DE102018116671A1

DE102018116671A1 - Turbolader-Lager

Info

Publication number: DE102018116671A1
Application number: DE102018116671.0A
Authority: DE
Inventors: Fanghui Shi; Dingfeng Deng; Ran Wu; Louis P. Begin; Yuli Huang
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-07-11
Filing date: 2018-07-10
Publication date: 2019-01-17
Also published as: CN109236723A; US10190634B1; US20190017550A1

Abstract

Ein Turbolader beinhaltet ein Gehäuse und eine in dem Gehäuse angeordnete rotierende Baugruppe mit einem Turbinenrad und einem durch eine Welle miteinander verbundenen Verdichterrad. Die rotierende Baugruppe wird in seitlicher Richtung mit Luft beaufschlagt. Ein Lager ist im Gehäuse angeordnet und trägt die Welle drehbar, wobei das Lager eine innere Lagerlauffläche beinhaltet, die in die Welle eingreift, und eine äußere Lagerlauffläche, die in das Gehäuse eingreift, wobei die äußere Lagerlauffläche ein Paar axial verlaufender, vertiefter Nuten aufweist, die sich zumindest teilweise entlang des Lagers erstrecken. Das sich axial erstreckende Nutenpaar ist senkrecht zur Luftlastrichtung angeordnet

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Turbolader-Lager und insbesondere auf eine axiale Lagerschlitz-Konstruktion für sowohl NVH- als auch Haltbarkeitsleistung.
HINTERGRUND UND KURZDARSTELLUNG
Der folgende Abschnitt bietet Hintergrundinformationen zur vorliegenden Offenbarung, wobei es sich nicht notwendigerweise um den Stand der Technik handelt.
Verbrennungsmotoren werden dazu verwendet, ein erhebliches Leistungsniveau über längere Zeiträume auf zuverlässiger Basis zu erzeugen. Viele solche Motoren verwenden eine Boost-Vorrichtung wie einen von einer Abgasturbine angetriebenen Turbolader, der den Luftstrom komprimiert, bevor er in den Ansaugkrümmer des Motors eintritt, um Leistung und Wirkungsgrad des Motors zu erhöhen.
Im Einzelnen nutzt ein Turbolader einen Zentrifugal-Gaskompressor, der mehr Luft und damit mehr Sauerstoff in die Verbrennungskammern des Motors presst, als andernfalls mit normalem Umgebungsluftdruck erreichbar ist. Die zusätzliche Masse sauerstoffhaltiger Luft, die in den Motor gepresst wird, verbessert den volumetrischen Wirkungsgrad des Motors, indem dieser mehr Kraftstoff in einem gegebenen Zyklus verbrennen kann und dadurch mehr Leistung erzeugt.
Ein typischer Turbolader nutzt eine zentrale Welle, die mit einem oder mehreren Lagern gelagert ist und eine Drehbewegung zwischen einem abgasgetriebenen Turbinenrad und einem Luft-Verdichterrad überträgt. Die Turbine und Verdichterräder sind jeweils an der Welle befestigt, die in Kombination mit verschiedenen Lagerkomponenten die Turbolader-Drehanordnung bilden.
Subsynchrone Frequenz Schwingungsgeräusche können ein Problem in einem Turbolader sein. Das halb oder vollständig schwimmende Turbolader-Lager gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung ist zur Minimierung der subsynchronen Schwingung und Aufrechterhaltung der Tragfähigkeit konstruiert.
Ein partiell beaufschlagter Turoblader ist mit einem Gehäuse und einer im Gehäuse angeordneten rotierende Baugruppe mit einem Turbinenrad und einem durch eine Welle miteinander verbundenen Verdichterrad vorgesehen. Die rotierende Baugruppe wird in seitlicher Richtung mit Luft beaufschlagt. Ein Lager ist im Gehäuse angeordnet und trägt die Welle drehbar, wobei das Lager eine innere Lagerlauffläche beinhaltet, die in die Welle eingreift, und eine äußere Lagerlauffläche, die in das Gehäuse eingreift, wobei die äußere Lagerlauffläche ein Paar axial verlaufender, vertiefter Nuten aufweist, die sich zumindest teilweise entlang des Lagers erstrecken. Das axial verlaufende Nutenpaar ist senkrecht zur Richtung der Luftlast angeordnet.
Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hier dargebotenen Beschreibung ersichtlich. Die Beschreibung und speziellen Beispiele in dieser Kurzdarstellung dienen ausschließlich zum Veranschaulichen und sollen keinesfalls den Umfang der vorliegenden Offenbarung einschränken.
Figurenliste
Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen ausschließlich dem Veranschaulichen ausgewählter Ausführungsformen und stellen nicht die Gesamtheit der möglichen Realisierungen dar und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.

1 ist eine schematische Querschnittsdarstellung des Turboladers;
2 ist eine schematische Ansicht eines partiell beaufschlagten Turboladers;
3 ist eine perspektivische Ansicht eines Lagers gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
4 ist eine Draufsicht auf das in 3 dargestellte Lager; und
5 ist eine Querschnittsansicht einer alternativen Anordnung mit den axial verlaufenden Nuten im Lagergehäuse.

Gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen beziehen sich auf die gleichen Teile.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es werden nun exemplarische Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
Es werden exemplarische Ausführungsformen bereitgestellt, damit diese Offenbarung gründlich ist und den Fachleuten deren Umfang vollständig vermittelt. Es werden zahlreiche spezifische Details dargelegt, wie etwa Beispiele für spezifische Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, um ein tiefgreifendes Verständnis für die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu vermitteln. Fachleute werden erkennen, dass spezifische Details möglicherweise nicht erforderlich sind, dass exemplarische Ausführungsformen in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden können und dass keine der Ausführungsformen dahingehend ausgelegt werden soll, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränkt. In manchen exemplarischen Ausführungsformen sind wohlbekannte Verfahren, wohlbekannte Vorrichtungsstrukturen und wohlbekannte Techniken nicht ausführlich beschrieben.
Die hier verwendete Terminologie dient ausschließlich der Beschreibung bestimmter exemplarischer Ausführungsformen und soll in keiner Weise einschränkend sein. Die hier verwendeten Singularformen, z. B. „ein“, „der/die/das“, schließen ggf. auch die Pluralformen ein, sofern der Kontext dies nicht klar ausschließt. Die Begriffe „umfasst“, „beinhaltend“, „einschließlich“ und „hat“ sind nicht ausschließlich und geben daher das Vorhandensein der angegebenen Funktionen, ganzheitlichen Einheiten, Schritte, Vorgänge, Elemente und/oder Bauteile an, schließen aber nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen von weiteren Funktionen, ganzheitlichen Einheiten, Schritten, Vorgängen, Elementen, Bauteilen und/oder Gruppen hiervon aus. Die hier beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Vorgänge sind nicht so auszulegen, dass die beschriebene oder dargestellte Reihenfolge unbedingt erforderlich ist, sofern diese nicht spezifisch als Reihenfolge der Ausführung angegeben ist. Es sei außerdem darauf hingewiesen, dass zusätzliche oder alternative Schritte angewendet werden können.
Wenn Elemente oder Ebenen als „an/auf“, „in Verbindung mit“, „verbunden mit“ oder „gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer Ebene beschrieben werden, können sie entweder direkt mit anderen Elementen oder Ebenen in Verbindung stehen oder gekoppelt sein oder es können zwischenliegende Elemente oder Ebenen vorhanden sein. Wenn ein Element im Gegenzug als „direkt an/auf“, „direkt in Verbindung mit“ oder „direkt gekoppelt mit“ anderen Elementen oder Ebenen beschrieben wird, sind ggf. keine zwischenliegenden Elemente oder Ebenen vorhanden. Andere Wörter, die zum Beschreiben des Verhältnisses zwischen Elementen verwendet werden, sind in gleicher Weise zu verstehen (z. B. „zwischen“ und „direkt zwischen“, „angrenzend“ und „direkt angrenzend“ usw.). Der Begriff „und/oder“ schließt alle Kombinationen der zugehörigen aufgelisteten Elemente ein.
Obwohl die Begriffe erste, zweite, dritte usw. hierin verwendet werden können, um verschiedene Elemente, Komponenten, Regionen, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollten diese Elemente, Komponenten, Regionen, Schichten und/oder Abschnitte nicht durch diese Begriffe beschränkt werden. Diese Begriffe können nur verwendet werden, um ein Element, eine Komponente, Region, Schicht oder einen Abschnitt von einem anderen Bereich, Schicht oder Abschnitt zu unterscheiden. Begriffe, wie „erste“, „zweite“ und andere Zahlenbegriffe, wenn hier verwendet, implizieren keine Sequenz oder Reihenfolge, es sei denn, dies wird eindeutig durch den Kontext angegeben. Somit könnte ein weiter unten erörtertes erstes Element, Komponente, Bereich, Schicht oder Abschnitt als ein zweites Element, Komponente, Bereich, Schicht oder Abschnitt bezeichnet werden, ohne von den Lehren der exemplarischen Ausführungsformen abzuweichen.
Raumbezogene Begriffe, wie „innere“, „äußere“, „unterhalb“, „unter“, „untere“, „über“, „obere“ und dergleichen, können hier zur besseren Beschreibung der Beziehung von einem Element oder einer Ausrüstung zu anderen Elementen oder Eigenschaften, wie in den Figuren dargestellt, verwendet werden. Räumlich relative Begriffe können bezwecken, unterschiedliche Ausrichtungen der Vorrichtung im Gebrauch oder Betrieb neben der in den Figuren dargestellten Orientierung zu umspannen. Wird beispielsweise die Vorrichtung in den Figuren umgedreht, würden Elemente, die als „unterhalb“ von oder „unter“ anderen Elementen oder Eigenschaften beschrieben werden, dann „oberhalb“ anderer Elemente oder Eigenschaften ausgerichtet sein. Daher kann der Beispielbegriff „unterhalb“ sowohl eine Orientierung von oberhalb als auch von unterhalb beinhalten. Die Vorrichtung kann anderweitig ausgerichtet werden (um 90 Grad gedreht oder in andere Richtungen) und die hierin verwendeten räumlich bezogenen Schlagworte können dementsprechend interpretiert werden.
Wie in Figure 1 dargestellt, beinhaltet der Turbolader 26 eine Welle 28 mit einem ersten Ende 30 und einem zweiten Ende 32. Ein Turbinenrad 36 ist auf der Welle 28 benachbart dem ersten Ende 30 montiert und konfiguriert, um durch die Nachverbrennungsgase aus dem Motor ausgestoßen zu werden. Das Turbinenrad 36 wird normalerweise aus einem temperatur- und oxidationsresistenten Werkstoff gefertigt wie einer „Inconel“-Superlegierung auf Nickel-Chrom-Basis, die zuverlässig den in manchen Motoren bis auf 2.000 Grad Fahrenheit steigenden Temperaturen der Verbrennungsabgase zu widersteht. Das Turbinenrad 36 ist innerhalb eines Turbinengehäuses 38 angeordnet, das eine teilweise zulässige Einlassanordnung 40 aufweist, was bedeutet, dass die Abgase nur über einen Teil des Ringraumes in das Turbinenrad 36 eintreten, wie in 2 dargestellt. Die Turbinenschaufeln arbeiten in einer instabilen Strömungsumgebung, die stark von der Umfangsposition der Schaufeln abhängig ist. Insbesondere, wie in 2 dargestellt, weist der partiell beaufschlagte Turbolader 26 eine Luftlastrichtung auf, wie durch die Richtungspfeile „A“ der Anordnung dargestellt.
Wie weiter in 1 dargestellt, beinhaltet der Turbolader 26 auch ein Verdichterrad 42, das auf der Welle 28 benachbart zum zweiten Ende 32 montiert ist. Das Verdichterrad 42 ist zum Druckbeaufschlagen des aus der Umgebung eingespeisten Luftstroms konfiguriert, der anschließend möglicherweise den Zylindern zugeführt wird. Das Verdichterrad 42 befindet sich innerhalb eines Verdichtergehäuses 44, das eine Turbinenschnecke oder Schnecke 46 enthält. Die Schnecke 46 empfängt den Luftstrom und leitet den Luftstrom zum Drosselventil und dem Ansaugkrümmer. Dementsprechend wird die Rotation durch die Nachverbrennungsabgase durch die Welle 28 weitergegeben und treibt das Turbinenrad 36 an und ist wiederum mit dem Verdichterrad 42 verbunden.
Unter weiterer Bezugnahme auf 1 wird die Welle 28 für die Drehbewegung über ein Lager 48 gehalten. Das Lager 48 ist in einer Bohrung 50 eines Lagergehäuses 52 montiert und geschmiert und gekühlt durch ein druckbeaufschlagtes Motoröl. Wie in 3 dargestellt, beinhaltet das Lager 48 ein Paar innere Lagerlaufflächen 54 in Kontakt mit der Welle 28 sowie ein Paar äußere Lagerlaufflächen 56 in Kontakt mit der Bohrung 50 des Gehäuses. Die äußere Lagerlauffläche 56 beinhaltet eine zylindrische Außenfläche 58 mit einem Paar axial verlaufender Nuten 60, die gegenüber der zylindrischen Außenfläche 58 ausgespart sind. Die axial verlaufenden Nuten 60 erstrecken sich von einer Endkante 58a des Lagers 48 und enden vor der gegenüberliegenden Endkante 58b. Die Nuten 60 befinden sich an einer Position, die im Allgemeinen senkrecht zur Luftlastrichtung A liegt. Das Lagergehäuse 52 beinhaltet ferner einen Ölkanal 62 und eine Mondnut 64 zum Einführen des Öls in die sich axial erstreckenden Nuten 60. Die Mondnut 64 ist entlang der senkrechten Linie B angeordnet und erhöht effektiv die minimale Schichtdicke. Das Lager 48 beinhaltet eine Vielzahl von Öffnungen 66, die Öl in das Innere des Lagers 48 einleiten.
Wie in 5 dargestellt, kann das Paar der sich axial erstreckenden Nuten 160 als alternative Anordnung auf einer inneren Oberfläche des Lagergehäuses 152 an einer Stelle ausgebildet sein, die im Allgemeinen senkrecht zur Lastrichtung A ist. Die alternative Anordnung kann für ein vollständig schwimmendes Lager 148 verwendet werden, wobei das Lager nicht drehfest gegenüber dem Lagergehäuse 152 ist. Die sich axial erstreckenden Nuten 160 können sich teilweise entlang des Lagers 148 erstrecken und können mit einem Ölkanal 62 verbunden sein.
Die axial verlaufenden Nuten 60/160 ermöglichen partiell beaufschlagten Turboladern die Luftlast zu tragen, während sub-synchrone Schwingung reduziert wird. Vorherige Lager, die mit einer 360° umlaufenden akustische Nut an der Außenfläche des schwimmenden Lagers vorgesehen wurden, liefern eine herausragende Stabilität für NVH. Allerdings wurde die Lagerlauffläche durch die umlaufende Nut halbiert was sich nachteilig auf die Tragfähigkeit für partiell beaufschlagte Turbolader auswirkt. Die Lagerkonstruktion mit einem Paar sich axial erstreckender Nuten, die senkrecht zur Lastrichtung angeordnet sind, bieten eine ähnliche Funktion wie die 360° umlaufende Nut für NVH, wobei die Tragfähigkeit eines breiteren Lagers erhalten bleibt. Das geschlossene Ende der Nuten begrenzt auch die Auswirkungen des Öldurchflusses.
Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen dient lediglich der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie ist nicht erschöpfend und soll die Offenbarung in keiner Weise beschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese bestimmte Ausführungsform beschränkt, sondern gegebenenfalls gegeneinander austauschbar und in einer ausgewählten Ausführungsform verwendbar, auch wenn dies nicht gesondert dargestellt oder beschrieben ist. Auch diverse Variationen sind denkbar. Diese Variationen stellen keine Abweichung von der Offenbarung dar, und alle Modifikationen dieser Art verstehen sich als Teil der Offenbarung und fallen in ihren Schutzumfang.

Claims

Partiell beaufschlagter Turbolader, umfassend: ein Gehäuse; eine innerhalb des Gehäuses angeordnete rotierende Baugruppe mit einem Turbinenrad und einem Verdichterrad, die durch eine Welle miteinander verbunden sind, wobei die rotierende Baugruppe in seitlicher Richtung einer Luftlast ausgesetzt ist; und ein Lager, das innerhalb des Gehäuses angeordnet ist und die Welle drehbar trägt, wobei das Lager eine innere Lagerlauffläche beinhaltet, die in die Welle eingreift, und eine äußere Lagerlauffläche, die in das Gehäuse eingreift, wobei die äußere Lagerlauffläche eine zylindrische Außenfläche und ein Paar axial verlaufender Nuten aufweist, die relativ zu der zylindrischen Außenfläche ausgespart sind und sich von einem Ende der Lagerlauffläche und zumindest teilweise entlang des Lagers erstrecken, wobei das Paar axial verlaufender Nuten senkrecht zur Luftlastrichtung angeordnet ist.
Partiell beaufschlagter Turbolader nach Anspruch 1, worin das Lager ein halbschwimmendes Lager ist.
Partiell beaufschlagter Turbolader nach Anspruch 1, worin das Lager ein vollständig schwimmendes Lager ist.
Partiell beaufschlagter Turbolader nach Anspruch 1, worin das Gehäuse einen Ölkanal in Verbindung mit dem Lager beinhaltet.
Partiell beaufschlagter Turbolader nach Anspruch 4, worin das Gehäuse eine Mondnut in Verbindung mit dem Ölkanal beinhaltet und gegenüber mindestens einer der sich axial erstreckenden Nuten angeordnet ist.