DE102018212263B4

DE102018212263B4 - Abgasturbolader mit Entkopplung des Axiallagers vom Lagergehäuse

Info

Publication number: DE102018212263B4
Application number: DE102018212263.6A
Authority: DE
Inventors: Stefan Reuter; Achim Koch; Jan Ehrhard; Jochen Held
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2018-07-24
Filing date: 2018-07-24
Publication date: 2022-10-13
Anticipated expiration: 2038-07-25
Also published as: WO2020020513A1; DE102018212263A1

Abstract

Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine mit einer Welle (1), einem drehfest an der Welle (1) angeordneten Turbinenrad (12), einem drehfest an der Welle angeordneten Verdichterrad (14), einem die Welle (1) aufnehmenden Lagergehäuse (7) und einer Lageranordnung für die Welle (1) mit mindestens einem Radiallager (10) und mindestens einem Axiallager (2) in Form einer Lagerscheibe, die über eine Befestigungseinheit am Lagergehäuse (7) fixiert ist, wobei zwischen Axiallager (2) und Lagergehäuse (7) mindestens ein Schwingungsdämpfungselement (8) in der Form eines aus mehreren benachbarten Schichten (21) eines gewellten Drahtgewebes, -gewirkes oder -geflechtes zusammengesetzten Korpus axial verspannt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine mit einer Welle, einem drehfest an der Welle angeordneten Turbinenrad, einem drehfest an der Welle angeordneten Verdichterrad, einem die Welle aufnehmenden Lagergehäuse und einer Lageranordnung für die Welle mit mindestens einem Radiallager und mindestens einem Axiallager.
Das klassische Lagersystem von Abgasturboladern moderner Verbrennungsmotoren besteht aus zwei Schwimmbuchsen aufweisenden Radiallagern und einem Axiallager. Die Schwimmbuchsen nehmen Radialkräfte und das Axiallager Axialkräfte auf. Zwischen der Radial- und der Axiallagerung treten Wechselwirkungen auf, die unter Umständen die robuste Funktion des Lagersystems gefährden oder zu akustischen Auffälligkeiten führen können.
Wird das Axiallager im Betrieb in Schwingungen versetzt, kann die Radiallagerung aufgrund der vorstehend beschriebenen Wechselwirkungen in ihrer Funktion zur Aufnahme von Radialkräften gestört werden, was zum Ausfall des Abgasturboladers führen kann. Diese Axialschwingungen sind besonders intensiv, wenn die Anregung des Axiallagers im Bereich seiner Eigenfrequenz oder deren Harmonischen erfolgt, welche üblicherweise in der Größenordnung der Drehfrequenz des Rotors liegen. Neben der Beeinträchtigung der Lagerrobustheit können Axialschwingungen über den akustischen Transferpfad zum Empfänger geleitet werden und zu akustischen Auffälligkeiten führen.
Es ist bekannt, durch eine Versteifung des Axiallagers sowohl die Eigenfrequenz des Bauteils aus dem kritischen Bereich zu verschieben als auch die Schwingbewegung zu verändern. Diese Versteifung kann beispielsweise durch eine optimierte Verschraubung, Materialänderung und Aufdickung des Axiallagers erfolgen. Alle diese Maßnahmen nehmen jedoch Einfluss auf den Bauraum oder die Lagerungseigenschaften der Axiallagerkomponenten. Akustische Auffälligkeiten können hierdurch nur bedingt beeinflusst werden.
Aus der US 2017/0191377 A1 ist ein Turbolader mit den eingangs angeführten Merkmalen bekannt. Der Turbolader weist eine Welle mit einem Radiallager auf, das zumindest teilweise die Welle umgibt. Ein Dämpfungselement umgibt teilweise das Radiallager, wobei das Dämpfungselement so konstruiert und angeordnet ist, dass es eine Axialbewegung des Radiallagers beschränkt. Das Dämpfungselement weist eine Vielzahl von Schichten auf, die mindestens eine Kunststoffschicht und mindestens eine Metallschicht umfassen.
Die DE 32 41 566 A1 beschreibt ein hydrodynamisches Fluidfilmlager mit einem stationären Tragteil und einem drehbaren Lagerteil, das im Abstand vom stationären Tragteil angeordnet ist. Zwischen diesen beiden Lagerteilen ist eine Folie mit übereinander angeordneten elastischen Unterlagen angeordnet, die axial mit der Folie ausgerichtet sind. Diese Mittel sorgen für entsprechende Dämpfungseigenschaften.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Abgasturbolader der eingangs beschriebenen Art zur Verfügung zu stellen, der ein besonders gutes akustisches Verhalten aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Abgasturbolader gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird somit an der Schnittstelle zwischen Lagergehäuse und Axiallager zur Dämpfung von Axiallagerschwingungen, welche die Radiallagerung negativ beeinflussen, mindestens ein Schwingungsdämpfungselement angeordnet und durch die Befestigung des Axiallagers am Lagergehäuse entsprechend verspannt. Das mindestens eine Schwingungsdämpfungselement dämpft aufgrund der inneren Reibung des Drahtkorpus die vom Axiallager auf das Lagergehäuse übertragenen Schwingungen und führt zu einer Entkopplung des Axiallagers vom Lagergehäuse im relevanten Frequenzbereich. Somit werden die Schwingungen des Axiallagers im gesamten Anregungsbereich reduziert und Zwangskräfte vom Axiallager auf das Radiallagersystem gemindert, wodurch die Robustheit des Turboladers erhöht wird. Akustische Auffälligkeiten können somit minimiert werden, indem die Schallquelle direkt gedämpft wird. Eine Optimierung des Transferpfades für die Schallübertragung ist nicht erforderlich. Vorzugsweise ist das Schwingungsdämpfungselement so ausgebildet, dass eine Temperaturbeständigkeit bis ca. 350°C gegeben ist.
Das erfindungsgemäß eingesetzte mindestens eine Schwingungsdämpfungselement ist als aus mehreren benachbarten Schichten eines gewellten Drahtgewebes, -gewirkes oder -geflechtes zusammengesetzter Korpus ausgebildet, der zwischen dem Axiallager und dem Lagergehäuse angeordnet und dort verspannt ist. Die äußere Form der Schwingungsdämpfungselemente spielt dabei für die Erfindung nur eine untergeordnete Rolle, so dass das Schwingungsdämpfungselement beispielsweise als Block, Scheibe, aufgerolltes Element oder Hohlzylinder ausgebildet sein kann. Wesentlich ist, dass sich der Korpus aus mehreren Schichten eines gewellten Drahtgebildes zusammensetzt, bei dem es sich beispielsweise um ein gewebtes, gewirktes oder geflochtenes Gebilde handeln kann. Wesentlich ist ferner, dass das Drahtgebilde eine Wellung aufweist, so dass benachbarte Schichten des Drahtgebildes vorwiegend über die entsprechenden Wellenberge in Kontakt miteinander stehen und somit dazwischen entsprechende Freiräume vorhanden sind. Aufgrund der Reibung der Drahtabschnitte des Drahtgebildes aneinander werden die vom Axiallager kommenden Schwingungen gedämpft, wodurch die auf das Lagergehäuse übertragene Schwingungsenergie reduziert wird.
Wie oben bereits erwähnt, spielt die Form des Schwingungsdämpfungselementes für den erfindungsgemäßen Effekt nur eine untergeordnete Rolle. So kann das Schwingungsdämpfungselement beispielsweise als Vollelement oder Hohlelement ausgebildet sein und in Kombination mit entsprechenden Befestigungsarten oder Befestigungselementen für das Axiallager eingesetzt werden. Die Erfindung ist jedenfalls nicht auf spezielle Befestigungsarten des Axiallagers am Lagergehäuse beschränkt. Beispielsweise können diese miteinander verschraubt oder auch verklemmt sein. Bei einer speziellen Ausführungsform der Erfindung ist das Schwingungsdämpfungselement als Hohlzylinder ausgebildet. Hierbei kann es ein Befestigungselement zwischen dem Axiallager und dem Lagergehäuse umgeben, wobei sich beispielsweise eine Schraube durch das hohlzylindrisch ausgebildete Schwingungsdämpfungselement erstrecken kann. Das als Hohlzylinder ausgebildete Schwingungsdämpfungselement umgibt dabei die Schraube und stützt sich mit seinen beiden Ringflächen (Stirnflächen) am Axiallager und am Lagergehäuse ab, wobei durch die Schraubverbindung die gewünschte axiale Verspannung des Schwingungsdämpfungselementes erreicht wird, die die Umwandlung der Schwingungsenergie in Reibung zwischen den einzelnen Schichten des Dämpfungselementes erzeugt.
Das mindestens eine Schwingungsdämpfungselement kann beispielsweise in einer Ausnehmung im Lagergehäuse und/oder Axiallager angeordnet sein. Bei einer anderen Ausführungsform ist das Schwingungsdämpfungselement zwischen zwei ebenen Endflächen des Lagergehäuses und Axiallagers angeordnet. In beiden Fällen wird erreicht, dass die beiden Teile, abgesehen von den Befestigungselementen, nur über das Schwingungsdämpfungselement oder die Schwingungsdämpfungselemente miteinander in Kontakt stehen, so dass eine Schwingungsübertragung im Wesentlichen nur über die Dämpfungselemente erfolgen kann.
Die Lagereinheit des Lagergehäuses weist vorzugsweise zwei Radiallager auf, die in bekannter Weise ausgebildet sein können, beispielsweise als Gleitlager mit Schwimmbuchse, als Wälzlager etc.
Das Axiallager ist vorzugsweise zwischen Lagergehäuse und Verdichterrad angeordnet und als Lagerscheibe ausgebildet, die unter Zwischenschaltung des mindestens einen Schwingungsdämpfungselementes mit dem Lagergehäuse verschraubt ist. Ansonsten kann die Axiallageranordnung in bekannter Weise ausgebildet sein und beispielsweise radial innen mit einer Dichtungsmanschette der Welle sowie axial mit einem Ölschleuderring benachbart zu einer Dichtungsbuchse und dem Verdichterrad zusammenwirken.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:

1 einen Axialschnitt durch einen Turbolader;
2 eine vergrößerte Detaildarstellung des Turboladers der 1;
3 eine schematische Darstellung des Befestigungsdetails der Axiallagerscheibe am Lagergehäuse; und
4 eine räumliche Darstellung eines Schwingungsdämpfungselementes

Der in 1 im Axialschnitt dargestellte Abgasturbolader besitzt eine Welle 1, auf der drehfest ein Verdichterrad 14 und ein Turbinenrad 12 angeordnet sind. Die Welle 1 ist drehbar in einem Lagergehäuse 7 angeordnet und besitzt eine Lageranordnung mit einem Radiallager 10, das zwei durch einen Abstandshalter 11 voneinander getrennte Gleitbuchsen aufweist, sowie dem Verdichterrad 14 zugewandt ein Axiallager 2 in Form einer Lagerscheibe. Radial innen steht das Axiallager 2 mit einer Lagermanschette 5 in Kontakt, zu der benachbart ein Ölschleuderring 20 sowie eine Dichtungsbuchse 4 angeordnet sind. Die Dichtungsbuchse 4 ist hierbei benachbart zum Verdichterrad 14 vorgesehen.
Radial außerhalb der Dichtungsbuchse 4 befindet sich eine Stützplatte 6, die mit dem Lagergehäuse 7 verschraubt ist.
Im vorliegenden Fall geht es um die Befestigung des Axiallagers 2 am Lagergehäuse 7. Einzelheiten hiervon sind in den Schemadarstellungen der 2 und 3 gezeigt. 2 als Teilaxialschnitt zeigt schematisch, wie das Axiallager 2 in Form einer Scheibe über eine Befestigungseinheit 3 am Lagergehäuse 7 fixiert ist. Einzelheiten der Befestigungseinheit 3 sind in 3 dargestellt. Hierbei handelt es sich um mindestens eine Schraube 9, mit der das Axiallager 2 am Lagergehäuse 7 fixiert ist. Die Schraube 9 ist von einem hohlzylindrisch ausgebildeten Schwingungsdämpfungselement 8 umgeben, das durch die Verschraubung des Axiallagers 2 mit dem Lagergehäuse 7 axial zusammengepresst wird. Hierdurch wird das Schwingungsdämpfungselement 8 unter Spannung gesetzt, so dass bei der Übertragung von Schwingungen vom Axiallager 2 auf das Lagergehäuse 7 diese Schwingungen durch innere Reibung innerhalb des Schwingungsdämpfungselementes 8 gedämpft und nur noch in reduziertem Ausmaß auf das Lagergehäuse 7 übertragen werden.
4 zeigt schematisch ein Schwingungsdämpfungselement 8, das als Hohlzylinder ausgebildet ist. Der Hohlzylinder besitzt mehrere aufgerollte Schichten 21 eines gewellten Drahtgeflechtes. Da sich hierbei nur die Wellenberge der aufgerollten Schichten kontaktieren, entstehen entsprechende Hohlräume. Durch die infolge der übertragenen Schwingungen erzeugte Reibung der Drahtabschnitte aneinander werden die Schwingungen gedämpft und wird die Schwingungsübertragung auf das Lagergehäuse reduziert.

Claims

Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine mit einer Welle (1), einem drehfest an der Welle (1) angeordneten Turbinenrad (12), einem drehfest an der Welle angeordneten Verdichterrad (14), einem die Welle (1) aufnehmenden Lagergehäuse (7) und einer Lageranordnung für die Welle (1) mit mindestens einem Radiallager (10) und mindestens einem Axiallager (2) in Form einer Lagerscheibe, die über eine Befestigungseinheit am Lagergehäuse (7) fixiert ist, wobei zwischen Axiallager (2) und Lagergehäuse (7) mindestens ein Schwingungsdämpfungselement (8) in der Form eines aus mehreren benachbarten Schichten (21) eines gewellten Drahtgewebes, -gewirkes oder -geflechtes zusammengesetzten Korpus axial verspannt ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingungsdämpfungselement (8) als Block ausgebildet ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingungsdämpfungselement (8) als Scheibe ausgebildet ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingungsdämpfungselement (8) als aufgerolltes Element ausgebildet ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingungsdämpfungselement (8) als Hohlzylinder ausgebildet ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das hohlzylindrisch ausgebildete Schwingungsdämpfungselement (8) ein Befestigungselement für das Axiallager (2) umgibt.
Abgasturbolader nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine Schraube (9) durch das hohlzylindrisch ausgebildete Schwingungsdämpfungselement (8) erstreckt.
Abgasturbolader nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Axiallager (2) zwischen Lagergehäuse (7) und Verdichterrad (14) angeordnet ist.