressen der Stifte gegen die angefasten Kanten der Nut erfolgt die Fixierung der axialen Position der Wälzelementlagerhülse (des C-Rings) und damit der Turboladerwelle relativ zum Gehäuse der Turboladereinrichtung, wobei der eine Stift im gegen die zugehörige angefaste Nut gepressten Zustand eine Bewegung in einer axialen Richtung und der andere Stift im gegen die zugehörige andere angefaste Kante der Nut gepressten Zustand eine Bewegung in der anderen axialen Richtung verhindert. Darüber hinaus verhindern die Stifte eine Drehung der Wälzelementlagerhülse mit der Turboladerwelle.
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Des Weiteren kann mit der erfindungsgemäßen Anordnung eine Feinjustierung der Wälzelementlagerhülse und damit der Wälzlager sowie der Turboladerwelle relativ zum Gehäuse der Turboladereinrichtung durchgeführt werden. Durch Anwendung dieses Montageprinzips wird die gesamte Toleranzkette reduziert, und die Axialposition der Turboladerwelle mit Turbinenrad und Verdichterrad hängt nicht von der Genauigkeit und den Toleranzen der Stifte, dem Loch im Gehäuse für die Stifte oder der Position der Nut der Wälzelementlagerhülse (des C-Rings) ab.
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Wenn eine Feinjustierung der Wälzelementlagerhülse in axialer Richtung relativ zum Gehäuse der Turboladereinrichtung durchgeführt werden soll, wird je nach gewünschter Bewegungsrichtung der eine oder der andere Stift an der angefasten Kante entlanggleitend tiefer in die Nut der Wälzelementlagerhülse hineingepresst, was zu einer entsprechenden axialen Verschiebung der Hülse führt. Mit der Axialbewegung der Wälzelementlagerhülse wird der Außenring des zugehörigen Wälzelementlagers und damit das Wälzelementlager selbst mit Turboladerwelle axial bewegt, da der Innenring des Wälzlagers in die Turboladerwelle integriert ist.
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Die beiden Außenkanten der Nut sind entsprechend angefast, so dass entsprechende Schrägflächen gebildet werden, entlang denen die abgeschrägten bzw. konisch zulaufenden Köpfe der Stifte gleiten können. Dabei kann der Kontakt zwischen den beiden Stiften und den angefasten Kanten der Nut auf verschiedene Art und Weise stattfinden. Beispielsweise kann ein punktförmiger Kontakt vorhanden sein, indem beispielsweise eine kugelförmige Fläche am Kopf eines Stiftes auf eine ebene Fläche auf der angefasten Kante der Nut trifft oder umgekehrt. Auch kann ein linienförmiger Kontakt vorhanden sein, indem eine konische Fläche auf eine andere konische Fläche trifft. Auch ein Evolventenprofil kann realisiert sein. Bei einem Kontakt zwischen zwei Flächen kann eine konkave Fläche auf eine konvexe Fläche treffen bzw. eine Umfangsfläche auf eine andere Umfangsfläche. Jedenfalls ist die Erfindung nicht auf eine spezielle Art des Kontaktes zwischen den angefasten Außenkanten der Nut und der damit in Kontakt tretenden Fläche am Kopf des Stiftes beschränkt.
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Was den Winkel betrifft, unter dem die Außenkanten der Nut angefast sind, so können hierbei beliebige Neigungswinkel Anwendung finden, die beispielsweise in einem Bereich von 20 bis 70 Grad liegen können. Hierbei können die beiden Neigungswinkel gleich groß oder unterschiedlich groß ausgebildet sein. In jedem Falle muss aber der Außendurchmesser von beiden Stiften größer sein als die Breite der Nut der Wälzelementlagerhülse, damit durch eine senkrecht zur Wellenachse verlaufende Bewegung eines Stiftes oder beider Stifte eine axiale Feinjustierung und letztendlich eine axiale Fixierung bzw. Verriegelung der Wälzelementlagerhülse relativ zum Gehäuse der Turboladereinrichtung erreicht wird.
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Was die Ausbildung der beiden Stifte anbetrifft, so sind diese vorzugsweise im Querschnitt halbkreisförmig ausgebildet. Wenn die Stifte miteinander in Kontakt stehen, bilden sie daher im Querschnitt zusammen einen Vollkreis. Andere Querschnittsformen (quadratisch, oval, polygonal etc.) sind ebenfalls möglich.
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Die Spitzen bzw. Köpfe der Stifte, die im montierten Zustand mit den angefasten Außenkanten der Nut in Kontakt stehen, sind vorzugsweise jeweils als Teilkonus ausgebildet.
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Die beiden Stifte können mit ihren ebenen einander zugewandten Flächen miteinander in Kontakt stehen und bei ihren Axialbewegungen auf diesen Flächen entlanggleiten. Bei einer anderen Ausführungsform können die Stifte aber auch im zugehörigen Loch mit Abstand voneinander angeordnet sein. Auch kann zwischen den Stiften ein Schmiermittelzuführkanal ausgebildet bzw. angeordnet sein.
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Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Montage einer Turboladereinrichtung der vorstehend beschriebenen Art, bei dem das Gehäuse der Turboladereinrichtung über die auf der Turboladerwelle vormontierten Wälzlager mit Wälzelementlagerhülse geschoben wird, bis die Nut der Wälzelementlagerhülse und das Loch des Gehäuses im Wesentlichen zueinander ausgerichtet sind. Zur Fixierung und Feinjustierung in Axialrichtung werden danach beide Stifte in das Loch eingeführt und mit ihren Spitzen gegen die angefaste Außenkante der Nut gepresst. Durch dieses Verfahren wird die Axialposition der Wälzelementlagerhülse und damit die der Turboladerwelle mit den Rotoren relativ zum Gehäuse der Turboladereinrichtung feinjustiert, festgelegt und verriegelt. Ferner wird die Wälzlagerhülse drehfest fixiert.
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Im Einzelnen werden dabei die beiden Wälzelementlager mit der dazwischen angeordneten Wälzelementlagerhülse auf der Turboladerwelle vormontiert, und diese vormontierte Einheit wird in die Aufnahmebohrung im Gehäuse der Turboladereinrichtung eingeführt. Die gewünschte axiale Position der Wälzelementlager wird voreingestellt, und diese Position wird über ein Werkzeug fixiert. Hiernach wird der erste Stift in das Loch im Gehäuse der Turboladereinrichtung eingeführt, bis er den richtigen Kontakt mit der angefasten Außenkante der Nut der Wälzelementlagerhülse hat. Die Bewegung der Wälzelementlagerhülse in einer axialen Richtung wird damit blockiert. Danach wird der zweite Stift eingeführt, um die Bewegung der Wälzelementlagerhülse in der zweiten axialen Richtung zu blockieren. Durch weiteres Einpressen der beiden Stifte kann dann, falls erforderlich, eine Feinjustierung durchgeführt werden, um die Endposition der Wälzelementlagerhülse festzulegen. Auf diese Weise wird dann auch eine Drehung der Wälzelementlagerhülse entweder durch Reibkräfte oder durch die geometrischen Eigenschaften der Oberflächen der Stifte und der Nut verhindert.
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Das zur axialen Fixierung vorgesehene Werkzeug wird dann entfernt. Schließlich werden die weiteren Teile der Turboladereinrichtung (Dichtungen, Stützplatte etc.) montiert.
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Es versteht sich, dass bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren durch unterschiedliche Einführungstiefen des linken und rechten Stiftes die gesamte Rotoreinheit (Wälzelementlagerhülse, Wälzelementlager, Turboladerwelle etc.) in die gewünschte Axialposition bewegt werden kann. Während des Montageprozesses kann daher die Rotoreinheit exakt in die gewünschte Position bewegt werden. Wenn diese Position erreicht ist, findet eine Verriegelung durch die vorgesehenen Stifte statt.
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Mit der erfindungsgemäß ausgebildeten Turboladereinrichtung und dem erfindungsgemäßen Montageverfahren wird eine Reihe von Vorteilen erzielt. Zum einen wird die Toleranzkette während der Herstellung von mit Wälzelementlagern versehenen Turboladern reduziert, insbesondere der axiale Spitzenabstand auf der Turbinenseite. Die endgültige Position der Rotoren/Räder kann sehr genau und auf kostengünstige Weise eingestellt und fixiert werden, weil die erforderliche Herstellgenauigkeit der einzelnen Teile geringer ist. Die axialen Abstände zwischen dem Gehäuse und dem Turbinenrad sowie Verdichterrad können reduziert werden, so dass zusätzlich thermodynamische Vorteile erreicht werden.
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Zum anderen wird durch die erfindungsgemäße Art der Montage eine Antirotationsvorrichtung für die Wälzelementlagerhülse (den C-Ring) vorgesehen. Zwischen die beiden Stifte kann ein Schmiermittelzuführkanal eingebaut werden, der auch an den Außenflächen der Stifte vorgesehen sein oder sich durch nur einen Stift erstrecken kann. Durch die Ausnutzung von gezielt vorgesehenen Oberflächenkontakten (Kugel mit Kegel, Evolventen, Kugeln mit unterschiedlichen Radien etc.) können die Anforderungen in Bezug auf die genaue senkrechte Lage zwischen der Aufnahmebohrung des Gehäuses der Turboladereinrichtung und dem für die Stifte vorgesehenen Loch verringert werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Ausführungsform einer Turboladereinrichtung im Vertikalschnitt in einem ersten Montagestadium;
- 2 die Turboladereinrichtung der 1 in einem zweiten Montagestadium;
- 3 die Turboladereinrichtung der 1 in einem dritten Montagestadium;
- 4 die Turboladereinrichtung der 1 in einem vierten Montagestadium;
- 5 die Turboladereinrichtung der 1 in einem fünften Montagestadium;
- 6 die Turboladereinrichtung der 1-5 in einer ersten Endposition;
- 7 die Turboladereinrichtung der 1-5 in einer zweiten Endposition;
- 8 Detaildarstellungen des Kontaktbereiches zwischen den Montagestiften und der Montagenut der Wälzelementlagerhülse;
- 9 entsprechende Detaildarstellungen bei anderen Ausführungsformen;
- 10 eine Detaildarstellung noch einer anderen Ausführungsform;
- 11 einen Horizontalschnitt durch die beiden Montagestifte der Ausführungsform der 1-7 und von weiteren Ausführungsformen; und
- 12 vergrößerte Darstellungen der Turboladereinrichtung der 1-7 im montierten Zustand.
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Die 1 bis 5 zeigen eine Ausführungsform einer Turboladereinrichtung im Vertikalschnitt in verschiedenen Montagepositionen. Die dargestellte Turboladereinrichtung besitzt eine Turboladerwelle 1, auf der ein Turbinenrad 2 angeordnet ist. Das entsprechende Verdichterrad befindet sich im montierten Zustand der Turboladerwelle am anderen Endbereich derselben. Einzelheiten hiervon werden nicht erläutert, da sie für die Erfindung keine Rolle spielen.
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Die Turboladereinrichtung weist ferner ein Gehäuse 7 auf, in dem sich eine Aufnahmebohrung 12 für die Turboladerwelle 1 befindet. In der in 1 dargestellten Montageposition sind an der Turboladerwelle 1 bereits ein erstes Wälzelementlager (Kugellager) 3 und ein zweites Wälzelementlager (Kugellager) 4 montiert. Die Innenringe der beiden Wälzelementlager 3, 4 sind hierbei in die Turbolagerwelle 1 integriert, so dass die Wälzelementlagerpositionen relativ zur Welle festgelegt sind. Zwischen beiden Wälzelementlagern 3, 4 befindet sich eine Wälzelementlagerhülse 5, die in der Form eines C-Ringes ausgebildet ist und die beiden Außenringe der Wälzelementlager 3, 4 auf Abstand hält.
Im Gehäuse 7 der Turboladereinrichtung ist ein vertikal zur Gehäuseachse verlaufendes Loch 13 angeordnet, das zur Aufnahme von zwei Montagestiften 8, 9 dient, mittels denen die Axialposition der Wälzelementlagerhülse 5 mit den beiden Wälzlagern 3, 4 und der Turboladerwelle 1 relativ zum Gehäuse 7 festgelegt wird. Im in 1 dargestellten Montagezustand sind die beiden Stifte 8, 9 gezeigt, die in das Loch 13 eingeführt werden.
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Zur Fixierung der Turboladerwelle 1 im Gehäuse 7 wird diese aus der in 1 gezeigten Stellung mit der vormontierten Wälzelementlageranordnung in die Aufnahmebohrung 12 des Gehäuses 7 eingeführt, bis etwa die Achse des Loches 13 auf die Mitte einer auf der Außenseite der Wälzelementlagerhülse 5 angeordneten Umfangsnut 6 trifft. In dieser Position wird die Turboladerwelle mithilfe eines nicht gezeigten Werkzeuges fixiert.
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Die beiden Stifte 8, 9 werden nunmehr in das Loch 13 eingeführt, wie in den 3 und 4 gezeigt. Zuerst wird der in den Figuren dargestellte linke Stift 8 eingesetzt und mit seiner konisch zulaufenden Spitze gegen eine entsprechend angefaste Außenkante der Nut 6 gepresst. Damit kann sich die Wälzelementlagerhülse 5 nicht mehr in einer axialen Richtung bewegen. Hiernach wird der in der Figur rechte Stift 9 eingepresst, so dass damit auch eine Bewegung in der anderen axialen Richtung verhindert wird. 5 zeigt beide Stifte 8, 9 in der in die Nut 6 eingepressten Stellung.
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Einzelheiten in Bezug auf die Position der Stifte 8, 9 in der Nut 6 sind in den 6 und 7 dargestellt. Man erkennt, dass durch unterschiedlich tiefes Einführen des jeweiligen Stiftes 8, 9 die Axialposition der Wälzelementlagerhülse 5 justiert werden kann, da die konische Fläche 11 an der Spitze des jeweiligen Stiftes entlang der angefasten Außenkante 10 der Nut 6 gleitet und hierdurch die Wälzelementlagerhülse 5 in Axialrichtung verschiebt. Die 6 und 7 zeigen die beiden Endpositionen der Wälzelementlagerhülse 5.
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Wenn durch das Einpressen der Stifte 8, 9 die Wälzelementlagerhülse 5 und damit die Turboladerwelle 1 ihre gewünschte Endposition erreicht hat, wird das Werkzeug zum Fixieren der Welle entfernt, und es können die weiteren Teile der Turboladereinrichtung montiert werden.
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Der Flächenkontakt zwischen der Spitze der Stifte 8, 9 und der jeweiligen angefasten Außenkante 10 der Nut 6 kann unterschiedlich ausgebildet sein. Die 8 und 9 zeigen hiervon verschiedene Ausführungsformen, wobei generell ein punktförmiger, linienförmiger oder flächiger Kontakt möglich ist. 8 zeigt in der jeweiligen Schnittdarstellung einen linienförmigen Kontakt in der linken Darstellung und einen Flächenkontakt in der rechten Darstellung. 9 zeigt links den Kontakt einer kugeligen Fläche mit einer kugeligen Fläche und rechts den Kontakt einer kugeligen Fläche mit einer Konusfläche. Beliebige Ausführungsformen sind möglich, wenn nur der entsprechende Effekt erreicht wird, dass eine Bewegung der beiden Stifte in senkrechter Richtung zu einer Axialbewegung der Wälzelementlagerhülse führt.
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Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen sind die beiden Stifte 8, 9 im Horizontalschnitt halbkreisförmig ausgebildet und liegen mit ihrer jeweiligen ebenen Fläche aneinander an. Dies ist in 11 oben dargestellt. Die Stifte 8, 9 gleiten daher aufeinander, wenn sie zur Fixierung der Hülse bewegt werden. Darunter sind in 11 weitere Querschnittsformen der beiden Stifte 8, 9 gezeigt.
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10 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Stifte 8, 9 im Abstand voneinander angeordnet sind. Auch in diesem Falle weisen sie konisch ausgebildete Spitzen auf, die mit angefasten Außenkanten 10 der Montagenut 6 in Kontakt stehen.
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12 zeigt die Turboladereinrichtung der 1 bis 7 in vergrößerten Ansichten im montierten Zustand.
