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Die Erfindung betrifft eine Lagereinheit einer Rotorwelle für eine Aufladevorrichtung einer Brennkraftmaschine, und eine entsprechende Aufladevorrichtung, insbesondere einen Abgasturbolader oder einen elektromotorisch angetriebenen Radialverdichter für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für einen Verbrennungsmotor für Kraftfahrzeuge, Luft- oder Wasserfahrzeuge. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Montageverfahren für die Lagereinheit.
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Aufladevorrichtungen, insbesondere Abgasturbolader oder elektromotorisch angetriebene Radialverdichter (EAV), häufig auch als E-Booster, E-Compressor oder E-Lader bezeichnet, werden vermehrt zur Leistungssteigerung bei Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Dies geschieht immer häufiger mit dem Ziel den Verbrennungsmotor bei gleicher oder gar gesteigerter Leistung in Baugröße und Gewicht zu reduzieren und gleichzeitig den Verbrauch und somit den CO2-Ausstoß, im Hinblick auf immer strenger werdende gesetzliche Vorgaben diesbezüglich, zu verringern. Das Wirkprinzip besteht darin, den Druck im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors zu erhöhen und so eine bessere Befüllung des Brennraumes mit Luft-Sauerstoff zu bewirken und somit mehr Treibstoff, Benzin, Diesel, Gas, etc. pro Verbrennungsvorgang umsetzen zu können, also die Leistung des Verbrennungsmotors zu erhöhen.
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Zur Druckerzeugung wird häufig zum Beispiel ein Radialverdichter eingesetzt bei dem zur Druckerzeugung ein auf einer Rotorwelle in einem Verdichtergehäuse angeordnetes Verdichterlaufrad mit der Rotorwelle um die Rotorwellenlängsachse mit hoher Drehzahl dreht. Dies erfordert eine entsprechende Drehlagerung der Rotorwelle, wobei zu beachten ist, dass auf die Rotorwelle auch Axialkräfte wirken, die durch die Lagerung abgestützt werden müssen.
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Die hohen und wechselnden Drehzahlen, sowie wechselnde, zum Teil sehr hohe Temperaturen und ebenfalls hohe Anforderungen an einen verlust- und geräuscharmen Betrieb bei hoher Lebensdauer, stellen hohe Anforderungen an die Lagerung der Rotorwelle. Hierbei sind aus dem Stand der Technik eine Vielzahl unterschiedlicher Lagersysteme bekannt. Herkömmlich sind insbesondere bei Abgasturboladern Gleitlagersysteme bekannt, aber auch Wälzlagersysteme werden aufgrund ihres leichten Laufes zunehmend eingesetzt.
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Aufgrund der Komplexität der Lagerung und der geforderten Präzision, kommen dabei vermehrt Lagersysteme zum Einsatz, die für sich genommen oder in Kombination mit der Rotorwelle geschlossene Einheiten bzw. Baugruppen bilden, die außerhalb eines Lagergehäuses vormontierbar sind und dann als komplette Baugruppe in eine Lageraufnahmebohrung des Lagergehäuses eingesetzt und darin sowohl in axialer Richtung als auch in Drehrichtung festgelegt werden müssen.
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So ist beispielsweise aus dem Dokument
EP 0 286 883 A1 eine Gleitlagerung einer Läufereinheit eines Abgasturboladers bekannt, die eine in einer Bohrung eines Lagergehäuses angeordnete Lagerhülse aufweist, die gegen Drehung gesichert ist. Die Hülse enthält an ihren beiden axialen Endbereichen jeweils eine innere und eine äußere Lagerfläche. Zur Drehsicherung ist ein ringförmiges Federelement vorgesehen, welches in Umfangsrichtung elastisch ausgebildet ist und mit einem ersten Ende in eine Nut der Hülse eingreift.
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Aus Dokument
DE10 2010 054 905 A1 ist dagegen eine Lagereinheit für einen Turbolader bekannt, umfassend ein Lagergehäuse, eine innerhalb des Lagergehäuses angeordnete Wälzlagerkartusche als eigenständige Baugruppe, mit einem Lageraußenring, sowie ein am Lagergehäuse angeordnetes Sicherungselement zur verdrehsicheren Positionierung des Lageraußenrings.
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Die Dokumente
DE 10 2014 212 155 A1 ,
DE 10 2015 219 363 B3 sowie
DE 10 2017 216 282 A1 offenbaren jeweils Lagereinheiten für die Rotorwelle einer Aufladevorrichtung, insbesondere eines Turboladers, die als Wälzlager ausgebildet sind, wobei die jeweilige Lageranordnung zusammen mit der zu lagernden Rotorwelle eine Einheit bildet und wobei die jeweils inneren Laufflächen für die Wälzkörper unmittelbar auf der Rotorwelle ausgebildet sind. Hier wird die Lageranordnung auf der Rotorwelle vormontiert und dann zusammen mit der Rotorwelle als Baugruppe in die Lagerbohrung des Lagergehäuses eingesetzt. Die Wälzlager wirken dabei gleichzeitig als Radiallager und als Axiallager für die Rotorwelle, so dass lediglich die Lageranordnung, insbesondere deren Lageraußenring bzw. die äußere Lagerhülse in der Lagerbohrung des Lagergehäuses axial und in Drehrichtung fixiert werden muss. Dies erfolgt insbesondere bei den Gegenständen der
DE 10 2015 219 363 B3 und der
DE 10 2017 216 282 A1 mittels jeweils einem zentral in der Lagerbohrung angeordneten Federring unterschiedlicher Ausprägung.
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Die Herausforderungen bei der Fixierung der oben genannten Lageranordnungen in der Lagerbohrung des Lagergehäuses besteht darin, dass die Position der Lageranordnung im Lagergehäuse möglichst präzise bestimmt ist, jedoch möglichst wenig Schwingungen der Lageranordnung im Betrieb, durch starre Kopplung auf das Lagergehäuse übertragen werden sollen. Gleichzeitig ist darauf zu achten, dass die Lageranordnung kompakt ausgebildet ist und insbesondere kein zusätzlicher Bauraum für ggf. erforderliche Fixiermittel benötigt wird. Des Weiteren soll eine möglichst einfache und kostengünstige automatisierte Montage erfolgen können und auch eine einfache, möglichst zerstörungsfreie Demontage zu Wartungs- oder Instandsetzungszwecken soll ermöglicht sein.
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Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist es demgemäß eine Lagereinheit für eine Rotorwelle einer Aufladevorrichtung einer Brennkraftmaschine, ein Verfahren zur Montage einer solchen Lagereinheit sowie eine entsprechende Aufladevorrichtung für eine Brennkraftmaschine zur Verfügung zu stellen, bei denen den oben genannten Herausforderungen und Randbedingungen, in gegenüber dem Stand der Technik verbesserter Weise, Rechnung getragen wird.
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Diese Aufgabe wird durch eine Lagereinheit, eine Aufladevorrichtung mit einer solchen Lagereinheit und ein Verfahren zur Montage einer Lagereinheit gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Beansprucht wird eine Lagereinheit einer Rotorwelle, für eine Aufladevorrichtung einer Brennkraftmaschine, wie beispielsweise einen Otto- oder Diesel-Verbrennungsmotor in einem Kraftfahrzeug. Die Lagereinheit weist ein Lagergehäuse mit einer Lageraufnahmebohrung und eine in der Lageraufnahmebohrung angeordnete Lageranordnung, insbesondere eine Wälzlageranordnung, zur Lagerung der um eine Rotorlängsachse drehbaren Rotorwelle in radialer und axialer Richtung, auf. Die Lagereinheit weist dazu zumindest einen Lageraußenring mit einem Außenumfang und einem Außenringdurchmesser, sowie eine am Außenumfang angeordnete Außen-Ringnut auf.
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Die Lageraufnahmebohrung weist einen Innenumfang und eine zur Außen-Ringnut des Lageraußenrings korrespondierende Innen-Ringnut auf, wobei zur Fixierung der Lageranordnung in der Lageraufnahmebohrung ein offenes Feder-Ringelement mit einem Ringelement-Innendurchmesser und einem Ringelement-Außendurchmesser in der Innen-Ringnut der Lageraufnahmebohrung angeordnet ist.
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Die Lagereinheit ist vor allem dadurch gekennzeichnet, dass das Feder-Ringelement im entspannten Zustand einen Ringelement-Innendurchmesser aufweist, der gleichgroß oder größer ist als der Außenringdurchmesser des Lageraußenrings und dass die Innen-Ringnut der Lageraufnahmebohrung einen Nutgrund-Durchmesser aufweist, der gleichgroß oder größer ist als der Ringelement-Außendurchmesser des Feder-Ringelements im entspannten Zustand.
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Des Weiteren ist von einer Stirnseite der Lagereinheit her, zumindest ein Keilbolzen, in das Lagergehäuse eingefügt, der sich zumindest bis zur Innen-Ringnut der Lageraufnahmebohrung erstreckt, wo er mit dem Feder-Ringelement so zusammenwirkt, dass das Feder-Ringelement, im montierten Zustand, durch den zumindest einen Keilbolzen (26), in Bezug zur Rotorlängsachse nach radial innen, so weit vorgespannt ist, dass das Feder-Ringelement zur Fixierung der Lageranordnung in der Lageraufnahmebohrung, in die Innen-Ringnut der Lageraufnahmebohrung und zugleich in die Außen-Ringnut des Lageraußenrings eingreift.
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Die erfindungsgemäße Aufladevorrichtung für eine Brennkraftmaschine weist einen Radialverdichter mit einem Verdichtergehäuse und einem darin angeordneten Verdichterlaufrad auf, wobei das Verdichterlaufrad auf einem Ende einer sich um eine Rotorlängsachse drehbaren Rotorwelle fixiert ist. An das Verdichtergehäuse ist, zur Lagerung der Rotorwelle in radialer und axialer Richtung, eine erfindungsgemäße Lagereinheit, gemäß einer der vorausgehend oder nachfolgend beschriebenen Ausführungen, angeflanscht.
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Die erfindungsgemäße Lagereinheit für eine Rotorwelle sowie die erfindungsgemäße Aufladevorrichtung für eine Brennkraftmaschine zeichnen sich, insbesondere dadurch aus, dass die Position der Lageranordnung im Lagergehäuse präzise bestimmt ist, dass die Lageranordnung kompakt ausgebildet ist und insbesondere wenig bis keinen zusätzlichen Bauraum für ggf. erforderliche Fixiermittel benötigt wird und eine einfache und kostengünstige automatisierte Montage erfolgen kann, wobei insbesondere auch eine einfache und zerstörungsfreie Demontage zu Wartungs- oder Instandsetzungszwecken ermöglicht ist.
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Eine vorteilhafte Ausführung der Lagereinheit ist dadurch gekennzeichnet, dass zwei, drei oder mehr Keilbolzen von einer Stirnseite der Lagereinheit her, parallel zur Rotorlängsachse und über den Umfang des Feder-Ringelements verteilt in das Lagergehäuse eingefügt sind. Der Vorteil dieser Ausführung liegt darin, dass durch die Anordnung mehrerer Keilbolzen, insbesondere bei einer Anzahl von drei oder mehr gleichmäßig über den Umfang des Feder-Ringelements verteilt angeordneten Keilbolzen, das Feder-Ringelement gleichmäßiger über seinen Umfang vorgespannt ist, so dass eine gleichmäßige Verringerung des Ringelement-Innendurchmessers konzentrisch zur Rotorlängsachse und somit ein gleichmäßiger Eingriff des Feder-Ringelements in die Außen-Ringnut des Lageraußenrings gewährleistet ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Montage einer erfindungsgemäßen Lagereinheit, gemäß einer der vorausgehend und nachfolgend beschriebenen Ausführungen, weist folgende, in der angegebenen Reihenfolge auszuführende Verfahrensschritte auf.
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Zunächst erfolgt das Bereitstellen der Einzelteile, nämlich eines Lagergehäuses, einer Lageranordnung, eines offenen Feder-Ringelements und zumindest eines Keilbolzens, wobei das Lagergehäuse eine Lageraufnahmebohrung mit einem Innenumfang, einem Bohrungsdurchmesser und einer Innen-Ringnut aufweist und wobei die Lageranordnung, zur Lagerung einer um eine Rotorlängsachse drehbaren Rotorwelle in radialer und axialer Richtung, vorgesehen ist und zumindest einen Lageraußenring mit einem Außenumfang und einem Außenringdurchmesser, sowie eine am Außenumfang angeordnete, zur Innen-Ringnut der Lageraufnahmebohrung korrespondierende, Außen-Ringnut aufweist. Das offene Feder-Ringelement weist einen Ringelement-Außendurchmesser und einen Ringelement-Innendurchmesser auf, wobei der Ringelement-Innendurchmesser, im entspannten Zustand des Feder-Ringelements, größer ist als der Außenringdurchmesser des Lageraußenrings und wobei die Innen-Ringnut der Lageraufnahmebohrung einen Nutgrund-Durchmesser aufweist, der gleichgroß oder größer ist als der Ringelement-Außendurchmesser im entspannten Zustand des Feder-Ringelements. Der zumindest eine Keilbolzen weist eine Keilspitze mit einer Keilflanke oder eine Konusspitze mit einer Konusflanke auf. In anderer Ausführung der Lagereinheit werden mehrere, insbesondere drei oder mehr Keilbolzen pro Lagereinheit zur Montage bereitgestellt.
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Im, folgenden Verfahrensschritt erfolgt dann zunächst das Vorspannen des offenen Feder-Ringelements mittels eines Montagewerkzeugs derart, dass in diesem Zustand der Ringelement-Außendurchmesser kleiner ist als der Bohrungsdurchmesser der Lageraufnahmebohrung und das Feder-Ringelement wird unter dieser Vorspannung gehalten.
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Darauf folgend wird das vorgespannten Feder-Ringelement mittels des Montagewerkzeugs in die Lageraufnahmebohrung in axialer Richtung eingeführt, bis in die Position der Innen-Ringnut der Lageraufnahmebohrung und das Feder-Ringelement wird in dieser Position in die Innen-Ringnut hinein freigegeben und entspannt. Dadurch weitet sich der Ringelement-Innendurchmesser wieder so weit auf, dass er größer ist als der Außenringdurchmesser des Lageraußenrings und das Feder-Ringelement ist komplett in der Innen-Ringnut der Lageraufnahmebohrung aufgenommen.
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In weiterer Folge erfolgt dann das Einschieben der Lageranordnung in die Lageraufnahmebohrung in axialer Richtung, so weit, bis die axiale Position der Außen-Ringnut des Lageraußenrings mit der Position der Innen-Ringnut der Lageraufnahmebohrung übereinstimmt.
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Darauf folgend, erfolgt das Einsetzen eines, zweier oder mehrerer Keilbolzen von einer Stirnseite des Lagergehäuses her, in dazu vorgesehene, bis zur Innen-Ringnut reichende Bohrungen derart, dass die Keilbolzen so mit dem Feder-Ringelement zusammenwirken, dass das Feder-Ringelement durch den zumindest einen Keilbolzen, in Bezug zur Rotorlängsachse nach radial innen, so weit vorgespannt wird, dass das Feder-Ringelement in die Innen-Ringnut der Lageraufnahmebohrung und zugleich in die Außen-Ringnut des Lageraußenrings eingreift.
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Eine Demontage der erfindungsgemäßen Lagereinheit kann auf genauso einfache Weise erfolgen, indem die oben genannten Verfahrensschritte in umgekehrter Reihenfolge und jeweils umgekehrter Fügeoperation ausgeführt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Montage der erfindungsgemäßen Lagereinheit zeichnet sich dem entsprechend vorteilhaft dadurch aus, dass alle Komponenten auf einfache Weise, automatisiert und ggf. auch manuell, montiert werden können und dass in einfacher Umkehrung der Montageschritte auch eine zerstörungs- und beschädigungsfreie Demontage erfolgen kann, so dass die einzelnen Komponenten voneinander separiert werden und ggf. einer Wiederverwertung oder Aufbereitung zugeführt werden können.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen von Ausführungsbeispielen sowie verschiedene Kombinationsmöglichkeiten von Merkmalen der erfindungsgemäßen Lagereinheit, der Aufladevorrichtung und des Verfahrens zur Demontage werden in den Unteransprüchen offenbart und im Folgenden anhand der Darstellungen in der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 Eine erfindungsgemäße Lagereinheit für eine Rotorwelle;
- 2 eine schematisch vereinfachte Darstellung des Bereichs des Lagergehäuses einer Ausführung der Lagereinheit, der die Lageraufnahmebohrung aufweist, mit separat angeordneter Lageranordnung, in einem Zwischenschritt des Montageverfahrens;
- 3 eine weitere, schematisch vereinfachte Darstellung wie in 2, wobei die Lageranordnung bereits in die Lageraufnahmebohrung eingeführt aber noch nicht fixiert ist, gemäß einem weiteren Zwischenschritt des Montageverfahrens;
- 4 eine weitere, vereinfachte Darstellung wie in 2 oder 3, wobei die Lageranordnung in die Lageraufnahmebohrung eingeführt und bereits mittels der Keilbolzen fixiert ist;
- 5 eine isolierte Darstellung zweier unterschiedlicher Ausführungen a) und b) eines Keilbolzens im Zusammenwirken mit einem jeweiligen Feder-Ringelement in Schnittdarstellung;
- 6 eine einfache Darstellung eines Feder-Ringelements;
- 7 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Aufladevorrichtung;
- 8 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Aufladevorrichtung in Ausführung eines Abgasturboladers;
- 9 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Aufladevorrichtung in Ausführung eines elektromotorisch angetriebenen Verdichters (EAV);
- 10 ein schematisiertes Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Montage einer erfindungsgemäßen Lagereinheit.
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Funktions- und Benennungsgleiche Teile sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
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1 zeigt in detaillierter Schnitt-Darstellung eine Ausführung einer erfindungsgemäßen Lagereinheit 10 für eine Rotorwelle 30, die insbesondere geeignet ist für eine Aufladevorrichtung einer Brennkraftmaschine, am Beispiel einer Lagereinheit für einen Abgasturbolader. Entsprechende Lagereinheiten können ggf. aber auch in anderen Aggregaten mit schnell laufenden Wellen, wie zum Beispiel Pumpen, Lüftern, Generatoren etc., zur Anwendung kommen.
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Die Lagereinheit 10 weist ein Lagergehäuse 11 mit einer Lageraufnahmebohrung 12 und eine in der Lageraufnahmebohrung 12 angeordnete Lageranordnung 20, zur Lagerung der um eine Rotorlängsachse 31 drehbaren Rotorwelle 30 in radialer und axialer Richtung, auf. Die Lagerung erfolgt in diesem Beispiel konkret mittels zweier Wälzlager 32, es können jedoch beispielsweise auch Gleitlager oder Schwimmbuchsenlager zum Einsatz kommen. Am Lagergehäuse 11 zu erkennen sind weiterhin ein Verdichteranschlussflansch 17 auf der linken Stirnseite 19 des Lagergehäuses 11, zur Koppelung der Lagereinheit 10 mit einem anzutreibenden Verdichter und ein Antriebsanschlussflansch 18 auf der rechten, gegenüberliegenden Stirnseite 19` des Lagergehäuses 11, zur Koppelung der Lagereinheit mit einem Antriebsaggregat. Weiterhin ist im Lagergehäuse 11 ein umlaufender Kühlkanal 16 und ein Kühlkanalanschluss 15 vorgesehen, der zur Kühlung der Lagereinheit 10 mit Kühlmittel durchspülbar ist und an einen übergeordneten Kühlmittelkreislauf angeschlossen werden kann.
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Die Lageranordnung 20 weist eine Lageraußenring 21 mit einer Außen-Ringnut 22 auf und die Lageraufnahmebohrung 12 weist eine zur Außen-Ringnut 22 korrespondierende Innen-Ringnut 23 auf, in der ein offenes Feder-Ringelement 25, zur Fixierung der Lageranordnung 20 in der Lageraufnahmebohrung 12, angeordnet ist.
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Wie besser in den schematisiert vereinfachten und vergrößert hervorgehobenen Ausschnitt-Darstellungen der 2, 3 und 4 erkennbar ist, ist die Lageranordnung 20 der Lagereinheit 10 weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass sie zumindest einen Lageraußenring 21 mit einem Außenumfang und einem Außenringdurchmesser 21.1, sowie eine am Außenumfang angeordnete Außen-Ringnut 22 aufweist und dass die Lageraufnahmebohrung 12 einen Innenumfang und eine zur Außen-Ringnut 22 korrespondierende Innen-Ringnut 23 aufweist. Zur Fixierung der Lageranordnung 20 in der Lageraufnahmebohrung 12 ist ein offenes Feder-Ringelement 25 mit einem Ringelement-Innendurchmesser 25.1 und einem Ringelement-Außendurchmesser 25.2 in der Außen-Ringnut 22 des Lageraußenrings 21 angeordnet, welches, im montierten Zustand, zugleich in die Außen-Ringnut 22 des Lageraußenrings 21 und die Innen-Ringnut 23 der Lageraufnahmebohrung 12 eingreift.
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Die Lagereinheit ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass das Feder-Ringelement 25 im entspannten Zustand einen Ringelement-Innendurchmesser 25.1 aufweist, der größer ist als der Außenringdurchmesser 21.1 des Lageraußenrings 21 und dass die Innen-Ringnut 23 der Lageraufnahmebohrung 12 einen Nutgrund-Durchmesser 23.2 aufweist, der gleichgroß oder größer ist als der Ringelement-Außendurchmesser 25.2 des Feder-Ringelements 25 im entspannten Zustand. Dies ist vor allem gut in 2 und 3 erkennbar, wobei das Feder-Ringelement 25 bereits in die Innen-Ringnut 23 der Lageraufnahmebohrung 12 entspannt eingelegt ist. Dies ermöglicht, das im folgenden Montageschritt die Lageranordnung 20 in axialer Richtung der Rotorlängsachse 31 in die Lageraufnahmebohrung 12 und durch das Feder-Ringelement hindurch eingeschoben werden kann. Als Nutgrund-Durchmesser 23.2 ist bei einer Innen-Ringnut, wie hier gegeben, der radial am weitesten außen liegende Durchmesser der Nut zu verstehen. Der Nutgrund der Innen-Ringnut begrenzt dabei die Tiefe der Nut in radialer Richtung nach außen.
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Weiterhin in den 1 bis 4 in der Zusammenschau gut erkennbar ist, dass zumindest ein Keilbolzen 26, von einer Stirnseite 19 der Lagereinheit 10 her, in das Lagergehäuse 11 eingefügt ist und sich zumindest bis zur Innen-Ringnut 23 der Lageraufnahmebohrung 12 erstreckt, wo er mit dem Feder-Ringelement 25 so zusammenwirkt, dass das Feder-Ringelement 25 in dem in 1 und 4 dargestellten montierten Zustand durch den zumindest einen Keilbolzen 26, in Bezug zur Rotorlängsachse 31 nach radial innen, so weit vorgespannt ist, dass das Feder-Ringelement 25 zur Fixierung der Lageranordnung 20 in der Lageraufnahmebohrung 12, in die Innen-Ringnut 23 der Lageraufnahmebohrung 12 und zugleich in die Außen-Ringnut 22 des Lageraußenrings 21 eingreift.
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Es versteht sich, dass im Rahmen der Erfindung und je nach der axialen Position der Innen-Ringnut 23 in der Lageraufnahmebohrung 12 die Keilbolzen auch vorteilhaft von der gegenüberliegenden Stirnseite 19' her in das Lagergehäuse 11 eingefügt werden können.
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2 zeigt in vergrößerter Ausschnitt-Darstellung den Bereich der Lageraufnahmebohrung 12 des Lagergehäuses 11 und die noch außerhalb der Lageraufnahmebohrung 12 liegenden Lageranordnung 20. Ein offenes Feder-Ringelement 25, wie zum Beispiel auch in 6 dargestellt, ist bereits in die Innen-Ringnut 23 der Lageraufnahmebohrung eingelegt. Es sind auch zwei Keilbolzen 26, erkennbar, die ebenfalls noch nicht in die dafür vorgesehenen Bohrungen 26.1 eingefügt sind. Da die Innen-Ringnut 23 der Lageraufnahmebohrung 12 einen Nutgrund-Durchmesser 23.2 aufweist, der gleichgroß oder größer ist als der Ringelement-Außendurchmesser 25.2 des Feder-Ringelements 25 im entspannten Zustand, kann sich das Feder-Ringelement 25 vollständig in die Innen-Ringnut 23 hinein entspannen, so dass in dieser Lage der Ringelement-Innendurchmesser 25.1 gleichgroß oder größer ist als der Außenringdurchmesser 21.1 des Lageraußenrings 21 und der Bohrungsdurchmesser 12.1 der Lageraufnahmebohrung 12.1 ist.
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3 zeigt im Vergleich zu 2 den nächsten Schritt des Montageverfahrens. Hier ist die Lageranordnung 20 bereits in axialer Richtung in die Lageraufnahmebohrung 12 eingeschoben, bis in die Position, in der die axiale Position der Außen-Ringnut 22 des Lageraußenrings 21 mit der Position der Innen-Ringnut 23 der Lageraufnahmebohrung 12 übereinstimmt. Zur Vereinfachung der Figur und zur besseren Übersichtlichkeit ist hier nur ein Keilbolzen 26 dargestellt, der jedoch wie in 2 noch nicht in die Bohrung 26.1 eingefügt ist. Somit befindet sich auch das Feder-Ringelement 25 noch im entspannten Zustand.
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4 zeigt im Vergleich zu 3 wiederum den nächsten Schritt des Montageverfahrens, bei dem nun der oder die Keilbolzen 26 von einer Stirnseite 19, 19` des Lagergehäuses 11 her, in die dazu vorgesehenen, bis zur Innen-Ringnut 23 reichende Bohrungen 26.1 derart, dass die Keilbolzen 26 so mit dem Feder-Ringelement 25 zusammenwirken, dass das Feder-Ringelement 25 durch den zumindest einen bzw. die zwei, drei oder mehr Keilbolzen 26, in Bezug zur Rotorlängsachse 31 nach radial innen, so weit vorgespannt werden, dass das Feder-Ringelement 25 in die Innen-Ringnut 23 der Lageraufnahmebohrung 12 und zugleich in die Außen-Ringnut 22 des Lageraußenrings 21 eingreift.
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In 5 ist in den beiden Ansichten a) und b) jeweils ein Keilbolzen einer Ausführung der erfindungsgemäßen Lagereinheit 10 im Zusammenwirken mit dem jeweiligen Feder-Ringelement 25 isoliert vom Lagergehäuse 11 und den weiteren Komponenten dargestellt.
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Die Ausführung der Ansicht a) der 5 ist dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Keilbolzen 26 als Einpressbolzen 26.2 ausgebildet ist und jeweils eine Keilspitze 27 mit einer Keilflanke 27.1 aufweist, wobei, im montierten Zustand der Lagereinheit (10), die jeweilige Keilflanke 27.1 so auf den Außenumfang des Feder-Ringelements 25 einwirkt, dass das Feder-Ringelement 25, in Bezug zur Rotorlängsachse 31 nach radial innen, vorgespannt ist. Die Ausführung der Keilbolzen als Einpressbolzen 26.2 mit Keilspitze 27, die eine einseitige, keilförmige Abflachung des Einpressbolzens 26.2 darstellt erfordert zwar eine Montage in bestimmter Drehlagen-Orientierung der Einpressbolzen 26.2 hat jedoch den Vorteil, dass kleinere Durchmesser der Keilbolzen gewählt werden können und die Einpressbolzen 26.2 komplett in den Bohrungen 26.1 versenkt werden können, was den Bauraumbedarf minimiert. Für eine eventuelle Demontage der Einpressbolzen 26.2 muss dann natürlich eine Möglichkeit gegeben sein, die ein Abziehen der Einpressbolzen 26.2 aus den Bohrungen 26.1 ermöglicht. Im Beispiel in der Ansicht a) der 5 ist dazu eine Gewindebohrung 27.2 vorgesehen, an der ein Abziehwerkzeug angesetzt werden kann.
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Die Ausführung der Ansicht b) der 5 ist dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Keilbolzen 26 als Schraubbolzen 26.3 oder Einpressbolzen 26.2 ausgebildet sind und jeweils eine Konusspitze 28 mit einer Konusflanke 28.1 aufweisen, wobei, im montierten Zustand der Lagereinheit 10, die jeweilige Konusflanke 28.1 so auf den Außenumfang des Feder-Ringelements 25 einwirkt, dass das Feder-Ringelement 25, in Bezug zur Rotorlängsachse 31 nach radial innen, vorgespannt ist. Durch die rotationssymmetrische Geometrie der Konusspitze 28 ist eine Drehlage-Orientierung des Keilbolzens 26 bei der Montage nicht erforderlich. Dies ermöglicht die Gestaltung sowohl als Schraubbolzen 26.3 als auch als Einpressbolzen 26.2. Im Falle eines Schraubbolzens 26.3, der eine Außengewinde aufweist, wie in Ansicht b) der 5 dargestellt, ist eine Möglichkeit zum Ansetzen eines Schraubwerkzeugs für die Montage als auch für die Demontage vorzusehen. Dargestellt ist ein Innen-Sechskant 28.2 der im Kopf des Schraubbolzens 26.3 angeordnet ist, aber auch Innen-Vielkant oder eine ähnliche Geometrie kann hier zum Einsatz kommen. Der Schraubbolzen 26.3 ist hier nach Art einer sogenannten Madenschraube ausgeführt, wodurch der Schraubbolzen 26.3 auch platzsparend komplett in der Bohrung 26.1 versenkt werden kann. Es sind jedoch auch Ausführungen mit anderen Köpfen des Schraubbolzens 26.3 realisierbar, wie dies in der Darstellung der 1 bis 4 symbolisch ausgeführt ist, wobei beispielhaft ein auf der Stirnseite 19 aufliegender Kopf des Schraubbolzens gezeigt ist.
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In beiden Ansichten a) und b) der 5 ist ein Merkmal einer weiteren Ausführung der erfindungsgemäßen Lagereinheit erkennbar, die dadurch gekennzeichnet sind, dass das Feder-Ringelement 25, auf der den Keilbolzen 26 zugewandten Seite, eine zur Keilflanke 27.1 oder zur Konusflanke 28.1 komplementäre Abschrägung 25.3 am äußeren Ringelementrand bzw. am Außenumfang aufweist. Dies ermöglicht eine effiziente Kraftübertragung und gleichzeitig eine schonende Kraftumlenkung aus der axialen Vorschubrichtung des Keilbolzens 26, in die radiale Richtung der Vorspannung des Feder-Ringelements 25, wie mit Pfeilen in den Darstellungen der 5 angedeutet.
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In weiterer Ausführung der erfindungsgemäßen Lagereinheit 10, bildet der Außenlagerring 21 den Außenmantel einer Wälzlageranordnung, die als integrierte Lageranordnung 20 auf die Rotorwelle vormontierbar und für sich alleine oder zusammen mit der Rotorwelle als Baugruppe, in axialer Richtung in die Lageraufnahmebohrung montierbar ist. Eine alternative Ausführung ist beispielsweise in den 1 bis 4 dargestellt. Hierbei besteht die Lageranordnung 20 aus zwei als Kugellager ausgebildeten Wälzlagern 32, deren Laufflächen zum einen direkt auf der Rotorwelle 30 ausgebildet und zum anderen auf der Innenmantelfläche des Lageraußenrings angeordnet oder direkt auf der Innenmantelfläche des Lageraußenrings 21 ausgebildet sind. So bildet die Lageranordnung 20 mit der Rotorwelle eine Baueinheit, die auch als Läufer- oder rotor-Einheit bezeichnet werden kann.
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Diese beiden Arten der Lagerung wirken gleichzeitig radial wie axial. Die Lageranordnung 20, ggf. inclusive Rotorwelle 30, kann so vorteilhaft als eigenständige Baugruppe unabhängig vom Lagergehäuse 11 vormontiert und als Ganzes in die Lageraufnahmebohrung 12 des Lagergehäuses 11 eingesetzt und mittels des Feder-Ringelements 25, in der vorausgehend beschriebenen Weise, festgelegt werden. Auch die Montage einer sogenannten integralen Lagerkartusche im Lagergehäuse 11 bzw. vorausgehend auf der Rotorwelle 30 ist möglich.
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7 zeigt nun, in schematisch vereinfachter Darstellung, eine Ausführung einer erfindungsgemäßen Aufladevorrichtung 50, die einen Radialverdichter 51 mit einem Verdichtergehäuse 52 und einem darin angeordneten Verdichterlaufrad 53 aufweist, wobei das Verdichterlaufrad 53 auf einem Ende einer sich um eine Rotorlängsachse 31 drehbaren Rotorwelle 30 fixiert ist. Das Verdichtergehäuse 52 ist auf der Stirnseite 19 einer erfindungsgemäße Lagereinheit 10, in einer Ausführung wie vorausgehend beschrieben, zur Lagerung der Rotorwelle 30 in radialer und axialer Richtung angeordnet. Durch Drehung der Rotorwelle 30 wird das Verdichterlaufrad 53 im Verdichtergehäuse 52 in eine Rotation um die Rotorlängsachse 31 versetzt und saugt Luft L, in der Figur gekennzeichnet durch Pfeile, in axialer Richtung durch den Verdichtereinlass 54 an und gibt diese unter erhöhtem Druck durch den Verdichterauslass 55, zum Beispiel in das Ansaugrohr einer Brennkraftmaschine, ab. Weiterhin sind in 7 die Innen-Ringnut 23 mit eingesetztem Feder-Ringelement 25 schematisch vereinfacht dargestellt.
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In 8 ist nun eine erfindungsgemäße Aufladevorrichtung, wie vorausgehend beschrieben, schematisch vereinfacht dargestellt, die als Abgasturbolader 50.1 ausgebildet ist. Dazu ist auf der dem Radialverdichter 51 gegenüberliegenden Stirnseite 19' der erfindungsgemäßen, vorausgehend beschriebenen Lagereinheit 10, eine Abgasturbine 60 mit einem Turbinengehäuse 62 und einem darin aufgenommenen Turbinenlaufrad 63 angeordnet. Das Turbinenlaufrad 63 ist an dem, dem Radialverdichter 51 gegenüberliegenden, die Lagereinheit 10 durchragenden Ende der Rotorwelle 30 angeordnet. Im Betrieb strömt Abgas A, in 8 durch Pfeile gekennzeichnet, das beispielsweise von einer Brennkraftmaschine ausgestoßen wird, durch einen Turbineneinlass 64 auf das Turbinenlaufrad 63 und versetzt dieses dadurch in Drehung, wodurch gleichzeitig das auf der gemeinsamen Rotorwelle 30 angeordnete Verdichterlaufrad 53 angetrieben wird. Das Abgas A wird dann über einen Turbinenauslass 65, beispielsweise in die Abgasanlage der Brennkraftmaschine, abgeführt. Die Vorteile dieser Ausführung der Aufladevorrichtung 50.1 sind darin zu sehen, dass hier die im Abgas A vorhandene Energie, die andernfalls ungenutzt mit dem Abgas A ausgestoßen wird, zumindest zum Teil zur Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine genutzt wird.
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In 9 ist eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen Aufladevorrichtung wie vorausgehend beschrieben, schematisch vereinfacht dargestellt, die als elektromotorisch angetriebener Radialverdichter 50.2, kurz auch als Elektroverdichter bezeichnet, ausgebildet ist. Hier ist auf der dem Radialverdichter 51 gegenüberliegenden Seite der erfindungsgemäßen, vorausgehend beschriebenen Lagereinheit 10, ein elektrischer Antriebsmotor 70 mit einem Stator 71 und einem Antriebs-Rotor 72 angeordnet. Dabei ist der Antriebs-Rotor 72 an dem, dem Radialverdichter 51 gegenüberliegenden, die Lagereinheit 10 durchragenden Ende der Rotorwelle 30 angeordnet. Im Betrieb wird an eine elektrische Anschlussleitung 73 eine elektrische Spannung angelegt und so der Antriebs-Rotor 72 des elektrischen Antriebsmotors 70 in Drehung versetzt, wodurch gleichzeitig das auf der gemeinsamen Rotorwelle 30 angeordnete Verdichterlaufrad 53 angetrieben wird.
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In 10 ist schließlich eine Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Montage einer Lagereinheit (10) gemäß einer der vorausgehend beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungen, in einem einfachen Blockdiagramm dargestellt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren weist dabei folgende, in der angegebenen Reihenfolge auszuführende Verfahrensschritte auf.
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Mit den mit B1, B2, B3 und B4 gekennzeichneten Blöcken ist die Bereitstellung eines Lagergehäuses 11, einer Lageranordnung 20, eines offenen Feder-Ringelements 25 und zumindest eines Keilbolzens 26 symbolisch dargestellt. Die Bereitstellung dieser einzelnen Komponenten kann zusammen, den eigentlichen Montageschritten vorausgehend, erfolgen, kann jedoch auch in der Reihenfolge in der diese in den aufeinanderfolgend auszuführenden Montageschritten benötigt werden erfolgen.
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Dabei weist das in Block B1 dargestellte Lagergehäuse 11 eine Lageraufnahmebohrung mit einem Innenumfang, einem Bohrungsdurchmesser und einer Innen-Ringnut auf.
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Die in Block B3 dargestellte Lageranordnung 20, ist zur Lagerung einer um eine Rotorlängsachse drehbaren Rotorwelle in radialer und axialer Richtung, vorgesehen und weist zumindest einen Lageraußenring mit einem Außenumfang und einem Außenringdurchmesser, sowie eine am Außenumfang angeordnete, zur Innen-Ringnut der Lageraufnahmebohrung korrespondierende, Außen-Ringnut auf.
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Das in Block B2 dargestellte offene Feder-Ringelements 25 weist einen Ringelement-Außendurchmesser und einen Ringelement-Innendurchmesser auf, wobei der Ringelement-Innendurchmesser, im entspannten Zustand des Feder-Ringelements, größer ist als der Außenringdurchmesser des Lageraußenrings und wobei die Innen-Ringnut der Lageraufnahmebohrung einen Nutgrund-Durchmesser aufweist, der gleichgroß oder größer ist als der Ringelement-Außendurchmesser im entspannten Zustand des Feder-Ringelements.
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Der in Block B4 dargestellte zumindest eine Keilbolzen 26, weist eine Keilspitze mit einer Keilflanke oder eine Konusspitze mit einer Konusflanke auf.
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In dem ersten mit M1 gekennzeichneten Block ist der erste Montageschritt symbolisch dargestellt. Hier erfolgt zunächst das Vorspannen des offenen Feder-Ringelements mittels eines Montagewerkzeugs 35 derart, dass in diesem Zustand der Ringelement-Außendurchmesser kleiner ist als der Bohrungsdurchmesser der Lageraufnahmebohrung. In diesem Zustand wird das Feder-Ringelement unter Vorspannung gehalten.
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In dem nächsten mit M2 gekennzeichneten Block erfolgt dann das Einführen des vorgespannten Feder-Ringelements mittels des Montagewerkzeugs 35 in die Lageraufnahmebohrung in axialer Richtung, bis in die Position der Innen-Ringnut der Lageraufnahmebohrung, dort wird das Feder-Ringelement vom Montagewerkzeug freigegeben und in die Innen-Ringnut hinein entspannt.
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Dann erfolgt, wie in dem mit M3 gekennzeichneten Block dargestellt, das Einschieben der Lageranordnung (20) in die Lageraufnahmebohrung in axialer Richtung, bis die axiale Position der Außen-Ringnut des Lageraußenrings mit der Position der Innen-Ringnut der Lageraufnahmebohrung übereinstimmt.
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Darauf folgend erfolgt, wie durch den mit M4 gekennzeichneten Block dargestellt, das Einsetzen eines, zweier oder mehrerer Keilbolzen 26 von einer Stirnseite des Lagergehäuses her, in dazu vorgesehene, bis zur Innen-Ringnut reichende Bohrungen. Das Einsetzen der Keilbolzen erfolgt derart, dass die Keilbolzen so mit dem Feder-Ringelement 25 zusammenwirken, dass das Feder-Ringelement 25 durch den zumindest einen Keilbolzen 26 bzw. durch die mehreren Keilbolzen 26, in Bezug zur Rotorlängsachse nach radial innen, so weit vorgespannt wird, dass das Feder-Ringelement 25 in die Innen-Ringnut der Lageraufnahmebohrung und zugleich in die Außen-Ringnut des Lageraußenrings eingreift.
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Dieses Verfahren ist besonders vorteilhaft, da, wie leicht erkennbar, alle erforderlichen Komponenten in der gleichen axialen Richtung montierbar sind. Dies vereinfacht nicht nur die Montagevorgänge, sondern ermöglicht gleichzeitig eine einfache Gestaltung der für die Montage erforderlichen Betriebsmittel.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0286883 A1 [0006]
- DE 102010054905 A1 [0007]
- DE 102014212155 A1 [0008]
- DE 102015219363 B3 [0008]
- DE 102017216282 A1 [0008]
