DE102018201963A1

DE102018201963A1 - Keilloses, rotationssymmetrisches Axiallager

Info

Publication number: DE102018201963A1
Application number: DE102018201963.0A
Authority: DE
Inventors: Steffen SCHMITT; Ruediger Kleinschmidt; Steffen Heinemann; Oliver Kuhne
Original assignee: BMTS Technology GmbH and Co KG
Current assignee: BMTS Technology GmbH and Co KG
Priority date: 2018-02-08
Filing date: 2018-02-08
Publication date: 2019-08-08
Also published as: US10598213B2; CN110131302A; US20190242429A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Axiallager (1), insbesondere für einen Abgasturbolader (2), das im Wesentlichen eine scheibenförmige Gestalt und eine zentrisch angeordnete Durchtrittsöffnung (3) für eine Welle aufweist. Erfindungswesentlich ist dabei, dass eine kreissegmentartige Öltasche (4), die zur Durchtrittsöffnung (3) hin offen ist und in beide Umfangsrichtungen (5) gesehen in einen sich direkt daran anschließenden Plateauflächenabschnitt (6) übergeht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Axiallager, insbesondere für einen Abgasturbolader, das eine im Wesentlichen scheibenförmige Gestalt und eine zentrisch angeordnete Durchgangsöffnung für eine Welle aufweist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem einen Abgasturbolader mit einem solchen Axiallager.
Aus der DE 196 41 673 B4 ist ein gattungsgemäßes Axiallager zur Lagerung einer Welle mit einem fest mit einem Lagergehäuse verbundenen Lagerkörper bekannt, das zusätzlich einen mit der Welle rotierenden Lagerkamm sowie zumindest einen zwischen Lagerkörper und Lagerkamm ausgebildeten Schmierspalt aufweist, der von einer profilierten Kreisringfläche und einer ebenen Gleitfläche gebildet wird und mit einer Schmierölzuführung verbunden ist.
Aus der EP 3 091 242 A1 ist ein zylinderförmiger Lagerkörper für ein Gleitlager mit einer Schmiernut bekannt, wobei an einer innenliegenden mantelförmigen Gleitfläche wenigstens eine Schmiertasche zum Verteilen von Schmieröl auf der Gleittasche vorgesehen ist. Zu jeder Schmiertasche führt dabei ein Schmierstoffzuführkanal, der den Lagerkörper durchsetzt und dazu ausgebildet ist, der Schmiertasche Schmierstoff zuzuführen. Jeder Schmiertasche ist darüber hinaus wenigstens eine Schmiernut zugeordnet, die in der Gleitfläche ausgebildet ist und sich von einem Rand der Gleitfläche bis zu der zugeordneten Schmiertasche erstreckt. Hierdurch soll ein hinsichtlich des Verschleißes besseres Gleitlager geschaffen werden.
Aus der EP 1 644 647 B1 ist wiederum ein gattungsgemäßes Axiallager bekannt.
Generell besitzen bekannte Axiallager, insbesondere für Abgasturbolader, eine vergleichsweise aufwändig und damit in der Herstellung auch teure Bauteilgeometrie, da beispielsweise die Toleranzen im µm-Bereich liegen. Aufgrund der bislang vorgesehenen Öltaschen und den sich daran anschließenden Keilflächen, die in zugeordnete Plateauflächen bzw. Rastflächen übergehen, sind die bislang bekannten Axiallager auch nur für eine Drehrichtung einsetzbar, wodurch stets das Risiko eines Fehleinbaus und verbunden damit einer Beschädigung besteht. Aus diesem Grund erfordern derartige Axiallager bislang einen vergleichsweise hohen Logistik- und Kontrollaufwand.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für ein Axiallager der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwindet.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, erstmals ein Axiallager zwar mit Öltaschen, jedoch ohne die bislang verwendeten Keilflächen auszubilden. Durch den Entfall der bislang stets vorgesehenen Keilflächen lässt sich das erfindungsgemäße Axiallager nicht nur einfach und damit kostengünstiger herstellen, sondern es entfällt zudem auch ein erhöhter Kontrollaufwand beim Einbau des Axiallagers, da dieses drehrichtungsunabhängig verwendet werden kann, was bei bisherigen Axiallagern mit Keilflächen nicht möglich war und zu einer Beschädigung führte. Das erfindungsgemäße Axiallager besitzt dabei eine scheibenförmige Gestalt sowie eine zentrisch angeordnete Durchgangsöffnung für eine Welle. Rein theoretisch kann das erfindungsgemäße Axiallager auch als kombiniertes Axial-/Radiallager ausgebildet sein, wobei es in diesem Fall eine zylinderförmige Gestalt aufweist. Erfindungsgemäß ist nun zumindest eine kreissegmentartige Öltasche vorgesehen, die zur Durchtrittsöffnung hin offen ist und die in beide Umfangsrichtungen gesehen in einen sich direkt daran, insbesondere kreissegmentartig, anschließenden Plateauflächenabschnitt übergeht. Die bislang zwischen der Öltasche und der Plateaufläche vorgesehene Keilfläche ist nun erstmals nicht mehr vorhanden. Die damit erreichbare, kostengünstig herzustellende Lagergeometrie kann somit laufrichtungsunabhängig eingesetzt werden und generiert den für den Aufbau eines hydrodynamisch tragfähigen Ölfilms systembedingt durch eine Taumelbewegung einer planaren Gegenlaufscheibe. Die zur Erzeugung des hydrodynamischen Druckaufbaus erforderlichen Keilflächen stellen sich somit dynamisch durch die Taumelbewegung der planen Gegenlaufscheibe ein. Dies tritt systembedingt durch die in dem Radiallager vorhandenen Radialspiele und die Restunwucht eines Rotors immer auf.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Axiallagers sind zumindest zwei, vorzugsweise drei oder mehr, kreissegmentartige Öltaschen vorgesehen, die in beide Umfangsrichtungen gesehen in zwei, vorzugsweise drei oder mehr, dazwischen angeordnete Plateauflächenabschnitte übergehen. Durch die zumindest zwei Öltaschen und die zumindest zwei in Umfangsrichtung dazwischen angeordnete Plateauflächenabschnitte können ein rotationssymmetrisch gleichmäßig aufgebauter hydrostatischer Druck geschaffen und dadurch eine erhöhte Laufruhe erreicht werden.
Zweckmäßig beträgt eine maximale axiale Tiefe t zumindest einer Öltasche zwischen 10 µm und 1000 µm. Vorzugsweise beträgt diese Tiefe t zwischen 20 µm und 150 µm. Durch den vergleichsweise großen Bereich der Tiefe t der Öltaschen können insbesondere auch größere Toleranzen hingenommen werden, ohne das sich hierdurch negative Lagereffekte ergeben.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung weist die zumindest eine Öltasche geradlinige Radialkanten und eine gekrümmte Außenkante oder aber eine durchlaufende abgerundete Außenkante auf. Die Alternative mit den geradlinigen Radialkanten ermöglicht eine vergleichsweise einfache und damit auch kostengünstige Herstellung, während die Variante mit der abgerundeten Außenkante folgende Vorteile bietet:

- geringere Verformung außerhalb der Öltaschen und dadurch eine bessere Ebenheit/Parallelität im Übergangsbereich (Dichtfunktion),
- einfacherer Prägestempel (sonst Ecken/Kantenverschleiß).

Besonders kostengünstig wären vermutlich sehr tiefe Öltaschen mit einer Tiefe t von ca. 0,3mm, weil derartige Öltaschen dann direkt in einem Rohteil eingebracht werden könnten und der Prozessschritt Prägen komplett entfallen könnte. Außerdem würde es dann auch keine nachträgliche Verformung mehr durch das Prägen geben und dadurch eine bessere Ebenheit/Parallelität.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung weist die zumindest eine Öltasche einen in Radialrichtung abgeschrägten Taschenboden auf, wobei eine Tiefe t nach radial innen zunimmt. Dies ermöglicht einen Druckaufbau des der Lagerung dienenden Öls in radialer Richtung nach außen von der Öltasche auf die umliegende Plateaufläche, wobei die Plateaufläche die Plateauflächenabschnitte und die jeweiligen Öltaschen in Radialrichtung nach außen umgibt. Ein Übergang zwischen der Öltasche und der radial außerhalb der Öltasche gelegenen Plateaufläche kann dabei über eine Kante oder aber über einen abgerundeten Übergang erfolgen, wobei insbesondere der abgerundete Übergang eine verbesserte Ölförderung von der Öltasche auf die Plateaufläche ermöglicht.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung überdeckt die zumindest eine Öltasche einen Umfangwinkel α und der zumindest eine Plateauflächenabschnitt einen Umfangswinkel β, wobei gilt: 0,5 β < α < 2,0 β, insbesondere sogar α = β. Durch die Größe des Umfangswinkels α bzw. β können die Größe der Öltaschen bzw. der Plateauflächenabschnitte und damit die Lagereigenschaften des Axiallagers individuell nach jeweiligen Anforderungen eingestellt werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist zumindest ein Ölzulauf vorgesehen, der in die Plateaufläche, eine Öltasche oder in die Durchtrittsöffnung mündet. Besonders bei einer Mündung des zumindest einen Ölzulaufs in die Durchtrittsöffnung bzw. die Öltasche, kann eine gleichmäßige Schmierung und damit eine besonders gute Lagerung der Welle über das erfindungsgemäße Axiallager erreicht werden, da das in die Durchtrittsöffnung bzw. die Öltasche geförderte Öl von einer taumelnden planen Gegenlaufscheibe über die Öltasche nach radial außen auf die Plateaufläche gefördert wird. Selbstverständlich ist auch noch ein zusätzlicher Ölzulauf im Bereich der Plateaufläche denkbar.
Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, eine Welle eines Abgasturboladers über zumindest ein derartiges Axiallager zu lagern, wobei der erfindungsgemäße Abgasturbolader zusätzlich zur Welle nicht nur das Axiallager, sondern auch eine zumindest geringfügig taumelnde Gegenlaufscheibe aufweist, die aufgrund ihrer Taumelbewegung die zur Erzeugung des hydrodynamischen Öldrucks erforderliche Keilfläche bildet. Ein derartiger Abgasturbolader kann aufgrund des einfach und kostengünstig herzustellenden Axiallagers ebenfalls einfacher und damit kostengünstiger hergestellt werden.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Dabei zeigen, jeweils schematisch,

1 eine Ansicht auf ein erfindungsgemäßes Axiallager,
2 eine Detaildarstellung aus 1 im Bereich einer Öltasche,
3 eine Detaildarstellung aus 2 im Bereich eines Übergangs zwischen einer Öltasche und einer benachbarten Plateaufläche,
4 eine Darstellung wie in 3, jedoch mit anders gestalteten Öltaschen.

Entsprechend den 1 bis 4, weist ein erfindungsgemäßes Axiallager 1, das beispielsweise zur Lagerung einer Welle eines Abgasturboladers 2 eingesetzt werden kann, eine im wesentlichen scheibenförmigen Gestalt sowie eine zentrisch angeordnete Durchgangsöffnung 3 für die Welle auf. Rein theoretisch kann das erfindungsgemäße Axiallager 1 auch als kombiniertes Axial-/Radiallager 1 ausgebildet sein, wobei es in diesem Fall eine zylinderförmige Gestalt aufweist. Erfindungsgemäß ist nun zumindest eine kreissegmentartige Öltasche 4 vorgesehen, gemäß den 1 und 4 sind jeweils drei solche Öltaschen 4 vorgesehen, die zur Durchtrittsöffnung 3 hin offen ausgebildet und in beide Umfangsrichtungen 5 gesehen in sich direkt daran anschließende Plateauflächenabschnitte 6 übergehen. Gemäß den Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Axiallagers 1 in den 1 und 4, sind dabei jeweils drei Öltaschen 4 sowie drei in Umfangsrichtung 5 dazwischen angeordnete Plateauflächenabschnitte 6 vorgesehen. Die Plateauflächenabschnitte 6 erstrecken sich dabei in Umfangsrichtung 5 gesehen zwischen den einzelnen Öltaschen 4 und gegen radial außerhalb derselben in eine Plateaufläche 6' über, wodurch eine vergleichsweise große Lager- bzw. Rastfläche zur Verfügung steht, die die eigentliche Lageraufgabe übernimmt.
Im Unterschied zu aus dem Stand der Technik bekannten Axiallagern, weist das erfindungsgemäße Axiallager 1 keine Keilflächen mehr auf, so dass die Öltaschen 4 in Umfangsrichtung 5 stets direkt in die umliegenden Plateauflächenabschnitte 6 übergehen, was den großen Vorteil bietet, dass das erfindungsgemäße Axiallager 1 drehrichtungsunabhängig eingesetzt werden kann. Die zur Erzeugung des hydrodynamisch Öldrucks erforderlichen Keilflächen werden bei dem erfindungsgemäßen Axiallager 1 durch eine plane, nicht gezeigte Gegenlaufscheibe erzielt, die aufgrund einer Taumelbewegung im Betrieb des Abgasturboladers 2 die jeweiligen Keilflächen schafft.
Betrachtet man die 2 und 3 näher, so kann man erkennen, dass eine maximale axiale Tiefe t zumindest einer Öltasche 4 zwischen 10 µm und 1000 µm, vorzugsweise sogar in einem deutlich engeren Bereich zwischen 20 µm und 150 µm liegt. Dieser vergleichsweise große mögliche Bereich der Tiefe t der jeweiligen Öltaschen 4 ermöglicht dadurch auch vergleichsweise große Toleranzen, welche die Herstellung des erfindungsgemäßen Axiallagers 1 vereinfachen und damit kostengünstiger ermöglichen.
Ebenfalls aus den 2 und 3 erkennbar ist, dass die zumindest eine Öltasche 4 einen in Radialrichtung abgeschrägten Taschenboden 7 aufweist, wobei die Tiefe t nach radial innen zunimmt. Dies ermöglicht eine Förderung von Schmieröl allein aufgrund der im Betrieb auftretenden Zentrifugalkräfte nach außen, wobei in diesem Fall der Taschenboden 7 ebenfalls eine Art Keilfläche darstellt, die jedoch im Unterschied zu den aus dem Stand der Technik bislang bekannten Axiallagern nicht in Umfangsrichtung, sondern in Radialrichtung ansteigt.
Betrachtet man nochmals die 1, so kann man in dieser erkennen, dass die zumindest eine Öltasche 4 einen Umfangswinkel α und der zumindest eine Plateauflächenabschnitt 6 einen Umfangswinkel β überdecken, wobei üblicherweise gelten soll, dass 0,5 β < α < 2,0 β. Besonders bevorzugt ist dabei, dass die Umfangswinkel α und β gleich groß sind, so dass sich die Öltaschen 4 und die Plateauflächenabschnitte 6 in Umfangsrichtung 5 alternierend jeweils gleich weit erstrecken.
Betrachtet man die 2 und 4 weiter, so kann man erkennen, dass dort jeweils zumindest ein Ölzulauf 8 vorgesehen ist, der gemäß den 2 und 4 in die Durchtrittsöffnung 3 mündet und zusätzlich gemäß der 4 auch in die Plateaufläche 6'. Besonders die Mündung des Ölzuführkanals 8 in die Durchtrittsöffnung 3 ermöglicht einen Schmierfilm zwischen einer in der Durchtrittsöffnung 3 angeordneten Welle, welcher anschließend über die Öltaschen 4 radial nach außen auf die Plateaufläche 6' gefördert wird. Die Förderung des Ölfilms übernimmt dabei die sich drehende Gegenlaufscheibe, die aufgrund ihrer Taumelbewegung die zur Ölförderung erforderliche Keilfläche bildet. Die von der Gegenlaufscheibe aufgrund ihrer Taumelbewegung erzeugte Keilfläche wirkt zur Axiallagerung mit den Plateauflächenabschnitten 6 und der Plateaufläche 6' des Axiallagers 1 zusammen und bewirkt dort die Erzeugung des die Lagerung bewirkenden Ölfilms.
Betrachtet man die Öltaschen 4 gemäß den 1 bis 3, so kann man erkennen, dass die dort gezeigte Ausführungsform geradlinige Radialkanten 9 sowie eine in Umfangsrichtung 5 gekrümmte Außenkante 10 aufweist. Gemäß der 4 gezeigten Axiallager 1 besitzt die Öltasche 4 eine durchgehende abgerundete Außenkante 10'. Diese kann in Radialabschnitten 9' radial in die Durchgangsöffnung 3 münden. Die Radialkanten 9, die Außenkante 10 und/oder die Außenkante 10' können dabei geknickt in die zugehörige Plateaufläche 6' übergehen, oder aber abgerundet, was die Erzeugung eines Ölfilms zusätzlich verbessert.
Die Alternative mit den geradlinigen Radialkanten 9 ermöglicht eine vergleichsweise einfache und damit auch kostengünstige Herstellung, während die Variante mit der abgerundeten Außenkante 10 eine geringere Verformung außerhalb der Öltaschen 4 und dadurch eine bessere Ebenheit/Parallelität im Übergangsbereich (Dichtfunktion) sowie einen einfacheren Prägestempel bietet.
Besonders bevorzugt, da kostengünstig wären vermutlich sehr tiefe Öltaschen 4 mit einer Tiefe t von ca. 0,3mm, weil derartige Öltaschen 4 dann direkt in einem Rohteil eingebracht werden könnten und der Prozessschritt Prägen komplett entfallen könnte. Außerdem würde es dann auch keine nachträgliche Verformung mehr durch das Prägen geben und dadurch eine bessere Ebenheit/Parallelität.
Mit dem erfindungsgemäßen Axiallager 1 lässt sich dieses deutlich einfacher und damit kostengünstiger herstellen und zudem mit dem Vorteil, dass dieses drehrichtungsunabhängig eingebaut werden kann. Hierdurch entfallen insbesondere die hierfür bislang erforderlichen Kontrollerfordernisse bei der Montage.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19641673 B4 [0002]
EP 3091242 A1 [0003]
EP 1644647 B1 [0004]

Claims

Axiallager (1), insbesondere für einen Abgasturbolader (2), das im Wesentlichen eine scheibenförmige Gestalt und eine zentrisch angeordnete Durchtrittsöffnung (3) für eine Welle aufweist, gekennzeichnet durch wenigstens eine kreissegmentartige Öltasche (4), die zur Durchtrittsöffnung (3) hin offen ist und in beide Umfangsrichtungen (5) gesehen in einen sich direkt daran anschließenden Plateauflächenabschnitt (6) übergeht.
Axiallager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei, vorzugsweise drei, kreissegmentartige Öltaschen (4) vorgesehen sind, die in beide Umfangsrichtungen (5) gesehen in zwei, vorzugsweise drei, dazwischen angeordnete Plateauflächenabschnitte (6) übergehen.
Axiallager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, - dass eine maximale Tiefe t zumindest einer Öltasche (4) 10µm < t < 1.000µm beträgt, oder - dass eine maximale Tiefe t zumindest einer Öltasche (4) ca. 300 µm beträgt.
Axiallager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Tiefe t zumindest einer Öltasche (4) 20µm < t < 150µm beträgt.
Axiallager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Öltasche (4) geradlinige Radialkanten (9) und eine gekrümmte Außenkante (10) oder eine durchlaufend abgerundete Außenkante (10') aufweist.
Axiallager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Öltasche (4) einen in Radialrichtung abgeschrägten Taschenboden (7) aufweist, wobei eine Tiefe t nach radial innen zunimmt.
Axiallager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Öltasche (4) einen Umfangswinkel α und der zumindest eine Plateauflächenabschnitt (6) einen Umfangswinkel β überdeckt, wobei gilt, 0,5 β < α < 2,0 β.
Axiallager nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Öltasche (4) einen Umfangswinkel α und der zumindest eine Plateauflächenabschnitt (6) einen Umfangswinkel β überdeckt, wobei α = β gilt.
Axiallager nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Ölzulauf (8) vorgesehen ist, der in wenigstens eine Plateaufläche (6'), in die Öltasche (4) oder in die Durchtrittsöffnung (3) mündet.
Axiallager nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Plateaufläche (6') die Öltasche und die Plateauflächenabschnitte (6) (4) radial außen umgibt.
Abgasturbolader (2) mit einer Welle, wenigstens einem Axiallager (1) mit den Merkmalen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 und mit einer planen Gegenlaufscheibe, die im Betrieb aufgrund einer Taumelbewegung zusammen mit dem Axiallager (1) einen axiallagernden Ölfilm erzeugt.