DE102019127627A1

DE102019127627A1 - Vollständig schwimmendes lager und turbolader, der dieses beinhaltet

Info

Publication number: DE102019127627A1
Application number: DE102019127627.6A
Authority: DE
Inventors: Kenneth Bischof; Zachary S. Ashton
Original assignee: BorgWarner Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 2018-10-12
Filing date: 2019-10-14
Publication date: 2020-04-16
Also published as: KR20200041818A; CN209457988U; CN111042877A; JP2020060187A; US10557498B1

Abstract

Ein vollständig schwimmendes Lager zur Verringerung von Schwingungen einer Welle eines Turboladers weist eine Zentralachse auf und beinhaltet eine äußere Oberfläche und eine innere Oberfläche. Die äußere Oberfläche ist dazu ausgestaltet, von der Zentralachse weg zu weisen. Die innere Oberfläche ist dazu ausgestaltet, der Zentralachse zugewandt zu sein, und ist radial von der äußeren Oberfläche so beabstandet, dass die innere Oberfläche dazu ausgestaltet ist, zwischen der Zentralachse und der äußeren Oberfläche angeordnet zu sein. Eine Öffnung ist zwischen der äußeren Oberfläche und der inneren Oberfläche definiert und dazu ausgestaltet, Schmiermittel zwischen der äußeren Oberfläche und der inneren Oberfläche strömen zu lassen. Die innere Oberfläche weist ein Oberflächenprofil auf, um Schwingungen der Welle des Turboladers zu reduzieren. Das Oberflächenprofil ist durch die Gleichung Ro = Rb + ASin(30 + Φ) definiert.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein vollständig schwimmendes Lager für einen Turbolader sowie einen Turbolader, der das vollständig schwimmende Lager beinhaltet.
Beschreibung des Standes der Technik
Drehende Maschinen, wie etwa Turbolader, werden in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, etwa in Kraftfahrzeugen, schwerer Ausrüstung, Dieselmotoren, Motoren und dergleichen. Typische Turbolader beinhalten ein Turbinenrad, eine Welle, die mit dem Turbinenrad gekoppelt und mit diesem drehbar ist und sich entlang einer Wellenachse erstreckt, ein Kompressorrad, das mit der Welle gekoppelt und durch diese drehbar ist, ein Lagergehäuse, das sich entlang der Wellenachse zwischen dem Turbinenrad und dem Kompressorrad erstreckt, und ein vollständig schwimmendes Lager, das um die Welle und in dem Lagergehäuse angeordnet ist, um die Welle drehbar zu lagern. Das vollständig schwimmende Lager, das die Welle drehbar lagert, weist eine Zentralachse auf und beinhaltet eine innere Oberfläche, die der Welle zugewandt ist. Die innere Oberfläche weist ein Oberflächenprofil auf, das kreisförmig ist.
Während des Betriebs des Turboladers wird Schmiermittel an die innere Oberfläche des vollständig schwimmenden Lagers und die Welle durch eine oder mehrere Öffnungen zugeführt, die durch das vollständig schwimmende Lager definiert werden, was zu einer Schmierung der inneren Oberfläche und der Welle führt. Die Schmierung der inneren Oberfläche und der Welle erlaubt es dem vollständig schwimmenden Lager, die Welle drehbar zu lagern, während ein Reibungsverschleiß des vollständig schwimmenden Lagers und der Welle verhindert wird. In herkömmlichen Turboladern führt das kreisförmige Oberflächenprofil des vollständig schwimmenden Lagers jedoch zu subsynchronen Schwingungen der Welle während des Betriebs des Turboladers. Diese subsynchronen Schwingungen der Welle sind, insbesondere wenn der Turbolader in Kraftfahrzeug-Anwendungen eingesetzt wird, aufgrund des dadurch entstehenden Geräuschs, das während des Betriebs des Turboladers entsteht, unerwünscht. Diese subsynchronen Schwingungen können auch zu einem vorzeitigen Versagen verschiedener Komponenten des Turboladers führen, wodurch die Lebensdauer des Turboladers verringert wird.
Darüber hinaus sind Versuche, für Kraftfahrzeug-Anwendungen ein vollständig schwimmendes Lager mit einem Oberflächenprofil zu konstruieren, das nicht kreisförmig ist, aufgrund der erhöhten Herstellungskosten, die mit der Herstellung eines Oberflächenprofils, das nicht kreisförmig ist, in Verbindung stehen, bisher erfolglos geblieben.
Somit herrscht weiter Bedarf danach, ein verbessertes vollständig schwimmendes Lager bereitzustellen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG UND VORTEILE
Ein Turbolader liefert Druckluft an einen Verbrennungsmotor und empfängt Abgas von dem Verbrennungsmotor. Der Turbolader beinhaltet ein Turbinenrad, eine Welle, die mit dem Turbinenrad gekoppelt und mit diesem drehbar ist, wobei sich die Welle entlang einer Wellenachse erstreckt, und ein Kompressorrad, das mit der Welle gekoppelt und durch die Welle drehbar ist, um komprimierte Luft an den Verbrennungsmotor zu liefern. Der Turbolader umfasst auch ein Lagergehäuse, das sich entlang der Wellenachse zwischen dem Turbinenrad und dem Kompressorrad erstreckt, wobei das Lagergehäuse einen Lagergehäuse-Innenraum definiert, und wobei das Lagergehäuse um die Welle so angeordnet ist, dass die Welle zumindest zum Teil in dem Lagergehäuse-Innenraum angeordnet ist. Der Turbolader umfasst ferner ein vollständig schwimmendes Lager, das um die Welle und in dem Lagergehäuse-Innenraum angeordnet ist, wobei das vollständig schwimmende Lager eine Zentralachse aufweist. Das vollständig schwimmende Lager beinhaltet eine äußere Oberfläche, die von der Zentralachse weg dem Lagergehäuse zugewandt ist, und eine innere Oberfläche, die der Welle zugewandt und radial von der äußeren Oberfläche in Bezug auf die Zentralachse beabstandet ist, so dass die innere Oberfläche zwischen der Zentralachse und der äußeren Oberfläche angeordnet ist. Das vollständig schwimmende Lager definiert eine Öffnung zwischen der äußeren Oberfläche (und) der inneren Oberfläche, die dazu ausgestaltet ist, Schmiermittel zwischen der äußeren Oberfläche und der inneren Oberfläche strömen zu lassen. Die innere Oberfläche weist ein Oberflächenprofil auf, um Schwingungen der Welle zu reduzieren. Das Oberflächenprofil ist durch eine Gleichung Ro = Rb + ASin(30 + Φ) definiert, wobei Ro ein Abstand von der Zentralachse zu der inneren Oberfläche für einen gegebenen Winkel θ ist, Rb ein durchschnittlicher Abstand von der Zentralachse zu der inneren Oberfläche ist, A eine Differenz zwischen einem maximalen Ro und Rb ist, θ von 0 bis 2π rad um die Zentralachse in Bezug auf eine Referenzlinie ist, die sich senkrecht von der Zentralachse durch die Öffnung erstreckt, und Φ eine Phasenverschiebung von 0 bis 2π rad ist.
Dementsprechend verringert das vollständig schwimmende Lager mit dem Oberflächenprofil, das durch die Gleichung Ro = Rb + ASin(30 + Φ) definiert wird, Schwingungen der Welle, was die NVH-Eigenschaften (d. h. Schwingungs- und Geräuschverhalten) des Turboladers verbessert, insbesondere wenn der Turbolader in Kraftfahrzeug-Anwendungen eingesetzt wird. Darüber hinaus kann das vollständig schwimmende Lager mit dem Oberflächenprofil, das durch die Gleichung Ro = Rb + ASin(30 + Φ) definiert wird, in einem Maßstab, der für Kraftfahrzeug-Anwendungen geeignet ist, hergestellt werden, ohne dass die Kosten im Vergleich mit herkömmlichen vollständig schwimmenden Lager mit einem Oberflächenprofil, das kreisförmig ist, wesentlich erhöht werden.
Figurenliste
Die Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung insbesondere in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlich werden:

1 ist eine schematische Darstellung eines Turboladers;
2 ist eine isometrische Ansicht eines vollständig schwimmenden Lagers gemäß einer Ausführungsform, wobei das vollständig schwimmende Lager eine innere Oberfläche mit einem Oberflächenprofil beinhaltet, das durch eine Gleichung Ro = Rb + ASin(30 + Φ) definiert ist;
3 ist eine isometrische Ansicht eines vollständig schwimmenden Lagers gemäß einer weiteren Ausführungsform, wobei das vollständig schwimmende Lager eine äußere Oberfläche, die eine Ringnut definiert, die dazu ausgestaltet ist, Schmiermittel zu empfangen, und eine innere Oberfläche mit einem Oberflächenprofil beinhaltet, das durch eine Gleichung Ro = Rb + ASin(30 + Φ) definiert ist;
4 ist eine Seitenansicht des vollständig schwimmenden Lagers von 3 und zeigt die Ringnut sowie eine Öffnung, die zwischen der äußeren Oberfläche und der inneren Oberfläche definiert und dazu ausgestaltet ist, Schmiermittel zwischen der (inneren) Oberfläche und der äußeren Oberfläche strömen zu lassen;
5 ist eine Querschnittsansicht des vollständig schwimmenden Lagers von 3 entlang der Linie 5-5 in 4; und
6 ist eine Querschnittsansicht des vollständig schwimmenden Lagers von 3 entlang der Linie 6-6 in 4.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungsfiguren, in denen gleiche Bezugszahlen sich innerhalb der verschiedenen Ansichten auf gleiche Teile beziehen, ist eine schematische Darstellung eines Turboladers 10 zum Empfang von Abgas von einem Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) und zur Zufuhr von Druckluft an den Verbrennungsmotor in 1 dargestellt. Obwohl nicht zwingend, wird der Turbolader 10 in der Regel in Kraftfahrzeug-Anwendungen, schwerer Ausrüstung, Dieselmotoren, Motoren und dergleichen eingesetzt. Der Turbolader 10 beinhaltet ein Turbinenrad 12, eine Welle 14, ein Kompressorrad 16, ein Lagergehäuse 18 und ein vollständig schwimmendes Lager 20.
Während des Betriebs des Turboladers 10 empfängt das Turbinenrad 12 Abgas von dem Verbrennungsmotor, was das Turbinenrad 12 veranlasst, sich zu drehen. Die Welle 14 ist mit dem Turbinenrad 12 gekoppelt und durch dieses drehbar. Die Welle 14 erstreckt sich entlang einer Wellenachse SA. Das Kompressorrad 16 ist mit der Welle 14 gekoppelt und durch die Welle 14 drehbar, um Druckluft an den Verbrennungsmotor zu liefern. Das Lagergehäuse 18 erstreckt sich entlang der Wellenachse SA zwischen dem Turbinenrad 12 und dem Kompressorrad 16. Wie in 1 dargestellt definiert das Lagergehäuse 18 einen Lagergehäuse-Innenraum 22 und ist um die Welle 14 herum so angeordnet, dass die Welle 14 zumindest zum Teil in dem Lagergehäuse-Innenraum 22 angeordnet ist. Das vollständig schwimmende Lager 20 ist um die Welle 14 und in dem Lagergehäuse-Innenraum 22 angeordnet. Das Lagergehäuse 18 ist mit einer Schmiermittelquelle gekoppelt, die Schmiermittel an den Lagergehäuse-Innenraum 22 und über einen oder mehrere Schmiermittelkanäle in dem Lagergehäuse-Innenraum 22, an das vollständig schwimmende Lager 20 zuführt.
Im Kontext dieser Offenbarung bezieht sich der Begriff „vollständig schwimmendes Lager“ auf ein Lager, das frei von jeglicher Kupplung mit dem Lagergehäuse 18 ist, so dass das vollständig schwimmende Lager 20 in Bezug auf das Lagergehäuse 18 frei um die Welle 14 drehbar ist. Das vollständig schwimmende Lager 20 ist von einem halb schwimmenden Lager zu unterscheiden. Ein halb schwimmendes Lager ist wirkmäßig mit dem Lagergehäuse 18 gekoppelt, so dass das halb schwimmende Lager sich in Bezug auf das Lagergehäuse 18 nicht frei um die Welle 14 drehen kann.
Weiter bezugnehmend auf 1 kann der Turbolader 10 auch ein Turbinengehäuse 24 und ein Kompressorgehäuse 26 beinhalten. Wenn das Turbinengehäuse 24 vorhanden ist, definiert das Turbinengehäuse 24 einen Turbinengehäuse-Innenraum 28, und ist das Turbinenrad 12 ist in dem Turbinengehäuse Innenraum 28 angeordnet. Wenn das Kompressorgehäuse 26 vorhanden ist, definiert das Kompressorgehäuse 26 einen Kompressorgehäuse-Innenraum 30 und ist das Kompressorrad 16 in dem Kompressorgehäuse-Innenraum 30 angeordnet.
Unter Bezugnahme auf 2 weist das vollständig schwimmende Lager 20 eine Zentralachse CA auf. Das vollständig schwimmende Lager 20 beinhaltet eine äußere Oberfläche 32, die dazu ausgestaltet ist, von der Zentralachse CA weg zu weisen. Wie in 1 dargestellt, ist, wenn das vollständig schwimmende Lager 20 in dem Turbolader 10 enthalten ist, die äußere Oberfläche 32 dem Lagergehäuse 18 zugewandt. Weiter bezugnehmend auf 2 beinhaltet das vollständig schwimmende Lager 20 eine innere Oberfläche 34, die dazu ausgestaltet ist, zu der Zentralachse CA zu weisen und radial von der äußeren Oberfläche 32 in Bezug auf die Zentralachse CA beabstandet zu sein, so dass die innere Oberfläche 34 dazu ausgestaltet ist, zwischen der Zentralachse CA und der äußeren Oberfläche 32 angeordnet zu sein. Wenn das vollständig schwimmende Lager 20 in dem Turbolader 10 enthalten ist, ist die innere Oberfläche 34 der Welle 14 zugewandt.
Weiter bezugnehmend auf 2 ist eine Öffnung 36 zwischen der äußeren Oberfläche 32 und der inneren Oberfläche 34 definiert und ist dazu ausgestaltet, dem Schmiermittel zu erlauben, zwischen der äußeren Oberfläche 32 und der inneren Oberfläche 34 zu strömen. Darüber hinaus erlaubt die Öffnung 36, dass das Schmiermittel, das an die äußere Oberfläche 32 des vollständig schwimmenden Lagers 20 über den einen oder die mehreren Schmiermittelkanäle in dem Lagergehäuse-Innenraum 22 zugeführt wird, zwischen der äußeren und inneren Oberfläche 32, 34 zu der Welle 14 strömen kann. Auf diese Weise erlaubt die Öffnung 36 eine Schmierung der inneren Oberfläche 34 und der Welle 14, was Reibungsverschleiß der inneren Oberfläche 34 des vollständig schwimmenden Lagers 20 und der Welle 14 während des Betriebs des Turboladers 10 verringert. Obwohl nicht zwingend, weist die Öffnung 36 in der Regel eine zylindrische Konfiguration auf, wie in 2 und 4 dargestellt. Es sollte jedoch klar sein, dass die Öffnung 36 eine beliebige Konfiguration aufweisen kann, die geeignet ist, um das Schmiermittel von der äußeren Oberfläche 32 an die innere Oberfläche 34 zu liefern, etwa eine rechteckige Konfiguration. In einigen Ausführungsformen ist die Öffnung 36 ferner als eine erste Öffnung 36 definiert.
Unter Bezugnahme auf 2, 3 und 5 weist die innere Oberfläche 34 ein Oberflächenprofil 38 auf, um Schwingungen, insbesondere subsynchrone Schwingungen, der Welle 14 zu reduzieren. Unter Bezugnahme auf 5 ist das Oberflächenprofil 38 durch eine Gleichung Ro = Rb + ASin(30 + Φ) definiert, wobei
Ro ein Abstand von der Zentralachse CA zu der inneren Oberfläche 34 für einen gegebenen Winkel θ ist,
Rb ein durchschnittlicher Abstand von der Zentralachse zu der inneren Oberfläche 34 ist,
A eine Differenz zwischen einem maximalen Ro und Rb ist,
θ von 0 bis 2π rad (0° bis 360°) um die Zentralachse CA in Bezug auf eine Referenzlinie L ist, die sich senkrecht von der Zentralachse CA durch die Öffnung 36 erstreckt, und
Φ eine Phasenverschiebung von 0 bis 2π rad (0° bis 360°) ist.
Weiter bezugnehmend auf 5 hat das Oberflächenprofil 38, das durch die Gleichung Ro = Rb + ASin(30 + Φ) definiert wird, drei äquivalente maximale Ro-Werte auf, die einen Kreis mit einem Radius Ro_max in Bezug auf die Zentralachse CA definieren. Es sollte klar sein, dass in dem Kontext dieser Offenbarung der maximale Ro-Wert austauschbar auch als Ro_max bezeichnet werden kann. Das Oberflächenprofil 38 weist auch drei äquivalente minimale Ro-Werte auf, die einen Kreis mit einem Radius Ro-_min definieren. Es sollte klar sein, dass in dem Kontext dieser Offenbarung der minimale Ro-Wert austauschbar auch als Ro_min bezeichnet werden kann. Der durchschnittliche Abstand Rb der inneren Oberfläche 34 von der Zentralachse CA ist ein Durchschnitt von Ro_max und ${Ro}_{min} (d . h ., Rb = \frac{{Ro}_{max} + {Ro}_{min}}{2}) .$
Ferner sollte klar sein, dass Ro_max und Ro_min einem maximalen Spiel und einem minimalen Spiel des vollständig schwimmenden Lagers 20 in Bezug auf die Welle 14 entsprechen. Im Speziellen ist das maximale Spiel des vollständig schwimmenden Lagers 20 in Bezug auf die Welle 14 eine Differenz zwischen Ro_max und einem Radius der Welle 14. In ähnlicher Weise ist das minimale Spiel des vollständig schwimmenden Lagers 20 in Bezug auf die Welle 14 eine Differenz zwischen Ro_min und dem Radius der Welle 14.
In der Regel werden die Werte für Rb und A auf Grundlage des Radius der Welle 14 und des gewünschten maximalen und minimalen Spiels des vollständig schwimmenden Lagers 20 in Bezug auf die Welle 14 ausgewählt.
Das Oberflächenprofil 38 ist nicht kreisförmig. Da das Oberflächenprofil 38 nicht kreisförmig ist, verringert das vollständig schwimmende Lager 20 den Reibungsverschleiß der Welle 14, während es auch die Schwingungen der Welle 14, insbesondere subsynchrone Schwingungen, verringert. Darüber hinaus kann das vollständig schwimmende Lager 20 mit dem Oberflächenprofil 38 in einem Maßstab, der für Kraftfahrzeug-Anwendungen geeignet ist, auf kostengünstige Weise hergestellt werden, da das Oberflächenprofil 38 besonders für die maschinelle Fertigung geeignet ist.
Wie oben beschrieben kann die Phasenverschiebung Φ der Gleichung Ro = Rb + ASin(30 + Φ) von 0 bis 2π rad (0° bis 360°) betragen. In der Regel beträgt die Phasenverschiebung Φ von 11π/36 rad bis 25π/36 rad (55° bis 125°), 7π/18 rad bis 11π/18 rad (70° bis 110°), oder 4π/9 rad bis 5π/9 rad (80° bis 100°). In einigen Ausführungsformen beträgt die Phasenverschiebung Φ von 11π/36 rad bis 25π/36 rad (55° bis 125°). Wenn die Phasenverschiebung Φ von 11π/36 rad bis 25π/36 rad (55° bis 125°) beträgt, ist einer der drei Ro_max-Werte ausreichend mit der Öffnung 36 ausgerichtet, so dass die Öffnung 36 in der inneren Oberfläche 34 an einem Punkt definiert ist, wo die innere Oberfläche 34 nahe einem oder an einem maximalen Abstand von der Zentralachse CA liegt. Diese Ausrichtung eines der drei Ro_max-Werte mit der Öffnung 36 stellt sicher, dass das Schmiermittel zu der inneren Oberfläche 34 nahe einem oder an einem maximalen Spiel des vollständig schwimmenden Lagers 20 in Bezug auf die Welle 14 strömt, was die Drehung der Welle 14 zum Schmieren von Abschnitten der inneren Oberfläche 34 nahe den drei Ro_min-Werten durch Kräfte ermöglicht, die durch die Drehung der Welle 14 erzeugt werden.
Unter Bezugnahme auf 5 beträgt in der illustrierten Ausführungsform die Phasenverschiebung Φ π/2 rad (90°). Wenn die Phasenverschiebung Φ π/2 rad (90°) beträgt, wird die Öffnung 36 definiert durch die innere Oberfläche 34 an einem der drei Ro_max- Werte.
Wie am besten in 3-6 dargestellt, kann die äußere Oberfläche 32 des vollständig schwimmenden Lagers 20 eine Ringnut 40 in Umfangsrichtung um die Zentralachse CA definieren, obwohl dies nicht zwingend der Fall ist. Wenn die Ringnut 40 vorhanden ist, ist die Ringnut 40 dazu ausgestaltet, das Schmiermittel zu empfangen, das an die äußere Oberfläche 32 des vollständig schwimmenden Lagers 20 über den einen oder die mehrere Schmiermittelkanäle in dem Lagergehäuse-Innenraum 22 zugeführt wird. Wenn die Ringnut 40 vorhanden ist, kann außerdem die Öffnung 36 zwischen der Ringnut 40 und der inneren Oberfläche 34 definiert und dazu ausgestaltet sein, das Schmiermittel zwischen der Ringnut 40 und der inneren Oberfläche 34 strömen zu lassen.
Wie oben beschrieben ist das vollständig schwimmende Lager 20 in Bezug auf das Lagergehäuse 18 frei um die Welle 14 drehbar. Während des Betriebs des Turboladers 10 verursacht die Drehung der Welle 14 die Drehung des vollständig schwimmenden Lagers 20, wenngleich mit einer geringeren Drehzahl als die Welle 14. Die Drehung des vollständig schwimmenden Lagers 20 führt zu einer radialen Fliehkraft, die das Schmiermittel sowohl von der Welle 14 als auch der inneren Oberfläche 34 des vollständig schwimmenden Lagers 20 weg zwingt. Im Speziellen zwingt die radiale Fliehkraft das Schmiermittel durch die Öffnung 36 sowohl von der Welle 14 als auch der inneren Oberfläche 34 des vollständig schwimmenden Lagers 20 weg, was zu einer unzureichenden Schmierung der inneren Oberfläche 34 und der Welle 14 führt. Die unzureichende Schmierung der inneren Oberfläche 34 und der Welle 14 verringert die Effizienz des Turboladers 10 und erhöht den Reibungsverschleiß des vollständig schwimmenden Lagers 20 und der Welle 14, was die Lebensdauer des Turboladers 10 verringert. Wenn jedoch die äußere Oberfläche 32 die Ringnut 40 definiert, wird die radiale Fliehkraft, die von der Drehung des vollständig schwimmenden Lagers 20 erzeugt wird, verringert. Die Verringerung der radialen Fliehkraft führt dazu, dass eine ausreichende Schmierung der Welle 14 und der inneren Oberfläche 34 während des Betriebs des Turboladers 10 aufrecht erhalten bleibt, wodurch die Effizienz des Turboladers 10 den Reibungsverschleiß des vollständig schwimmenden Lagers 20 und der Welle 14 erhöht und die Lebensdauer des Turboladers 10 verlängert werden.
Wie in 5 gezeigt, kann eine zweite Öffnung 42 zwischen der äußeren Oberfläche 32 und der inneren Oberfläche 34 definiert und dazu ausgestaltet sein, dem Schmiermittel zu erlauben, zwischen der äußeren Oberfläche 32 und der inneren Oberfläche 34 zu strömen. Wie die erste Öffnung 36 erlaubt auch die zweite Öffnung 42, dass das Schmiermittel, das an die äußere Oberfläche 32 des vollständig schwimmenden Lagers 20 über den einen oder die mehreren Schmiermittelkanäle in dem Lagergehäuse-Innenraum 22 zugeführt wird, zwischen der äußeren und inneren Oberfläche 32, 34 zu der Welle 14 strömen kann. Auf diese Weise erlaubt die zweite Öffnung 42 eine Schmierung der inneren Oberfläche 34 und der Welle 14, was Reibungsverschleiß der inneren Oberfläche 34 des vollständig schwimmenden Lagers 20 und der Welle 14 während des Betriebs des Turboladers 10 verringert. Obwohl nicht zwingend, weist die zweite Öffnung 42 in der Regel eine zylindrische Konfiguration auf, wie in 2 dargestellt. Es sollte jedoch klar sein, dass die zweite Öffnung 42 eine beliebige Konfiguration aufweisen kann, die geeignet ist, um das Schmiermittel von der äußeren Oberfläche 32 an die innere Oberfläche 34 zu liefern, etwa eine rechteckige Konfiguration.
Weiter bezugnehmend auf 5 kann, wenn die Ringnut 40 und die zweite Öffnung 42 vorhanden sind, die zweite Öffnung 42 zwischen der Ringnut 40 und der inneren Oberfläche 34 definiert und dazu ausgestaltet sein, das Schmiermittel zwischen der Ringnut 40 und der inneren Oberfläche 34 strömen zu lassen.
Wenn die zweite Öffnung 42 vorhanden ist, können die erste und zweite Öffnung 36, 42 in Umfangsrichtung voneinander in einem Winkel von 5π/9 rad bis 7π/9 rad (100° bis 140°), 11π/18 rad bis 13π/18 rad (110° bis 130°), oder 23π/36 rad bis 25π/36 rad (115° bis 125°) in Bezug auf die Zentralachse CA beabstandet sein. In einigen Ausführungsformen sind die erste und zweite Öffnung 36, 42 in Umfangsrichtung voneinander in einem Winkel von 5π/9 rad bis 7π/9 rad (100° bis 140°) in Bezug auf die Zentralachse CA beabstandet. Obwohl dies nicht zwingend ist, kann, wenn die erste und zweite Öffnung 36, 42 in Umfangsrichtung voneinander in einem Winkel von 5π/9 rad bis 7π/9 rad (100° bis 140°) beabstandet sind, die Phasenverschiebung Φ von 1 1π/36 rad bis 25π/36 rad (55° bis 125°) betragen. Wenn die Phasenverschiebung Φ von 1 1π/36 rad bis 25π/36 rad (55° bis 125°) beträgt, ist einer der drei Ro_max-Werte ausreichend mit einer jeweiligen der ersten und zweiten Öffnung 36, 42 ausgerichtet, so dass die erste und zweite Öffnung 36, 42 in der inneren Oberfläche 34 an einem Punkt definiert sind, wo die innere Oberfläche 34 nahe einem oder an einem maximalen Abstand von der Zentralachse CA liegt.
Wie in 5 dargestellt sind in einigen Ausführungsformen die erste und zweite Öffnung 36, 42 in Umfangsrichtung in einem Winkel von 2π/3 rad (120°) voneinander beabstandet. Wenn die erste und zweite Öffnung 36, 42 in Umfangsrichtung voneinander in einem Winkel von 2π/3 rad (120°) beabstandet sind, kann die Phasenverschiebung Φ π/2 rad (90°) betragen. Wenn die Phasenverschiebung Φ π/2 rad (90°) beträgt, werden die erste und zweite Öffnung 36, 42 durch die innere Oberfläche 34 an einem jeweiligen der drei Romax-Werte definiert.
Weiter bezugnehmend auf 5 kann eine dritte Öffnung 44 zwischen der äußeren Oberfläche 32 und der inneren Oberfläche 34 definiert und dazu ausgestaltet sein, dem Schmiermittel zu erlauben, zwischen der äußeren Oberfläche 32 und der inneren Oberfläche 34 zu strömen. Wie die erste und zweite Öffnung 36, 42 erlaubt auch die dritte Öffnung 44, dass das Schmiermittel, das an die äußere Oberfläche 32 des vollständig schwimmenden Lagers 20 über den einen oder die mehreren Schmiermittelkanäle in dem Lagergehäuse-Innenraum 22 zugeführt wird, zwischen der äußeren und inneren Oberfläche 32, 34 zu der Welle 14 strömen kann. Auf diese Weise erlaubt die dritte Öffnung 44 eine Schmierung der inneren Oberfläche 34 und der Welle 14, was Reibungsverschleiß der inneren Oberfläche 34 des vollständig schwimmenden Lagers 20 und der Welle 14 während des Betriebs des Turboladers 10 verringert. Obwohl nicht zwingend, weist die dritte Öffnung 44 in der Regel eine zylindrische Konfiguration auf, wie in 2 dargestellt. Es sollte jedoch klar sein, dass die dritte Öffnung 44 eine beliebige Konfiguration aufweisen kann, die geeignet ist, um das Schmiermittel von der äußeren Oberfläche 32 an die innere Oberfläche 34 zu liefern, etwa eine rechteckige Konfiguration.
Weiter bezugnehmend auf 5 kann, wenn die Ringnut 40 und die dritte Öffnung 44 vorhanden sind, die dritte Öffnung 44 zwischen der Ringnut 40 und der inneren Oberfläche 34 definiert und dazu ausgestaltet sein, das Schmiermittel zwischen der Ringnut 40 und der inneren Oberfläche 34 strömen zu lassen.
Wenn die dritte Öffnung 44 vorhanden ist, können die erste, zweite und dritte Öffnung 36, 42, 44 in Umfangsrichtung voneinander in einem Winkel von 5π/9 rad bis 7π/9 rad (100° bis 140°), 11π/18 rad bis 13π/18 rad (110° bis 130°), oder 23π/36 rad bis 25π/36 rad (115° bis 125°) in Bezug auf die Zentralachse CA beabstandet sein. In einigen Ausführungsformen sind die erste, zweite und dritte Öffnung 36, 42, 44 in Umfangsrichtung voneinander in einem Winkel von 5π/9 rad bis 7π/9 rad (100° bis 140°) in Bezug auf die Zentralachse CA beabstandet. Obwohl dies nicht zwingend ist, kann, wenn die erste, zweite und dritte Öffnung 36, 42, 44 in Umfangsrichtung voneinander in einem Winkel von 5π/9 rad bis 7π/9 rad (100° bis 140°) beabstandet sind, die Phasenverschiebung Φ von 11π/36 rad bis 25π/36 rad (55° bis 125°) betragen. Wenn die Phasenverschiebung Φ von 11π/36 rad bis 25π/36 rad (55° bis 125°) beträgt, ist einer der drei Romax-Werte ausreichend mit einer jeweiligen der ersten, zweiten und dritten Öffnung 36, 42, 44 ausgerichtet, so dass die erste, zweite und dritte Öffnung 36, 42, 44 in der inneren Oberfläche 34 an einem Punkt definiert sind, wo die innere Oberfläche 34 nahe einem oder an einem maximalen Abstand von der Zentralachse CA liegt.
Wie in 5 dargestellt sind in einigen Ausführungsformen die erste, zweite und dritte Öffnung 36, 42, 44 in Umfangsrichtung in einem Winkel von 2π/3 rad (120°) voneinander beabstandet. Wenn die erste, zweite und dritte Öffnung 36, 42, 44 in Umfangsrichtung voneinander in einem Winkel von 2π/3 rad (120°) beabstandet sind, kann die Phasenverschiebung Φ π/2 rad (90°) betragen. Wenn die Phasenverschiebung Φ π/2 rad (90°) beträgt, werden die erste, zweite und dritte Öffnung 36, 42, 44 durch die innere Oberfläche 34 an einem jeweiligen der drei Romax-Werte definiert.
In einigen Ausführungsformen ist die innere Oberfläche 34 ferner als eine erste innere Oberfläche 34 definiert. Wie in den 2, 3 und 6 dargestellt, beinhaltet in einigen Ausführungsformen das vollständig schwimmende Lager 20 eine zweite innere Oberfläche 46. Wenn sie vorhanden ist, ist die zweite innere Oberfläche 46 radial von der ersten inneren Oberfläche 34 von der Zentralachse CA weg eingetieft. Die zweite innere Oberfläche 46 ist dazu ausgestaltet, der Zentralachse CA zugewandt zu sein. Wenn das vollständig schwimmende Lager 20 in dem Turbolader 10 enthalten ist, ist die zweite innere Oberfläche 46 der Welle 14 zugewandt.
Unter Bezugnahme auf 6 beinhaltet in einigen Ausführungsformen das vollständig schwimmende Lager 20 ferner eine dritte innere Oberfläche 48. Wenn sie vorhanden ist, ist die dritte innere Oberfläche 48 radial von der ersten inneren Oberfläche 34 von der Zentralachse CA weg eingetieft. Die dritte innere Oberfläche 48 ist dazu ausgestaltet, der Zentralachse CA zugewandt zu sein. Wenn das vollständig schwimmende Lager 20 in dem Turbolader 10 enthalten ist, ist die dritte innere Oberfläche 48 der Welle 14 zugewandt. Wenn die zweite und dritte innere Oberfläche 46, 48 vorhanden sind, kann die dritte innere Oberfläche 48 von der ersten inneren Oberfläche 34 von der Zentralachse CA weg in einem Abstand eingetieft sein, der derselbe wie die zweite innere Oberfläche 46 ist. Alternativ kann die dritte innere Oberfläche 48 von der ersten inneren Oberfläche 34 von der Zentralachse CA weg an einem Abstand eingetieft sein, der sich von der zweiten inneren Oberfläche 46 unterscheidet. Wenn, weiter bezugnehmend auf 6, die zweite und dritte innere Oberfläche 46, 48 vorhanden sind, können die erste, zweite und dritte innere Oberfläche 34, 46, 48 voneinander entlang der Mittelachse CA so beabstandet sein, dass die erste innere Oberfläche 34 zwischen der zweiten und dritten inneren Oberfläche 46, 48 entlang der Mittelachse CA angeordnet ist.
In einigen Ausführungsformen ist das vollständig schwimmende Lager 20 als ein erstes vollständig schwimmendes Lager 20 definiert. Unter Bezugnahme auf 1 beinhaltet in einigen Ausführungsformen der Turbolader 10 ein zweites vollständig schwimmendes Lager 50, das um die Welle 14 und in dem Lagergehäuse-Innenraum 22 angeordnet ist. Das zweite vollständig schwimmende Lager 50 ist von dem ersten vollständig schwimmenden Lager 20 so beabstandet, dass das erste vollständig schwimmende Lager 20 zwischen dem zweiten vollständig schwimmenden Lager 50 und dem Turbinenrad 12 angeordnet ist. Obwohl das zweite vollständig schwimmende Lager 50 hier nicht in größerem Detail dargestellt ist, weist das zweite vollständig schwimmende Lager 50 eine Zentralachse auf und beinhaltet eine äußere Oberfläche, die dazu ausgestaltet ist, von der Zentralachse abgewandt zu sein. Wenn das vollständig schwimmende Lager 50 in dem Turbolader 10 enthalten ist, ist die äußere Oberfläche des zweiten vollständig schwimmenden Lagers 50 dem Lagergehäuse 18 zugewandt. Das zweite vollständig schwimmende Lager 50 umfasst auch eine innere Oberfläche, die dazu ausgestaltet ist, der Zentralachse zugewandt und radial von der äußeren Oberfläche in Bezug auf die Zentralachse beabstandet zu sein, so dass die innere Oberfläche dazu ausgestaltet ist, zwischen der Zentralachse und der äußeren Oberfläche angeordnet zu sein. Wenn das zweite vollständig schwimmende Lager 50 in dem Turbolader 10 enthalten ist, ist die äußere Oberfläche des zweiten vollständig schwimmenden Lagers 50 der Welle 14 zugewandt. Eine Öffnung ist zwischen der äußeren Oberfläche und in der inneren Oberfläche des zweiten vollständig schwimmenden Lagers 50 definiert und ist dazu ausgestaltet, das Schmiermittel zwischen der äußeren Oberfläche und der inneren Oberfläche des zweiten vollständig schwimmenden Lagers 50 strömen zu lassen. Die innere Oberfläche des zweiten vollständig schwimmenden Lagers 50 weist ein Oberflächenprofil auf, um Schwingungen der Welle 14 zu reduzieren. Das Oberflächenprofil des zweiten vollständig schwimmenden Lagers 50 ist durch die Gleichung Ro = Rb + ASin(30 + Φ) definiert.
Es sollte klar sein, dass das zweite vollständig schwimmende Lager 50 beliebige der Merkmale aufweisen kann, die vorstehend für das erste vollständig schwimmende Lager 20 beschrieben wurden. Zum Beispiel kann das zweite vollständig schwimmende Lager 50 eine Ringnut beinhalten, die durch die äußere Oberfläche des zweiten vollständig schwimmenden Lagers 50 in Umfangsrichtung um die Zentralachse des zweiten vollständig schwimmenden Lagers 50 definiert ist. Wenn sie vorhanden ist, ist die Ringnut des zweiten vollständig schwimmenden Lagers 50 dazu ausgestaltet, das Schmiermittel aufzunehmen, und die Öffnung des zweiten vollständig schwimmenden Lagers 50 ist zwischen der Ringnut und der inneren Oberfläche des zweiten vollständig schwimmenden Lagers 50 definiert. Als weiteres Beispiel kann das zweite vollständig schwimmende Lager 50 erste, zweite und dritte Öffnungen beinhalten, die jeweils zwischen der äußeren Oberfläche und in der inneren Oberfläche des zweiten vollständig schwimmenden Lagers 50 definiert und dazu ausgestaltet sind, das Schmiermittel zwischen der äußeren Oberfläche und in der inneren Oberfläche des zweiten vollständig schwimmenden Lagers 50 strömen zu lassen.
Es sollte ferner klar sein, dass das erste und zweite vollständig schwimmende Lager 20, 50 gleich sein können. Zum Beispiel können das erste und zweite vollständig schwimmende Lager 20, 50 jeweils erste, zweite und dritte Öffnungen beinhalten, die in Umfangsrichtung voneinander in einem Winkel von 5π/9 rad bis 7π/9 rad (100° bis 140°) in Bezug auf die Zentralachse beabstandet sind, und die Phasenverschiebung Φ des ersten und zweiten vollständig schwimmenden Lagers 20, 50 kann von 11π/36 rad bis 25π/36 rad (55° bis 125°) betragen. Darüber hinaus können die erste, zweite und dritte Öffnung des ersten und zweiten vollständig schwimmenden Lagers 20, 50 in Umfangsrichtung voneinander in einem Winkel von 2π/3 rad (120°) in Bezug auf die Zentralachse beabstandet sein, und die Phasenverschiebung Φ kann π/2 rad (90°) betragen. Alternativ können das erste und zweite vollständig schwimmende Lager 20, 50 sich unterscheiden und daher jeweils voneinander unterschiedliche Merkmale voneinander beinhalten.
Die Erfindung wurde hierin rein zur Veranschaulichung beschrieben, und es sollte daher klar sein, dass die verwendete Terminologie rein deskriptiv und keinesfalls einschränkend gemeint ist. Im Licht der oben angeführten Lehren sind zahlreiche Abwandlungen und Variationen der vorliegenden Erfindung möglich, und die Erfindung kann auf andere Weise praktisch umgesetzt werden, als dies hier speziell beschrieben wurde.

Claims

Vollständig schwimmendes Lager zur Verringerung von Schwingungen einer Welle eines Turboladers, wobei das vollständig schwimmende Lager eine Zentralachse aufweist, wobei das vollständig schwimmende Lager umfasst: eine äußere Oberfläche, die dazu ausgestaltet ist, von der Zentralachse wegzuweisen; und eine innere Oberfläche, die dazu ausgestaltet ist, der Zentralachse zugewandt und radial von der äußeren Oberfläche in Bezug auf die Zentralachse beabstandet zu sein, so dass die innere Oberfläche dazu ausgestaltet ist, zwischen der Zentralachse und der äußeren Oberfläche angeordnet zu sein; wobei eine Öffnung zwischen der äußeren Oberfläche und der inneren Oberfläche definiert und dazu ausgestaltet ist, Schmiermittel zwischen der äußeren Oberfläche und der inneren Oberfläche strömen zu lassen, und wobei die innere Oberfläche ein Oberflächenprofil zur Verringerung von Schwingungen der Welle des Turboladers aufweist, wobei das Oberflächenprofil durch eine Gleichung Ro = Rb + ASin(30 + Φ) definiert ist, wobei Ro ein Abstand von der Zentralachse zu der inneren Oberfläche für einen gegebenen Winkel θ ist, Rb ein durchschnittlicher Abstand von der Zentralachse zu der inneren Oberfläche ist, A eine Differenz zwischen einem maximalen Ro und Rb ist, θ von 0 bis 2π rad um die Zentralachse in Bezug auf eine Referenzlinie ist, die sich senkrecht von der Zentralachse durch die Öffnung erstreckt, und Φ eine Phasenverschiebung von 0 bis 2π rad ist.
Vollständig schwimmendes Lager nach Anspruch 1, wobei die äußere Oberfläche eine Ringnut in Umfangsrichtung um die Zentralachse herum definiert, wobei die Ringnut dazu ausgestaltet ist, das Schmiermittel aufzunehmen, und wobei die Öffnung zwischen der Ringnut und der inneren Oberfläche definiert und dazu ausgestaltet ist, das Schmiermittel zwischen der Ringnut und der inneren Oberfläche strömen zu lassen.
Vollständig schwimmendes Lager nach Anspruch 1, wobei Φ von 11π/36 rad bis 25π/36 rad beträgt.
Vollständig schwimmendes Lager nach Anspruch 1, wobei die Öffnung ferner als eine erste Öffnung definiert ist, und wobei eine zweite Öffnung zwischen der äußeren Oberfläche und der inneren Oberfläche definiert und dazu ausgestaltet ist, das Schmiermittel zwischen der äußeren Oberfläche und der inneren Oberfläche strömen zu lassen.
Vollständig schwimmendes Lager nach Anspruch 4, wobei die erste und zweite Öffnung in Umfangsrichtung voneinander in einem Winkel von 5π/9 rad bis 7π/9 rad in Bezug auf die Zentralachse beabstandet sind, und wobei Φ von 11π/36 rad bis 25π/36 rad beträgt.
Vollständig schwimmendes Lager nach Anspruch 4, wobei eine dritte Öffnung zwischen der äußeren Oberfläche und der inneren Oberfläche definiert und dazu ausgestaltet ist, das Schmiermittel zwischen der äußeren Oberfläche und der inneren Oberfläche strömen zu lassen.
Vollständig schwimmendes Lager nach Anspruch 6, wobei die erste, zweite und dritte Öffnung in Umfangsrichtung voneinander in einem Winkel von 5π/9 rad bis 7π/9 rad in Bezug auf die Zentralachse beabstandet sind, und wobei Φ von 11π/36 rad bis 25π/36 rad beträgt.
Turbolader zum Empfangen von Abgas von einem Verbrennungsmotor und zum Liefern von Druckluft an den Verbrennungsmotor, wobei der Turbolader umfasst: das vollständig schwimmende Lager nach einem der vorhergehenden Ansprüche; ein Turbinenrad; eine Welle, die mit dem Turbinenrad gekoppelt und durch dieses drehbar ist, wobei die Welle sich entlang einer Wellenachse erstreckt; ein Kompressorrad, das mit der Welle gekoppelt ist und durch die Welle drehbar ist, um Druckluft an den Verbrennungsmotor zu liefern; und ein Lagergehäuse, das sich entlang der Wellenachse zwischen dem Turbinenrad und dem Kompressorrad erstreckt, wobei das Lagergehäuse einen Lagergehäuse-Innenraum definiert, und wobei das Lagergehäuse um die Welle so angeordnet ist, dass die Welle zumindest zum Teil in dem Lagergehäuse-Innenraum angeordnet ist.
Turbolader nach Anspruch 8, wobei das vollständig schwimmende Lager ferner als ein erstes vollständig schwimmendes Lager definiert ist, und wobei der Turbolader ferner umfasst: ein zweites vollständig schwimmendes Lager, das um die Welle und in dem Lagergehäuse-Innenraum angeordnet ist, wobei das zweite vollständig schwimmende Lager von dem ersten vollständig schwimmenden Lager so beabstandet ist, dass das erste vollständig schwimmende Lager zwischen dem zweiten vollständig schwimmenden Lager und dem Turbinenrad angeordnet ist, wobei das zweite vollständig schwimmende Lager eine Zentralachse aufweist und umfasst: eine äußere Oberfläche, die von der Zentralachse weg dem Lagergehäuse zugewandt ist, und eine innere Oberfläche, die der Welle zugewandt und radial von der äußeren Oberfläche in Bezug auf die Zentralachse so beabstandet ist, dass die innere Oberfläche zwischen der Zentralachse und der äußeren Oberfläche angeordnet ist, wobei das zweite vollständig schwimmende Lager eine Öffnung zwischen der äußeren Oberfläche und der inneren Oberfläche definiert, die dazu ausgestaltet ist, das Schmiermittel zwischen der äußeren Oberfläche und der inneren Oberfläche strömen zu lassen, und wobei die innere Oberfläche ein Oberflächenprofil zur Verringerung von Schwingungen der Welle aufweist, wobei das Oberflächenprofil durch die Gleichung Ro = Rb + ASin(30 + Φ) definiert ist.
Turbolader nach Anspruch 9, wobei die äußere Oberfläche eines jeden von dem ersten und zweiten vollständig schwimmenden Lager eine Ringnut in Umfangsrichtung um die Zentralachse definiert, wobei die Ringnut dazu ausgestaltet ist, das Schmiermittel aufzunehmen, und wobei die Öffnung eines jeden von dem ersten und zweiten vollständig schwimmenden Lager zwischen der Ringnut und der inneren Oberfläche definiert und dazu ausgestaltet ist, das Schmiermittel zwischen der Ringnut und der inneren Oberfläche strömen zu lassen.
Turbolader nach Anspruch 9, wobei die Öffnung eines jeden von dem ersten und zweiten vollständig schwimmenden Lager ferner als eine erste Öffnung definiert ist, und wobei jedes von dem ersten und zweiten vollständig schwimmenden Lager ferner eine zweite Öffnung und eine dritte Öffnung zwischen der äußeren Oberfläche und der inneren Oberfläche definiert, die dazu ausgestaltet sind, Schmiermittel zwischen der äußeren Oberfläche und der inneren Oberfläche strömen zu lassen.
Turbolader nach Anspruch 11, wobei die erste, zweite und dritte Öffnung eines jeden von dem ersten und zweiten vollständig schwimmenden Lager in Umfangsrichtung voneinander in einem Winkel von 5π/9 rad bis 7π/9 rad in Bezug auf die Zentralachse beabstandet sind, und wobei Φ des ersten und zweiten vollständig schwimmenden Lagers von 11π/36 rad bis 25π/36 rad beträgt.