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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft einen Turbolader für einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Hintergrund
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EP 3 293 406 A1 beschreibt ein kombiniertes Axiallager und Radiallager für einen Turbolader eines Verbrennungsmotors. Dabei verläuft eine kraftabstützende Oberfläche eines unbewegten Lagerglieds konvex gekrümmt von einer Wellenbohrung ausgehend radial nach außen, wobei an jedem Ort der Lagerfläche des Lagerglieds eine Stützkraft mit einer axialen Kraftkomponente und einer radial nach innen gerichteten Kraftkomponente erzeugt wird.
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WO 2012/064638 A1 beschreibt ein Axiallager für einen Turbolader eines Verbrennungsmotors, bei dem einer im Prinzip senkrecht zu der Welle gerichteten Lagerfläche eine geringe Neigungs- oder Verlaufskorrektur hinzugefügt wird, um eine thermische Deformation der Lagerfläche im Regelbetrieb zu kompensieren. Die Lagerfläche ist grundsätzlich nur zur Aufnahme nur axial gerichteter Stützkräfte ausgelegt.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Turbolader für einen Verbrennungsmotor anzugeben, bei dem eine hydrodynamische axiale Lagerung gegenüber radialen Kräften stabilisiert ist.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird für einen eingangs genannten Turbolader erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Durch die Strukturierung der Lagerfläche in einen ersten Teil und einen zweiten Teil, wobei der zweite Teil zumindest eine radial einwärts gerichtete Kraftkomponente abstützt, ist eine je nach Anforderungen optimierte Auslegung der Lagerung auf einfache Weise ermöglicht.
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Ein erfindungsgemäßer Turbolader umfasst eine durch die Welle angetriebene Verdichterschaufel. Antriebsseitig kann der Turbolader bevorzugt über eine Abgasturbine verfügen. Alternativ hierzu sind aber auch andere Antriebe der Welle, zum Beispiel durch einen Elektromotor, möglich.
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Ein erfindungsgemäßer Turbolader ist allgemein bevorzugt für die Verwendung in Antriebsmotoren von Kraftfahrzeugen ausgelegt. Bei alternativen Ausführungsformen kann auch eine Auslegung für Großmotoren, stationäre Motoren, Schiffmotoren oder Ähnliches vorgesehen sein. Der Durchmesser der Welle beträgt bevorzugt, aber nicht notwendig zwischen 5 mm und 100 mm.
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Unter einer axialen Wirkung des Drehlagers wird verstanden, dass das Lagerglied zumindest einen überwiegenden Teil, bevorzugt sämtliche der im Betrieb in axialer Richtung auf die drehende Welle wirkenden Kräfte abstützt und in das Gehäuse des Turboladers einleitet.
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Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird allgemein der Winkel der Ausrichtung eines Teils der Lagerfläche als der Winkel zwischen einer Geraden und der zu der Wellenachse senkrechten Ebene definiert, wobei die Gerade in dem Teil der Lagerfläche liegt und die Wellenachse schneidet. Liegt diese Gerade in der zu der Wellenachse senkrechten Ebene bzw. steht die Gerade senkrecht zu der Wellenachse, dann beträgt der Winkel 0° und der Teil der Lagerfläche stützt nur axiale Kräfte ab. Für Winkel, die zu radial einwärts gerichteten Stützkräften führen, ist ein positives Vorzeichen definiert. Für Winkel, die zu radial auswärts gerichteten Stützkräften führen, ist ein negatives Vorzeichen definiert. Der Winkel eines Teils der Lagerfläche kann im Sinne dieser Definition zwischen -90° und +90° liegen.
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In der Terminologie der vorliegenden Erfindung stützt ein Teil der Lagerfläche auch dann nur axiale Kräfte ab, wenn er eine nur wenig von 0° abweichende Ausrichtung aufweist, insbesondere eine Ausrichtung zwischen -3° und +3°. Solche geringen Ausrichtungswinkel werden als klassische axiale Lagerungen verstanden. Insbesondere können solche kleinen Winkel gezielt vorgesehen werden, um Deformationen bei Temperaturänderungen zu kompensieren. In diesem Sinne liegt für den ersten Teil der Lagerfläche auch dann noch keine radial auswärts gerichtete Kraftkomponente vor, wenn der Winkel bis zu +3° beträgt.
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Bevorzugt, aber nicht notwendig ist zumindest einer der Teile, insbesondere jeder der Teile einer Lagerfläche in einer die Wellenachse umfassenden Schnittebene gerade, also als Rotationsfläche einer geraden Strecke um die Wellenachse, ausgebildet. Allgemein sind die Teile der Lagerfläche idealisiert als Rotationsflächen um die Wellenachse ausgebildet. Diese idealisierte Betrachtung gilt unbeschadet etwaiger Strukturierungen in Umfangsrichtung des Teils der Lagerfläche, die einer hydrodynamischen Optimierung eines Schmierfilms dienen.
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Ein Lagerglied im Sinne der Erfindung ist gegenüber dem Gehäuse bevorzugt, aber nicht notwendig unbeweglich aufgenommen bzw. festgelegt. Ein solches Lagerglied wird bevorzugt aus einer von dem Gehäuse verschiedenen Legierung, bevorzugt einer Kupferlegierung, gefertigt. Eine Ölzuführung zu dem Lagerglied kann insbesondere mit einem Ölkreislauf des Verbrennungsmotors verbunden sein.
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Eine erfindungsgemäße Ausbildung des Lagerglieds wird allgemein bevorzugt als modifizierte Axiallagerung verstanden. Insbesondere sind dabei die insgesamt in axialer Richtung wirkenden Kräfte im Regelbetrieb erheblich größer als die auftretenden radial wirkenden Kräfte. Allgemein vorteilhaft weist der Turbolader dabei wenigstens ein zusätzliches Radiallager, insbesondere in der Bauform eines rein radial wirkenden Lagers, auf.
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Allgemein vorteilhaft kann die Welle eines erfindungsgemäßen Turboladers eine zu der Horizontalen um mehr als 10° geneigte, insbesondere im Wesentlichen senkrechte, Einbaulage aufweisen. Bei solchen Einbaulagen, insbesondere bei im Wesentlichen senkrechter Einbaulage, treten erhöhte Anforderungen an eine radiale Lagerung auf. Die erfindungsgemäße Stabilisierung einer axialen Lagerung durch radial gerichtete Stützkraftkomponenten führt hierbei zu verbesserten Laufeigenschaften.
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Bei allgemein bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung stützt der erste Teil der Lagerfläche nur axial gerichtete Kräfte ab, so dass der Winkel des ersten Teils zwischen -3° und +3°, besonders bevorzugt 0°, beträgt. Bei solchen Ausführungsformen kann der erste Teil der Lagerfläche weitegehend der Lagerfläche eines vorbekannten, reinen Axiallagers entsprechen. Der zweite Teil der Lagerfläche bewirkt dann eine gezielte Hinzufügung von Stützkräften mit radial gerichteter Komponente. Auf diese Weise lässt sich das Lager je nach Anforderungen einfach optimieren.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zudem ein dritter Teil der Lagerfläche vorgesehen, der in einem dritten Winkel zwischen -5° und -80°, besonders bevorzugt zwischen -5° und -50°, zu der Ebene ausgerichtet, wobei durch den dritten Teil der Lagerfläche eine Stützkraft mit radial auswärts gerichteter Komponente erzeugbar ist, die der radialen Komponente der Stützkraft des zweiten Teils der Lagerfläche entgegengesetzt orientiert ist. Bei einer besonders bevorzugten Detailgestaltung ist dabei der erste Teil der Lagerfläche in radialer Richtung zwischen dem zweiten Teil und dem dritten Teil der Lagerfläche angeordnet. Insgesamt wird hierdurch ein besonders günstiges Ansprechen der Lagerung auf radialen Auslenkungen erzielt.
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Bei allgemein bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung bildet das Lagerglied auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite eine zweite axial wirkende Lagerung gegen einen zweiten, mit der Welle drehenden Lagerbund aus. Hierdurch können axial wirkende Kräfte in beiden Orientierungen abgestützt werden.
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Besonders vorteilhaft ist es dabei vorgesehen, dass auf der zweiten Seite zumindest ein erster Teil einer zweiten Lagerfläche in einem Winkel zwischen -80° und +3°, bevorzugt zwischen - 50° und 0°, zu der zu der Wellenachse senkrechten Ebene ausgerichtet ist, wobei zumindest ein zweiter Teil der zweiten Lagerfläche in einem Winkel zwischen +5° und +80°, bevorzugt +5° bis +50°, zu der Ebene ausgerichtet ist, so dass durch den ersten Teil der Lagerfläche eine nur axial gerichtete Stützkraft oder eine Stützkraft mit radial auswärts gerichteter Komponente erzeugbar ist, und dass durch den zweiten Teil der Lagerfläche eine Stützkraft mit radial einwärts gerichteter Komponente erzeugbar ist. Insgesamt gelten somit für die zweite Seite der axialen Lagerung im Wesentlichen dieselben günstigen Eigenschaften wie für die erste Seite. In besonders bevorzugter Ausführungsform ist dabei die zweite Lagerung im Wesentlichen spiegelsymmetrisch zu der ersten Lagerung ausgeformt.
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Allgemein vorteilhaft kann es vorgesehen sein, dass auf dem ersten Teil der Lagerfläche eine Strukturierung in Umfangsrichtung zur Beeinflussung eines hydrodynamischen Drucks vorgesehen ist. Bevorzugt umfasst die Strukturierung dabei eine Mehrzahl von abwechselnd angeordneten Padflächen und Taschen.
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Weiter vorteilhaft kann es dabei vorgesehen sein, dass auf dem zweiten Teil der Lagerfläche keine Strukturierung in Umfangsrichtung vorgesehen ist.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst zumindest eine der Padflächen eine Keilfläche und eine Rastfläche. Hierdurch wird eine gute hydrodynamische Wirkung in Kombination mit hoher Lebensdauer der Lagerfläche erzielt.
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Vorteilhaft kann sich zumindest eine der Padflächen über einen Umfangswinkel zwischen 20° und 70°, bevorzugt zwischen 30° und 60°, erstrecken.
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Eine bevorzugte Anzahl von Padflächen über den gesamten Umfang beträgt zwischen 3 und 10, besonders bevorzugt 5.
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Im Interesse einer optimierten Auslegung der axialen und radialen Stützkräfte kann das Verhältnis einer Breite des ersten Teils der Lagerfläche zu einer Breite des zweiten Teils der Lagerfläche zwischen 2 und 20, bevorzugt zwischen 4 und 10, betragen.
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Allgemein vorteilhaft beträgt das Verhältnis einer Breite des ersten Teils der Lagerfläche zu einem Durchmesser D der Welle im Bereich des Lagerglieds zwischen 0,1 und 0,8, bevorzugt zwischen 0,2 und 0,7. Hierdurch wird eine gute Auslegung der axialen Stützkräfte in Abhängigkeit von dem Wellendurchmesser erreicht.
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Allgemein bevorzugt hat der zweite Teil der Lagerfläche die Form einer Mantelfläche eines Kegelstumpfes. Dabei kann im Interesse einer einfachen Konstruktion der erste Teil der Lagerfläche in einer Ebene einer Deckfläche oder einer Grundfläche des Kegelstumpfes liegen.
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Bei einer allgemein bevorzugten und effektiven Bauform der Erfindung ist das Lagerglied als im Wesentlichen scheibenförmiges Bauteil mit zwei parallelen Seiten ausgebildet, wobei ein Verhältnis eines größten Durchmessers des Bauteils in der Ebene zu einer größten Dicke des Bauteils in axialer Richtung größer als vier ist. Dies erlaubt eine sparsame Verwendung des für das Lagerglied verwendeten Materials, eine einfache Anbindung an einen Schmierkreislauf und eine insgesamt raumsparende Ausbildung der Lagerung.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie aus den abhängigen Ansprüchen.
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Nachfolgend werden mehrere bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben und anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine schematische Gesamtansicht eines erfindungsgemäßen Turboladers.
- 2 zeigt eine räumliche Ansicht eines Lagerglieds gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 3 zeigt eine Schnittansicht des Lagerglieds aus 2 mit daran angrenzenden Lagerbünden.
- 4 zeigt eine Detailvergrößerung der Schnittansicht aus 3.
- 5 zeigt eine räumliche Ansicht eines Lagerglieds gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 6 zeigt eine Schnittansicht des Lagerglieds aus 5 mit daran angrenzenden Lagerbünden.
- 7 zeigt eine Detailvergrößerung der Schnittansicht aus 6.
- 8 zeigt eine räumliche Ansicht eines Lagerglieds gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 9 zeigt eine Schnittansicht des Lagerglieds aus 8 mit daran angrenzenden Lagerbünden.
- 10 zeigt eine Detailvergrößerung der Schnittansicht aus 9.
- 11 zeigt eine räumliche Ansicht, eine Schnittansicht und eine Detailvergrößerung eines vierten Ausführungsbeispiels der Erfindung analog zu den Darstellungen 2 bis 4
- 12 bis 19 zeigen jeweils ein fünftes bis zwölftes Ausführungsbeispiel der Erfindung analog zu der Darstellung gemäß 11.
- 20 zeigt eine schematische Draufsicht auf das Lagerglied aus 2 zur allgemeinen Definition von Maßangaben.
- 21 zeigt eine schematische Schnittansicht des Lagerglieds aus 2 zur allgemeinen Definition von Maßangaben.
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Ausführliche Beschreibung
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Der in 1 gezeigte Turbolader für einen Verbrennungsmotor umfasst eine zentrale Welle 1, die in einem Gehäuse 2 gelagert ist und eine luftseitige Verdichterschaufel 3 antreibt. Die Welle 1 wird ihrerseits vorliegend durch eine Abgasturbine bzw. abgasseitige Turbinenschaufel 4 angetrieben. Alternativ zu der Turbinenschaufel 4 ist auch ein anderer Antrieb der Welle, zum Beispiel durch einen Elektromotor, möglich.
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Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele sind jeweils für den Einsatz in Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge, insbesondere Personenkraftwagen, ausgelegt.
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Wie allgemein 1 und im Detail insbesondere 2 bis 4 anhand eines ersten Ausführungsbeispiels zeigen, wird die Welle 1 unter anderem durch ein axial wirkendes Drehlager 5 gelagert, welches als hydrodynamisches Gleitlager ausgebildet ist. Dabei wird ein unbewegtes Lagerglied 6 von der Welle durchgriffen.
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Auf einer ersten Seite des Lagerglieds 6 (rechte Seite gemäß 3, 4) wird eine erste axial wirkende Lagerung gegen einen mit der Welle 1 um eine Wellenachse A drehenden Lagerbund 7 ausbildet.
Das Lagerglied 6 bildet zudem auf einer gegenüberliegenden zweiten Seite eine zweite axial wirkende Lagerung gegen einen zweiten mit der Welle 1 drehenden Lagerbund 8.
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Der zweite Lagerbund 8 ist vorliegend insgesamt als eine Dichtbuchse ausgebildet, die eine Abdichtung der Lagerung in Richtung der Verdichterschaufel 3 bewirkt.
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Die beiden an demselben Lagerglied 6 ausgebildeten Lagerungen wirken bezüglich axialer Stützkräfte in entgegengesetzten Richtungen. Je nach Anforderungen kann ein erfindungsgemäßes Lagerglied auch nur die erste der beiden Lagerungen ausbilden.
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Eine dem Lagerbund 7 zugewandte Lagerfläche 9 des Lagerglieds 6 stützt Lagerkräfte ab, die durch die Welle 1 ausgeübt werden. Ein erster Teil 9a der Lagerfläche 9 ist in einem ersten Winkel W1 zwischen -80° und +3°, bevorzugt zwischen -50° und 0°, zu einer zu der Wellenachse A senkrechten Ebene E ausgerichtet. Im konkreten Beispiel nach 2 bis 4 beträgt der erste Winkel W1 0°.
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Zumindest ein zweiter Teil 9b der Lagerfläche 9 ist in einem zweiten Winkel W2 zwischen +5° und +80°, bevorzugt +5° bis +50°, zu der Ebene E ausgerichtet. Im konkreten Beispiel nach 2 bis 4 beträgt der zweite Winkel W2 +45°.
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Auf diese Weise wird durch den ersten Teil 9a der Lagerfläche 9 eine nur axial gerichtete Stützkraft erzeugt. Durch den zweiten Teil 9b der Lagerfläche 9 wird eine Stützkraft mit radial einwärts gerichteter Komponente erzeugt.
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Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird der Winkel W1, W2 der Ausrichtung eines Teils 9a, 9b der Lagerfläche 9 als der Winkel zwischen einer Geraden und der zu der Wellenachse senkrechten Ebene E definiert, wobei die Gerade in dem Teil der Lagerfläche 9a, 9b liegt und die Wellenachse A schneidet. Liegt diese Gerade in der zu der Wellenachse senkrechten Ebene bzw. steht die Gerade senkrecht zu der Wellenachse, dann beträgt der Winkel 0° und der Teil der 9a Lagerfläche stützt nur axiale Kräfte ab (siehe Beispiel nach 2 bis 4). Für Winkel W1, W2, die zu radial einwärts gerichteten Stützkräften führen, ist ein positives Vorzeichen definiert (siehe Teil 9b der Lagerfläche 9 in 2 bis 4). Für Winkel, W1, W2, die zu radial auswärts gerichteten Stützkräften führen, ist ein negatives Vorzeichen definiert (siehe zum Teil nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiele). Der Winkel W1, W2 eines Teils der Lagerfläche 9 kann im Sinne dieser Definition zwischen -90° und +90° liegen.
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In der Terminologie der vorliegenden Erfindung stützt ein Teil der Lagerfläche 9 auch dann nur axiale Kräfte ab, wenn er eine nur wenig von 0° abweichende Ausrichtung aufweist, insbesondere eine Ausrichtung zwischen -3° und +3°. Solche geringen Ausrichtungswinkel werden als klassische axiale Lagerungen verstanden. Insbesondere können solche kleinen Winkel gezielt vorgesehen werden, um Deformationen bei Temperaturänderungen zu kompensieren. In diesem Sinne liegt für den ersten Teil 9a der Lagerfläche 9 auch dann noch keine radial auswärts gerichtete Kraftkomponente vor, wenn der Winkel bis zu +3° beträgt.
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Die sämtlichen Teile 9a, 9b der Lagerfläche 9 sind in sämtlichen der vorliegenden Ausführungsbeispiele in einer die Wellenachse A umfassenden Schnittebene gerade, also als Rotationsfläche einer geraden Strecke um die Wellenachse A, ausgebildet. Allgemein sind die Teile der Lagerfläche 9 idealisiert als Rotationsflächen um die Wellenachse ausgebildet. Diese idealisierte Betrachtung gilt unbeschadet etwaiger Strukturierungen in Umfangsrichtung des Teils der Lagerfläche 9, die einer hydrodynamischen Optimierung eines Schmierfilms dienen.
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Das Lagerglied 6 ist gegenüber dem Gehäuse 2 unbeweglich aufgenommen bzw. festgelegt. Das Lagerglied 6 wird aus einer von dem Gehäuse verschiedenen Legierung, bevorzugt einer Kupferlegierung, gefertigt. Eine Ölzuführung 11 zu dem Lagerglied 6 ist mit einem Ölkreislauf des Verbrennungsmotors verbunden. In dem Lagerglied 6 erfolgt die Ölzuführung auf bekannte Weise durch entsprechende Bohrungen 12.
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Die erfindungsgemäße Ausbildung des Lagerglieds 6 wird als modifizierte Axiallagerung verstanden. Insbesondere sind dabei die insgesamt in axialer Richtung wirkenden Kräfte im Regelbetrieb erheblich größer als die auftretenden radial wirkenden Kräfte. Allgemein vorteilhaft weist der Turbolader dabei wenigstens ein zusätzliches Radiallager 13, insbesondere in der Bauform eines rein radial wirkenden Lagers, auf.
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Die Welle 1 des erfindungsgemäßen Turboladers weist eine zu der Horizontalen um mehr als 10° geneigte, vorliegend im Wesentlichen senkrechte, Einbaulage auf. Bei dieser Einbaulage, treten erhöhte Anforderungen an eine radiale Lagerung auf. Die erfindungsgemäße Stabilisierung einer axialen Lagerung durch radial gerichtete Stützkraftkomponenten führt hierbei zu verbesserten Laufeigenschaften.
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Bei dem ersten Ausführungsbeispiel nach 2 bis 4 stützt der erste Teil 9a der Lagerfläche 9 nur axial gerichtete Kräfte ab, so dass der Winkel W1 des ersten Teils zwischen -3° und +3°, vorliegend 0°, beträgt. Bei diesen Ausführungsformen entspricht der erste Teil 9a der Lagerfläche 9 weitegehend der Lagerfläche eines vorbekannten, reinen Axiallagers.
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Der zweite Teil 9b der Lagerfläche 9 bewirkt eine gezielte Hinzufügung von Stützkräften mit radial gerichteter Komponente. Auf diese Weise lässt sich das Lager je nach Anforderungen einfach optimieren.
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Bei der Ausführungsform der Erfindung nach 2 bis 4 ist zudem ein dritter Teil 9c der Lagerfläche 9 vorgesehen, der in einem dritten Winkel W3 zwischen -5° und -80°, besonders bevorzugt zwischen -5° und -50°, vorliegend -45°, zu der zur Wellenachse A senkrechten Ebene ausgerichtet ist. Durch den dritten Teil 9c der Lagerfläche 9 wird eine Stützkraft mit radial auswärts gerichteter Komponente erzeugt, die der radialen Komponente der Stützkraft des zweiten Teils 9b der Lagerfläche 9 entgegengesetzt orientiert ist.
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Der erste Teil 9a der Lagerfläche 9 ist dabei in radialer Richtung zwischen dem zweiten Teil 9b und dem dritten Teil 9c der Lagerfläche 9 angeordnet. Insgesamt wird hierdurch ein besonders günstiges Ansprechen der Lagerung auf radialen Auslenkungen erzielt.
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Bei dem ersten Ausführungsbeispiel nach 2 bis 4 bildet das Lagerglied 6 wie beschrieben auf der der ersten Seite gegenüberliegenden, zweiten Seite die zweite axial wirkende Lagerung gegen den zweiten, mit der Welle 1 drehenden Lagerbund 8 aus. Hierdurch können axial wirkende Kräfte in beiden Orientierungen abgestützt werden.
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Dabei ist auf der zweiten Seite zumindest ein erster Teil 10a einer zweiten Lagerfläche 10 in einem Winkel W1' zwischen -80° und +3°, bevorzugt zwischen -50° und 0°, vorliegend 0°, zu der zu der Wellenachse A senkrechten Ebene ausgerichtet. Zumindest ein zweiter Teil 10b der zweiten Lagerfläche 10 ist in einem Winkel W2` zwischen +5° und +80°, bevorzugt +5° bis +50°, vorliegend 45°, zu der Ebene ausgerichtet, so dass durch den ersten Teil 10a der zweiten Lagerfläche 10 eine nur axial gerichtete Stützkraft erzeugbar wird, und dass durch den zweiten Teil 10b der zweiten Lagerfläche 10 eine Stützkraft mit radial einwärts gerichteter Komponente erzeugbar ist. Insgesamt gelten somit für die zweite Seite der axialen Lagerung im Wesentlichen dieselben günstigen Eigenschaften wie für die erste Seite.
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Im vorliegenden Beispiel nach 2 bis 4 ist die zweite Lagerung im Wesentlichen spiegelsymmetrisch zu der ersten Lagerung ausgeformt. Entsprechend liegt auch ein dritter Teil 10c der zweiten Lagerfläche 10 vor, der in einem dritten Winkel W3' zwischen -5° und - 80°, besonders bevorzugt zwischen -5° und -50°, vorliegend -45°, zu der zur Wellenachse A senkrechten Ebene ausgerichtet ist. Durch den dritten Teil 10c der zweiten Lagerfläche 10 wird eine Stützkraft mit radial auswärts gerichteter Komponente erzeugt, die der radialen Komponente der Stützkraft der zweiten Lagerfläche 10b entgegengesetzt orientiert ist.
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Zur Definition der Winkel W1, W2, W3, W1', W2', W3' wird auch auf die schematische Schnittdarstellung in 21 verwiesen.
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Weitere Ausführungsbeispiele mit im Wesentlichen spiegelsymmetrisch ausgeformten ersten und zweiten Lagerflächen 9, 10 sind die Ausführungsbeispiele Nummer zwei (5 bis 7), drei (8 bis 10), vier (11), sieben (14) und zehn (17).
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Vorteilhaft zur Beeinflussung eines hydrodynamischen Drucks ist auf dem ersten Teil 9a der Lagerfläche 9 eine Strukturierung in Umfangsrichtung vorgesehen. Die Strukturierung umfasst dabei eine Mehrzahl von abwechselnd angeordneten Padflächen 14 und Taschen 15 (siehe auch 20).
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Eine vollständig analoge Strukturierung ist zudem auf dem ersten Teil 10a der zweiten Lagerfläche 10 vorgesehen. Im Fall des ersten Ausführungsbeispiels sind die Taschen 15 auf jeder Seite der beiden gegenüberliegenden Lagerungen als Vertiefungen mit geschlossenem Boden ausgeformt. Jede der Taschen 15 erstreckt sich in Umfangsrichtung über einen Winkel U2 zwischen 5° und 70. Insgesamt sind fünf Taschen 15 und fünf jeweils im Wechsel folgende Padflächen 14 vorgesehen.
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Die Padflächen 14 umfassen jeweils eine Keilfläche 14a und eine Rastfläche 14b. Hierdurch wird eine gute hydrodynamische Wirkung in Kombination mit hoher Lebensdauer der Lagerfläche 9, 10 erzielt. Eine Keilfläche 14a bedeutet dabei einen in der Höhe in Umfangrichtung ansteigenden Abschnitt der Padfläche 14. Eine Rastfläche bedeutet einen in der Höhe in Umfangrichtung konstanten Abschnitt der Padfläche 14.
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Die Padflächen erstrecken sich jeweils über denselben Umfangswinkel U1 zwischen 20° und 70°, bevorzugt zwischen 25° und 60°, vorliegend etwa 32°.
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Die Anzahl von Padflächen über den gesamten Umfang beträgt bevorzugt zwischen 3 und 10, vorliegend 5.
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Die zweiten Teile 9b, 10b und dritten Teile 9c, 10c der Lagerflächen 9, 10 weisen keine Strukturierung in Umfangsrichtung auf.
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Zur optimierten Auslegung der axialen und radialen Stützkräfte beträgt das Verhältnis einer Breite B1 des ersten Teils 9a der Lagerfläche 9 zu einer Breite B2 des zweiten Teils 9b der Lagerfläche 9 zwischen 2 und 20, bevorzugt zwischen 4 und 10, vorliegend etwa 7 (Zeichnungen nicht maßstabsgerecht). Aus diesem Verhältnis wird auch deutlich, dass die durch die Lagerung hydrodynamisch aufnehmbaren axialen Stützkräfte wesentlich größer sind als die aufnehmbaren radialen Stützkräfte. Es handelt sich daher vorrangig um eine Axiallagerung mit einer zusätzlichen radialen Lagerkomponente.
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Das Verhältnis der Breite B1 des ersten Teils 9a der Lagerfläche 9 zu einem Durchmesser D der Welle 1 im Bereich des Lagerglieds 6 beträgt zwischen 0,1 und 0,8, bevorzugt zwischen 0,2 und 0,7. Hierdurch wird eine gute Auslegung der axialen Stützkräfte in Abhängigkeit von dem Wellendurchmesser erreicht.
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Der Durchmesser D der Welle 1 kann allgemein bevorzugt zwischen 5 mm und 100 mm betragen. Vorliegend werden typische Wellendurchmesser für Turbolader für Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen gewählt.
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Vorliegend haben sowohl der zweite Teil 9b der Lagerfläche 9 als auch der dritte Teil 9c der Lagerfläche 9 die Form einer Mantelfläche eines Kegelstumpfes. Der erste Teil 9a der Lagerfläche liegt dabei in der Ebene einer Deckfläche des vom zweiten Teil 9b definierten Kegelstumpfs und in der Ebene einer Grundfläche des vom dritten Teil 9c definierten Kegelstumpfs.
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Das Lagerglied 6 ist als im Wesentlichen scheibenförmiges Bauteil mit zwei parallelen Seiten ausgebildet, wobei ein Verhältnis eines größten Durchmessers des Bauteils in der Ebene senkrecht zu der Wellenachse A zu einer größten Dicke des Bauteils in axialer Richtung größer als vier, vorliegend etwa elf ist. Dies erlaubt eine sparsame Verwendung des für das Lagerglied verwendeten Materials, eine einfache Anbindung an einen Schmierkreislauf und eine insgesamt raumsparende Ausbildung der Lagerungen.
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Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel nach 5 bis 7 ist als einziger Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel der dritte, radial innere Teil 9c der Lagerfläche 9 weggelassen. Entsprechend ist der erste Teil 9a der Lagerfläche 9 hier der radial innerste Teil der Lagerfläche 9. Der erste Teil der Lagerfläche 9 hat einen Winkel W1 von 0° und der zweite Teil 9b der Lagerfläche 9 hat einen Winkel W2 von +45°
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Bei dem dritten Ausführungsbeispiel nach 8 bis 10 ist ein erster Teil 9a der Lagerfläche in einem Winkel W1 zwischen -80° und +3°, insbesondere zwischen -50° und 0°, vorliegend -30° zu der zur Wellenachse A senkrechten Ebene E ausgerichtet.
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Ein zweiter Teil 9b der Lagerfläche 9 ist radial weiter außen vorgesehen und in einem zweiten Winkel W2 zwischen +5° und +80°, insbesondere +5° bis +50°, vorliegend +45° zu der Ebene E ausgerichtet.
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Somit wird durch den ersten Teil 9a der Lagerfläche eine Stützkraft mit radial auswärts gerichteter Komponente erzeugt. Durch den zweiten Teil der Lagerfläche 9b wird eine Stützkraft mit radial einwärts gerichteter Komponente erzeugt. Beide Teile 9a, 9b der Lagerfläche 9 weisen somit axial gerichtete Stützkräfte auf, die sich insgesamt zur axialen Stützkraft der Lagerfläche 9 summieren. Der erste Teil 9a trägt dabei den größeren Teil der axialen Stützkraft.
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Analog zu dem ersten Ausführungsbeispiel weist der erste Teil der Lagerfläche 9 eine Strukturierung in Umfangsrichtung auf, die insgesamt fünf Padflächen 14 mit Keilflächen 14a und Rastflächen 14b umfasst. Die Padflächen 14 wechseln in Umfangsrichtung mit Taschen 15 ab, die wie im ersten Ausführungsbeispiel als Vertiefung mit geschlossenem Boden ausgeformt sind.
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Ebenfalls analog zu dem ersten Ausführungsbeispiel ist auf der gegenüberliegenden Seite des Lagerglieds 6 eine zweite Lagerung mit zweiter Lagerfläche 10, erstem Teil 10a der zweiten Lagerfläche 10 und zweitem Teil 10b der zweiten Lagerfläche 10 vorgesehen, wobei die zweite Lagerung im Wesentlichen spiegelsymmetrisch zu der ersten Lagerung 9, 9a, 9b ausgebildet ist. Entsprechend beträgt der Winkel W1' des ersten Teils 10a der zweiten Lagerfläche 10 ebenfalls -30° und der Winkel W2` des zweiten Teils 10b der zweiten Lagerfläche 10 beträgt ebenfalls +45°.
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Bei dem vierten Ausführungsbeispiel nach 11 handelt es sich um eine Abwandlung des ersten Ausführungsbeispiels nach 2 bis 4. Dabei sind als einziger Unterschied die Taschen 15 nicht als Vertiefung mit einem Boden, sondern jeweils als Durchbruch zwischen den beiden Seiten des Lagerglieds 6 ausgebildet.
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Bei dem fünften und sechsten Ausführungsbeispiel nach 12, 13 handelt es sich jeweils um eine Abwandlung des ersten Ausführungsbeispiels, bei der die zweite Lagerung nur eine herkömmliche zweite Lagerfläche 10 aufweist, die in einem Winkel von 0° ausgerichtet ist. Die erste Lagerung 9, 9a, 9b, 9c ist wie im ersten Ausführungsbeispiel ausgebildet.
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Im Fall des fünften Ausführungsbeispiels nach 12 sind dabei die Taschen 15 als Durchbrüche wie im Beispiel nach 11 ausgeformt.
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Im Fall des sechsten Ausführungsbeispiels nach 13 sind die Taschen 15 wie im ersten Ausführungsbeispiel als Vertiefung mit einem Boden ausgeformt.
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Bei dem siebten Ausführungsbeispiel nach 14 handelt es sich um eine Abwandlung des zweiten Ausführungsbeispiels nach 5 bis 7. Dabei sind als einziger Unterschied die Taschen 15 nicht als Vertiefung mit einem Boden, sondern jeweils als Durchbruch zwischen den beiden Seiten des Lagerglieds 6 ausgebildet.
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Bei dem achten und neunten Ausführungsbeispiel nach 15, 16 handelt es sich jeweils um eine Abwandlung des zweiten Ausführungsbeispiels, bei der die zweite Lagerung nur eine herkömmliche zweite Lagerfläche 10 aufweist, die in einem Winkel von 0° ausgerichtet ist. Die erste Lagerung 9, 9a, 9b, 9c ist wie im ersten Ausführungsbeispiel ausgebildet.
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Im Fall des achten Ausführungsbeispiels nach 15 sind dabei die Taschen 15 als Durchbrüche wie im Beispiel nach 11 ausgeformt.
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Im Fall des neunten Ausführungsbeispiels nach 16 sind die Taschen 15 wie im zweiten Ausführungsbeispiel (5 bis 7) als Vertiefung mit einem Boden ausgeformt.
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Bei dem zehnten Ausführungsbeispiel nach 17 handelt es sich um eine Abwandlung des dritten Ausführungsbeispiels nach 8 bis 10. Dabei sind als einziger Unterschied die Taschen 15 nicht als Vertiefung mit einem Boden, sondern jeweils als Durchbruch zwischen den beiden Seiten des Lagerglieds 6 ausgebildet.
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Bei dem elften Ausführungsbeispiel nach 18 sind die beiden Lagerungen jeweils erfindungsgemäß, aber nicht symmetrisch ausgeformt. Die erste Lagerung mit der ersten Lagerfläche 9 ist wie im dritten Ausführungsbeispiel nach 8 bis 10 ausgeformt. Entsprechend hat ein erster Teil 9a der Lagerfläche 9 einen Winkel W1 von -30° und ein zweiter Teil 9b der Lagerfläche 9 einen Winkel von +45°. Die Taschen 15 sind bei dem elften Ausführungsbeispiel als Vertiefungen mit einem Boden ausgeformt.
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Bei dem zwölften Ausführungsbeispiel nach 19 handelt es sich um eine Abwandlung des elften Ausführungsbeispiels nach 18. Dabei sind als einziger Unterschied die Taschen 15 nicht als Vertiefung mit einem Boden, sondern jeweils als Durchbruch zwischen den beiden Seiten des Lagerglieds 6 ausgebildet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Welle
- 2
- Gehäuse
- 3
- Verdichterschaufel
- 4
- Turbinenschaufel
- 5
- axiales Drehlager
- 6
- Lagerglied
- 7
- erster Lagerbund
- 8
- zweiter Lagerbund, Dichtbuchse
- 9
- (erste) Lagerfläche
- 9a
- erster Teil der Lagerfläche
- 9b
- zweiter Teil der Lagerfläche
- 9c
- dritter Teil der Lagerfläche
- 10
- zweite Lagerfläche
- 10a
- erster Teil der zweiten Lagerfläche
- 10b
- zweiter Teil der zweiten Lagerfläche
- 10c
- dritter Teil der zweiten Lagerfläche
- 11
- Ölzuführung
- 12
- Bohrungen der Ölzuführung
- 13
- Radiallager
- 14
- Padfläche, Pad
- 14a
- Keilfläche des Pads
- 14b
- Rastfläche des Pads
- 15
- Tasche
- A
- Wellenachse der Welle 1
- B1
- Breite des ersten Teils 9a der Lagerfläche 9
- B2
- Breite des zweiten Teils 9b der Lagerfläche 9
- D
- Durchmesser der Welle 1
- E
- Ebene senkrecht zu der Wellenachse A
- W1
- erster Winkel
- W2
- zweiter Winkel
- W3
- dritter Winkel
- W1'
- erster Winkel der zweiten Lagerung
- W2`
- zweiter Winkel der zweiten Lagerung
- W3'
- dritter Winkel der zweiten Lagerung
- U1
- Umfangswinkel einer Padfläche
- U2
- Umfangswinkel einer Tasche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 3293406 A1 [0002]
- WO 2012/064638 A1 [0003]
