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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lagereinheit für einen Turbolader oder eine Abgasnutzturbine, sowie einen Turbolader und eine Abgasnutzturbine mit einer solchen Lagereinheit.
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Eine gattungsgemäße Lagereinheit wird in
DE 10 2017 205 668 A1 offenbart. Bei dieser Lagereinheit ist die Turbinenwelle mit wenigstens zwei Wälzkörperreihen gelagert, die Lagerlaufbahnen in wenigstens zwei Lageraußenringen und wenigstens einem Lagerinnenring aufweisen. Alternativ kann auch eine sogenannte Direktlagerung vorgesehen sein, bei welcher die inneren Laufbahnen der Wälzkörperreihen durch eine äußere Oberfläche der Turbinenwelle gebildet werden.
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Eine weitere Lagereinheit für einen Abgasturbolader oder eine Abgasnutzturbine mit wenigstens einem Lagerinnenring und wenigstens zwei Lageraußenringen wird in
DE 10 2016 209 149 A1 offenbart. Bei dieser Lagereinheit sind die Lageraußenringe elastisch gegenüber einem in der Axialrichtung zwischengeordneten Zwischenstück abgestützt.
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DE 10 2010 054 996 A1 offenbart eine Lagereinheit für einen Turbolader, bei welcher die beiden Lagerringe entweder einteilig oder zweiteilig gefertigt sein können. Bei einer zweiteiligen Fertigung des äußeren Lagerrings ist beispielsweise eine Beabstandung der beiden Teilringe mittels eines vorgespannten Federelementes denkbar. Der innere Lagerring kann einteilig gefertigt und auf die Turbinenwelle aufgepresst werden, wobei durch die einteilige Fertigung des Lagerinnenrings dieser zugleich als Transportsicherung dient.
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In der Praxis überwiegen bei der Lagerung für einen Turbolader Ausgestaltungen mit einer Kugellager-Kartusche, die einen einteiligen Lageraußenring und zwei in der Axialrichtung nebeneinander auf der Turbinenwelle positionierte Lagerinnenringe aufweist. Durch den relativ komplexen einteiligen Lageraußenring ist die Kugellager-Kartusche vergleichsweise teuer. Insbesondere ist der Rohmaterialbedarf für den Lageraußenring recht hoch und es muss zudem ein hochpreisiges Rohmaterial verwendet werden. Außerdem ist die Toleranz des axialen Endspiels bei einer erforderlichen Massenfertigung relativ hoch, was zu einer Streuung in der Turboladerperformance beiträgt, insbesondere bezüglich des Laufgeräusches, der Lebensdauer und der Leistungsaufnahme.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lagereinheit für einen Turbolader oder eine Abgasnutzturbine anzugeben, die eine äußerst kleine Axialspieltoleranz in der Praxis sicherstellt, um eine Varianz in der Leistungsfähigkeit des Turboladers oder der Abgasnutzturbine, insbesondere bezüglich des Laufgeräusches, der Lebensdauer und der Leistungsaufnahme, zu minimieren. Die Lagereinheit soll ferner vergleichsweise kostengünstig in der Massenfertigung herstellbar sein. Ein weiteres Ziel ist die präzise, einfache und somit kostengünstige Montage des Lagersystems auf die Turbinenwelle und in das Gehäuse.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine Lagereinheit mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen werden besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Lagereinheit, sowie ein Turbolader und eine Abgasnutzturbine mit einer solchen Lagereinheit angegeben.
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Die erfindungsgemäße Lagereinheit für einen Turbolader oder eine Abgasnutzturbine weist wenigstens einen Lageraußenring auf. Insbesondere sind wenigstens zwei oder genau zwei Lageraußenringe vorgesehen.
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Die Lagereinheit umfasst einen ein- oder mehrteiligen Lagerinnenring, bevorzugt einen einteiligen Lagerinnenring. Ein solcher einteiliger Lagerinnenring erstreckt sich vom ersten axialen Ende bis zum entgegengesetzten zweiten axialen Ende der Lagereinheit. Bei einer zweiteiligen Ausführungsform liegen die Lagerinnenringe bevorzugt stirnseitig unmittelbar aneinander an.
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Die erfindungsgemäße Lagereinheit weist wenigstens zwei Wälzkörperreihen an entgegengesetzten axialen Enden der Lagereinheit auf, wobei der wenigstens eine Lageraußenring radial äußere Lagerlaufbahnen der Wälzkörperreihen bildet und der Lagerinnenring radial innere Laufbahnen der Wälzkörperreihen bildet. Die Lagerlaufbahnen sind bezüglich der Wälzkörper in den Wälzkörperreihen insbesondere derart positioniert, dass die Lagereinheit als Wälzlagereinheit mit sogenannter O-Anordnung ausgeführt ist. Bei einer solchen O-Anordnung ist die Anstellung derart, dass die Kraftflusslinien durch die Lager einen Druckmittelpunkt axial außerhalb der Wälzkörperreihen, zumindest außerhalb der axialen Mitte derselben, aufweisen. Die Lageraußenringe weisen hierfür axial innerhalb der Wälzkörperreihen einen vorstehenden Bund auf, gegen welchen sich die Wälzkörper der Wälzkörperreihen in Axialrichtung oder in Axial-Radialrichtung anlegen können. Der Lagerinnenring kann axial außerhalb der Wälzkörperreihen im Bereich beider axialen Enden jeweils einen entsprechenden Bund aufweisen, an welchen sich die Wälzkörper entsprechend in Axialrichtung beziehungsweise Axial-Radialrichtung anlegen können.
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Erfindungsgemäß weist der Lagerinnenring eine innere Axialbohrung auf, mittels welcher er auf eine Turbinenwelle aufschiebbar ist. Beispielsweise kann der Lagerinnenring auf die Turbinenwelle, die in die Axialbohrung eingeführt wird, aufgepresst werden.
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Erfindungsgemäß weist nun der Lagerinnenring in der inneren Axialbohrung oder angrenzend an der inneren Axialbohrung einen radial nach innen gerichteten Flansch, auch Innenflansch genannt, auf, der einen Axialanschlag für die Turbinenwelle ausbildet. Somit bildet der radial nach innen gerichtete Flansch einen Bund, der innerhalb einer senkrecht zur Drehachse des Lagerinnenrings ausgerichteten Ebene oder auch winklig hierzu verläuft und der beim Aufschieben des Lagerinnenrings auf die Turbinenwelle an deren Stirnseite oder einem radial äußeren Bund der Turbinenwelle anstößt und damit die Axialposition des Lagerinnenrings relativ zur Turbinenwelle exakt festlegt. Der Flansch kann demgemäß bearbeitet, insbesondere planbearbeitet sein, um Toleranzen zu minimieren.
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Bevorzugt ist der Flansch an einem axialen Ende des Lagerinnenrings positioniert, insbesondere derart, dass er axial außerhalb der Turbinenwelle positioniert ist, wenn der Lagerinnenring in seiner Endposition mit dem Flansch in der Axialrichtung anschlagend auf der Turbinenwelle positioniert ist. Das bedeutet, dass sich die Turbinenwelle nicht in der Axialrichtung in den Flansch hinein erstreckt.
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Der Flansch kann derart axial außen im Bereich des axialen Endes des Lagerinnenrings positioniert sein, das er auf einer dem Axialanschlag abgewandten Seite eine Stirnseite des Lagerinnenrings ausbildet. Diese Stirnseite kann dann beispielsweise eine Anschlagfläche für ein stirnseitig an der Turbinenwelle anzuschließendes Bauteil, beispielsweise eine Dichthülse, ein Turbinenrad, ein Verdichterrad, ein Ritzel oder den Rotor eines elektrischen Generators bilden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Flansch radial innen geschlossen. Gemäß einer anderen, bevorzugten Ausgestaltung erstreckt sich die innere Axialbohrung des Lagerinnenrings bis durch den Flansch hindurch, das heißt der Flansch umschließt einen Abschnitt der inneren Axialbohrung, der einen reduzierten Durchmesser aufweist, im Vergleich zu wenigstens einem nebengeordneten, sich in der Axialrichtung anschließenden Abschnitt.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der Lagerinnenring an seinen beiden axialen Enden einen größeren Außendurchmesser auf als in einem zwischen diesen beiden axialen Enden positionierten mittleren Axialabschnitt.
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Beispielsweise erweitert sich der Außendurchmesser des Lagerinnenrings ausgehend vom mittleren Axialabschnitt zu den axialen Enden mit dem vergleichsweise größeren Außendurchmesser konisch in jeweils einem Übergangsabschnitt, und die inneren Laufbahnen der Wälzkörperreihen können insbesondere innerhalb der Übergangsabschnitte angeordnet sein. Beispielsweise werden die inneren Laufbahnen durch in die Übergangsabschnitte eingebrachte Umfangsrinnen auf dem radial äußeren Umfang des Lagerinnenrings gebildet.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Flansch axial außerhalb der genannten Übergangsabschnitte positioniert, das heißt ausgehend vom mittleren Axialabschnitt an einem axialen Ende des Lagerinnenrings auf der abgewandten axialen Seite jenseits des entsprechenden Übergangabschnittes.
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Insbesondere, wenn die inneren Laufbahnen in Form von Umfangsrinnen auf der radialen Außenseite des Lagerinnenrings vorgesehen sind, kann der Flansch auch zusammen mit einer radial inneren Laufbahn in einer gemeinsamen Ebene, die senkrecht zur Drehachse des Lagerinnenrings verläuft, positioniert sein. Dadurch wird eine Materialschwächung beziehungsweise Materialreduzierung durch die Umfangsrinne auf der radialen Außenseite des Lagerinnenrings durch das zusätzliche Material des Flansches auf der radialen Innenseite ausgeglichen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind wenigstens zwei Lageraußenringe, insbesondere genau zwei Lageraußenringe, die bevorzugt jeweils einteilig ausgeführt sind, vorgesehen, und ein ringförmiges Abstandselement ist in Axialrichtung zwischen den beiden Lageraußenringen positioniert, sodass sich die beiden Lageraußenringe beidseitig am Abstandselement abstützen können, elastisch oder unelastisch. Bevorzugt ist das Abstandselement über seinem Umfang derart unterbrochen oder unterbrechbar, dass es bei einer in den Wälzkörperreihen gelagerten Turbinenwelle radial von außen zwischen die beiden Lageraußenringe und über die Turbinenwelle aufschiebbar ist.
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Die Wälzkörper können beispielsweise in Form von Kugeln ausgeführt sein. Jedoch kommen auch andere Formen in Betracht, beispielsweise Zylinder oder Rollen.
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Die Wälzkörper werden bevorzugt in Käfigen geführt. Jedoch können auch käfigfreie Lösungen ausgeführt werden.
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Der einteilige Lagerinnenring hält die verschiedenen Bauteile der Lagereinheit in der Axialrichtung zusammen und ermöglicht eine enge Axialspieltoleranz der Lagereinheit. Dadurch, dass der Lagerinnenring mit dem erfindungsgemäßen Flansch ausgeführt ist, der einen Axialanschlag für die Turbinenwelle ausbildet, wird auch ein Axialspiel beziehungsweise variierendes Axialspiel zwischen dem Lagerinnenring und der Turbinenwelle und damit anderen an der Turbinenwelle angeschlossen Bauteilen, wie beispielsweise dem Turbinenrad, dem Verdichterrad, einem Ritzel und/oder einem Rotor eines Generators vermieden oder reduziert.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Flansches ist, dass ein Laufbahnabstand der Wälzkörperreihen nicht durch die axiale Anzugskraft einer Anzugsschraube, mit welcher ein Bauteil stirnseitig an der Turbinenwelle angeschlossen wird, beeinflusst wird. Auch hierdurch verringert sich die Varianz des Axialspiels der Lagereinheit nach der Turbinenwellenmontage.
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Die Breite des Abstandselementes, das heißt dessen Erstreckung in der Axialrichtung, ist bevorzugt hinsichtlich einer Axialtoleranz zwischen dem Abstandselement und den Lageraußenringen bezogen auf den jeweiligen Einsatzfall optimiert. So kann die Breite beziehungsweise die Axialtoleranz in Abhängigkeit des im Einzelfall vorgesehen Lagerinnenrings, der Wälzkörper und/oder der konkreten Ausgestaltung der Lageraußenringe gewählt werden.
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Eine elastische Verspannung der Lageraußenringe gegenüber dem Abstandselement und/oder gegeneinander kann beispielsweise durch Vorsehen wenigstens einer Wellfeder oder wenigstens einer anderen Druckfeder erreicht werden, über welche die Lageraußenringe am Abstandselement und/oder gegeneinander abgestützt sind. Die Lageraußenringe und/oder das Abstandselement können verdrehsicher in einem die Lageraußenringe und/oder das Abstandselement umschließenden Lagergehäuse positioniert sein. Beispielsweise kann das Abstandselement im Gehäuse verschraubt sein oder eine Radialbohrung aufweisen, in die ein Bolzen und/oder eine Schraube, der/die im Gehäuse verankert ist, eingreift. Ein solcher Bolzen und/oder eine solche Schraube können auch in die genannte Umfangsunterbrechung eingreifen.
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Das Abstandselement und/oder die Lageraußenringe kann/können schwimmend im Lagergehäuse gelagert sein. Insbesondere sind nur die Lageraußenringe schwimmend im Lagergehäuse gelagert.
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Insbesondere, wenn die Umfangsunterbrechung des Abstandselementes nach unten ausgerichtet ist, was durch eine entsprechende Verdrehsicherung des Abstandselementes gewährleistet werden kann, wird das Ablaufen von Öl aus dem Lagerinneren erleichtert. Eine Ölzuführung in das Lagerinnere kann beispielsweise ebenfalls über das Abstandselement erfolgen, beispielsweise über eine Bohrung oder einen Durchgangsschlitz auf dessen Oberseite, insbesondere in einer der beiden Stirnseiten. Eine solche Bohrung oder ein solcher Schlitz kann beispielsweise um 180° versetzt zur Umfangsunterbrechung positioniert sein.
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Ein erfindungsgemäßer Turbolader weist eine Turbinenwelle auf, die in einer erfindungsgemäßen Lagereinheit gelagert ist, sowie ein an der Turbinenwelle angeschlossenes Turbinenrad und ein an der Turbinenwelle angeschlossenes Verdichterrad. Das Verdichterrad oder das Turbinenrad ist stirnseitig an der Turbinenwelle angeschraubt, und zwar derart, dass es den Flansch, der im Lagerinnenring radial nach innen gerichtet ist, gemeinsam mit der Turbinenwelle einklemmt. Dadurch wird die zuvor dargestellte Axialspielminimierung erreicht und sichergestellt, dass das Anzugsmoment einer entsprechenden Verschraubung für das Turbinenrad oder das Verdichterrad keinen Einfluss auf den Abstand der Lagerlaufbahnen hat.
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Bei einer erfindungsgemäßen Abgasnutzturbine sind entsprechend ein Turbinenrad und ein Abtriebsrad an der Turbinenwelle angeschlossen und das Turbinenrad oder das Abtriebsrad klemmt den Flansch in Axialrichtung gemeinsam mit der Turbinenwelle ein. Das Abtriebsrad kann beispielsweise ein Ritzel sein oder auch der Rotor eines elektrischen Generators. Andere Abtriebsräder kommen ebenfalls in Betracht, beispielsweise eine Riemenscheibe oder Radscheibe oder dergleichen.
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Die Verschraubung des Bauteils, das den Flansch in Axialrichtung gemeinsam mit der Turbinenwelle einklemmt, weist insbesondere eine einzige zentrale Schraube auf, die fluchtend zur Drehachse des Lagerinnenrings beziehungsweise der Turbinenwelle in die Turbinenwelle eingeschraubt wird.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren exemplarisch beschreiben werden.
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Es zeigen:
- 1 einen Axialschnitt durch eine erfindungsgemäße Lagereinheit;
- 2 einen Radialschnitt durch ein Abstandselement einer erfindungsgemäßen Lagereinheit;
- 3 eine dreidimensionale Explosionsdarstellung einer erfindungsgemäßen Lagereinheit;
- 4 eine gegenüber der 1 abgewandelte Ausführungsform;
- 5 eine in einer erfindungsgemäßen Lagereinheit montierte Turbinenwelle.
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In der 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Lagereinheit für einen Turbolader oder eine Abgasnutzturbine gezeigt. Die Lagereinheit umfasst zwei Lageraußenringe 1, 2, die einem einzigen Lagerinnenring 3 gegenüberstehen. In der Axialrichtung, in welcher die Drehachse 4, um welche der Lagerinnenring 3 umläuft, positioniert ist, ist zwischen den beiden Lageraußenringen 1, 2 ein Abstandselement 5 vorgesehen. Die beiden Lageraußenringe 1, 2 stützen sich mit ihren dem Abstandselement 5 zugewandten Stirnseiten unmittelbar am Abstandselement 5 ab. Alternativ könnte auch eine federelastische Abstützung vorgesehen sein.
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Das Abstandselement 5 kann beispielsweise in der Radialrichtung, in der Axialrichtung und/oder in der Umfangsrichtung in einem Lagergehäuse 6 abgestützt sein, wobei das Lagergehäuse 6 hier nur durch gestrichelte Linien angedeutet ist. Insbesondere ist das Abstandselement 5 zumindest in der Umfangsrichtung und in der Radialrichtung im Lagergehäuse 6 abgestützt. Alternativ kann es schwimmend im Lagergehäuse 6 gelagert sein. Die Lageraußenringe 1, 2 sind bevorzugt schwimmend im Lagergehäuse 6 gelagert.
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Der Lagerinnenring 3 ist über zwei Wälzkörperreihen 7, 8 in den Lageraußenringen 1, 2 gelagert. Wie durch die Linien des Kraftflusses angedeutet ist, weist die Lagereinheit eine O-Anordnung auf.
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Jeweils eine Wälzkörperreihe 7, 8 ist im Bereich jeweils eines axialen Endes der Lagereinheit vorgesehen. Jede Wälzkörperreihe 7, 8 weist eine Vielzahl von in der Umfangsrichtung hintereinander positionierten Wälzkörpern 9 auf. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Wälzkörper 9 in Käfigen 10 gehalten, dies ist jedoch nicht zwingend.
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Das Abstandselement 5 weist eine Umfangsunterbrechung 11 auf. Somit kann es radial von außen über den Lagerinnenring 3 geschoben werden. Auch dies ist nicht zwingend, so kommt auch eine ununterbrochene Ringform des Abstandselementes 5 in Betracht.
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Erfindungsgemäß weist der Lagerinnenring 3 eine innere Axialbohrung 12 auf, mit welcher der Lagerinnenring 3 auf eine Turbinenwelle geschoben werden kann, und in der inneren Axialbohrung 12 ist ein radial nach innen gerichteter Flansch 13 des Lagerinnenrings 3 vorgesehen, um einen Axialanschlag für die Stirnseite oder einen radial nach außen gerichteten Vorsprung der Turbinenwelle auszubilden. Der Axialanschlag ist mit 14 bezeichnet und in der Axialrichtung zur Mitte des Lagerinnenrings 3 ausgerichtet.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel erstreckt sich der Axialanschlag 14 ausschließlich innerhalb einer Ebene, die senkrecht zur Drehachse 4 verläuft. Alternativ könnte der Axialanschlag 14 auch schräg hierzu verlaufen, das heißt in dem gezeigten Axialschnitt in der 1 winklig zur Drehachse 4, mit einem Winkel kleiner oder größer als 90°.
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Bei der Ausgestaltung gemäß der 1 steht der Lagerinnenring 3 stirnseitig in der Axialrichtung nach außen über die Lageraußenringe 1, 2 über. Ebenso ist der Flansch 13 in der Axialrichtung zumindest teilweise außerhalb der Lageraußenringe 1, 2, hier herausragend aus dem Lageraußenring 1 positioniert.
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Bei der Ausgestaltung gemäß der 4 hingegen ist der Flansch 13 in der Axialrichtung innerhalb des Lageraußenrings 1 positioniert, bevorzugt in einem axialen Abschnitt, in dem auch die radial innere Laufbahn der Wälzkörperreihe 7 angeordnet ist. Dadurch wird eine Wandstärkenreduzierung des Lagerinnenrings 3 durch die zur Ausbildung der radial inneren Laufbahn vorgesehenen Umfangsrinne kompensiert.
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Bei den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen ist ein mittlerer Axialabschnitt des Lagerinnenrings 3 mit einer vergleichsweise geringeren Wandstärke ausgeführt. Die Verdickung an den axialen Enden ermöglicht besonders einfach die gezeigte O-Anordnung der Lagereinheit. Dies ist jedoch nicht zwingend.
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Gemäß einer weiteren, hier nicht dargestellten Ausführungsform könnte wenigstens ein Lageraußenring 1, 2 oder könnten beide Lageraußenringe 1, 2 in der Axialrichtung über den Lagerinnenring 3 heraus ragen.
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In der 5 ist exemplarisch eine innerhalb der Axialbohrung 12 des Lagerinnenrings 3 montierte Turbinenwelle 15 gezeigt, die mit ihrer Stirnseite 16 am Axialanschlag 14 des Flansches 13 anschlägt. Die Turbinenwelle 15 erstreckt sich demnach in der Axialrichtung nicht bis in den Flansch 13 hinein. Alternativ könnte sich die Turbinenwelle 15 bis in den Flansch 13 hinein oder durch diesen hindurch erstrecken und einen entsprechenden Vorsprung auf ihrem äußeren Durchmesser aufweisen, der am Axialanschlag 14 anschlägt.
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Die Turbinenwelle 15 trägt wenigstens ein Turbinenrad 17 an einem axialen Ende und an ihrem anderen axialen Ende ein Abtriebsrad 18, beispielsweise in Form eines Verdichterrads, Ritzels oder Rotors eines elektrischen Generators. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Abtriebsrad 18 mittels einer Schraube 19 an der Turbinenwelle 15 angeschraubt. Dabei presst die Schraube 19, die in ein Innengewinde in der Turbinenwelle 15 fluchtend zur Drehachse 4 eingeschraubt ist, das Abtriebsrad 18 gegen die axial äußere Stirnseite des Lagerinnenrings 3 und klemmt damit den Flansch 13 zwischen sich und der Turbinenwelle 15 in der Axialrichtung ein. Ein Anzugsmoment der Schraube 19 hat keinen Einfluss auf den Abstand der Wälzkörperreihen 7, 8 oder von deren Lagerlaufbahnen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lageraußenring
- 2
- Lageraußenring
- 3
- Lagerinnenring
- 4
- Drehachse
- 5
- Abstandselement
- 6
- Lagergehäuse
- 7
- Wälzkörperreihe
- 8
- Wälzkörperreihe
- 9
- Wälzkörper
- 10
- Käfig
- 11
- Umfangsunterbrechung
- 12
- Axialbohrung
- 13
- Flansch
- 14
- Axialanschlag
- 15
- Turbinenwelle
- 16
- Stirnseite
- 17
- Turbinenrad
- 18
- Abtriebsrad
- 19
- Schraube
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017205668 A1 [0002]
- DE 102016209149 A1 [0003]
- DE 102010054996 A1 [0004]
