DE102020118424A1 - Wälzlager für einen Turbolader - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Turboladerwälzlager (1). Das Turboladerwälzlager umfasst eine Lagerringkomponente (2), welche einen Innenring (3) und einen Außenring (4) umfasst, wobei die Lagerringkomponente (2) einen Laufbahnabschnitt (5) aufweist, in dem Wälzkörper (6) geführt werden und wobei an den Laufbahnabschnitt (5) ein Erweiterungsabschnitt (7) der Lagerringkomponente (2) angrenzt. Der Laufbahnabschnitt (5) weist einen Hochlastwerkstoffbereich (8) und der Erweiterungsbereich (7) einen Normallastwerkstoffbereich (9) auf, wobei der Hochlastwerkstoffbereich (8) aus einem hochwarmfesteren Werkstoff besteht, als der Normallastwerkstoffbereich (9) und wobei der Normallastwerkstoffbereich (9) und der Hochlastwerkstoffbereich (8) stoffschlüssig verbunden sind. Hierdurch kann das Turboladerwälzlager (1) besonders kostengünstig ausgeführt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Wälzlager für einen Abgasturbolader.
  • Die DE 10 2016 215 905 A1 offenbart einen Eisenwerkstoff für eine Lagerbuchse eines Abgasturboladers. Die Entwicklung neuer Technologien sowie die Weiterentwicklung entsprechender Vorrichtungen und Verfahren hin zu höherer Leistung und Effizienz bei gleichzeitiger Reduzierung des Resourceneinsatzes, gehen sehr häufig einher mit gesteigerten Anforderungen an die verwendeten Werkstoffen in Bezug auf Festigkeit, Temperaturbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und insbesondere bei Gleitlager-Werkstoffen auch die selbstschmierenden Eigenschaften. Des Weiteren spielen beim industriellen Einsatz natürlich auch die Bearbeitbarkeit und der Preis eine bedeutende Rolle. Einer solchen technologischen Herausforderung, die immer höhere Anforderungen stellt, sind traditionell der Fahrzeugbau und insbesondere die Entwicklung der darin eingesetzten Verbrennungsmotoren unterworfen. Zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und des Schadstoff-Ausstoßes bei gleichbleibender oder sogar gesteigerter Leistung des Verbrennungsmotors werden vermehrt kleinvolumige Motorkonzepte, sogenannte Downsizing-Konzepte, zugrunde gelegt, die zur Leistungssteigerung mit Abgasturboladern ausgestattet sind. Hierbei stellen insbesondere bei Otto-Verbrennungsmotoren die vorherrschenden hohen Abgastemperaturen bis über 1000°C eine starke Herausforderung für die in der Abgasturbine eingesetzten Werkstoffe dar. Der vorgeschlagene Eisen-Werkstoff ist gekennzeichnet durch eine Werkstoffzusammensetzung die außer Eisen zumindest die Legierungsbestandteile Kohlenstoff, Silizium, Mangan, Nickel, Chrom, Molybdän und Wolfram in bestimmten Mengen aufweist. Diese Werkstoffzusammensetzung gewährleistet eine ausreichende Temperaturfestigkeit und eigenschmierende Eigenschaften bei gleichzeitig guten Bearbeitungseigenschaften und moderatem Preis.
  • Die DE 10 2013 207 454 A1 zeigt einen Abgasturbolader. Es wird vorgeschlagen, die Welle des Abgasturboladers aus zwei unterschiedlichen Werkstoffen zu fertigen. Die Vorteile bestehen insbesondere darin, dass das im Turbinengehäuse angeordnete Wellensegment durch eine geeignete Werkstoffauswahl an die im Turbinengehäuse herrschenden Bedingungen angepasst werden kann und das im Verdichtergehäuse angeordnete Wellensegment durch eine geeignete Auswahl eines anderen Werkstoffes an die im Verdichtergehäuse herrschenden Anforderungen angepasst werden kann. Insbesondere kann das im Turbinengehäuse angeordnete Wellensegment aus einem hochwarmfesten Material gewählt werden, da im Turbinengehäuse im Betrieb des Abgasturboladers sehr hohe Temperaturen herrschen, da das heiße Abgas einer Brennkraftmaschine in das Turbinengehäuse geleitet wird, um das Turbinenrad anzutreiben. Des Weiteren kann das im Verdichtergehäuse angeordnete Wellensegment aus einem Material mit hoher Festigkeit gewählt werden, um sicherzustellen, dass ein möglichst hohes Drehmoment vom Turbinenrad bzw. der Welle auf das Verdichterrad übertragen werden kann. Es ist nicht erforderlich, dass dieses Material mit hoher Festigkeit auch hoch temperaturfest ist, da im Bereich des Verdichtergehäuses deutlich niedrigere Temperaturen vorliegen als im Turbinengehäuse.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Turboladerwälzlager anzugeben, welches insbesondere kostengünstig ist.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch Angabe eines Turboladerwälzlagers, mit einer Lagerringkomponente, welche einen Innenring und einen Außenring umfasst, wobei die Lagerringkomponente einen Laufbahnabschnitt aufweist, in dem Wälzkörper geführt werden und wobei an den Laufbahnabschnitt ein Erweiterungsabschnitt der Lagerringkomponente angrenzt, wobei der Laufbahnabschnitt einen Hochlastwerkstoffbereich und der Erweiterungsbereich einen Normallastwerkstoffbereich aufweist, wobei der Hochlastwerkstoffbereich aus einem hochwarmfesteren Werkstoff besteht, als der Normallastwerkstoffbereich und wobei der Normallastwerkstoffbereich und der Hochlastwerkstoffbereich stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
  • Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass eine Verwendung eines kostengünstigeren Werkstoffs als Teil eines Turboladerwälzlagers technisch möglich und dabei wirtschaftlich sinnvoll umsetzbar ist. Zunächst erscheint eine Aufteilung eines Turboladerwälzlagers in verschiedene, unterschiedlich hochwarmfeste Werkstoffe schon technisch kaum überlegenswert, da gerade im Bereich des Wälzlagers mit großen Belastungen und Spannungen zu rechnen ist, die bei den gleichzeitig hohen Temperaturen nur durch einen entsprechend hochwarmfesten Werkstoff abzufangen sind. Die Erfindung geht aber von der Erkenntnis aus, dass grundsätzlich eine Beschränkung der Verwendung des teuren, besonders hochwarmfesten Werkstoffes auf einen Laufbahnabschnitt ausreichen kann. Für die besonders hohen Kräfte im Laufbahnabschnitt ist also in der Tat ein entsprechend belastbarer Werkstoff erforderlich. Allerdings lässt sich in einem angrenzenden Bereich nach Erkenntnis der Erfindung durchaus ein kostengünstigerer, nicht so hochwarmfester Werkstoff verwenden. Darüber hinaus ist es Erkenntnis der Erfindung, dass die hierdurch erzielten Einsparungen bei Materialkosten die höheren Fertigungskosten, die aus der Darstellung des Lagers aus unterschiedlichen Materialien entstehen durchaus übertreffen. Gleichzeitig erkennt die Erfindung, dass eine stoffschlüssige Verbindung der zwei verwendeten Materialien so möglich ist, dass trotz der besonderen Belastungsbedingungen bei den hohen Temperaturen und gleichzeitig in der spannungstragenden Nähe einer Wälzlagerabstützung dauerhaft fest ausgeführt werden kann.
  • Bevorzugt ist der Hochlastwerkstoffbereich im Außenring gebildet ist.
  • Bevorzugt ist der Hochlastwerkstoffbereich im Innenring gebildet ist.
  • Weiter bevorzugt ist der Hochlastwerkstoffbereich im Innenring und im Außenring gebildet ist.
  • Je nach Anwendungsfall und Lagerdesign kann es also sinnvoll sein, entweder den Außenring, den Innenring oder auch beide Ringe in einer geteilten Materialausführung zu gestalten. So kann es besonders vorteilhaft sein, den Innenring solchermaßen auszugestalten, wenn dieser sich mit einem Zusatzabschnitt axial über den Außenring hinaus erstreckt. Ein solcher Zusatzabschnitt kann z.B. dann vorgesehen sein, wenn durch ihn eine Dichtung gegen Öl gebildet wird. Dies ist insbesondere bei einer Ausführung des Lagers als einreihiges Lager der Fall, wobei der Zusatzabschnitt sich radial über die radiale Ausdehnung des Innenrings hinaus erstreckt und in Umfangsrichtung Nuten so aufweist, dass diese eine Labyrinthdichtung bilden. Mit diesem auskragenden Zusatzabschnitt weist der Innenring somit eine erhebliche Materialmenge auf, die außerhalb des Laufbahnabschnitts und somit der eigentlichen Lagerbelastung liegt, so dass hier die Verwendung eines kostengünstigeren Werkstoffs besonders vorteilhaft ist. Bevorzugt ist dabei das Turboladerwälzlager, verwendet in einem elektrisch angetriebenem Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug. Hier kommt der Ölabdichtung gegenüber dem elektrischen Antrieb des Abgasturboladers eine besondere Bedeutung zu.
  • Bevorzugt ist das Turboladerwälzlager ausgebildet als eine Lagerkartusche mit zwei Kugellagerreihen, bei der der Laufbahnabschnitt axial zweiteilig gestaltet ist und jeweils eine Kugellagerreihe umfasst und dabei den Erweiterungsabschnitt axial als Mittenstück einschließt.
  • Bevorzugt besteht der Hochlastwerkstoffbereich aus einem Stahl der Klasse M50 besteht.
  • Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie den beigefügten Figuren. Dabei zeigen:
    • 1 eine schematische Schnittansicht eines Turboladerwälzlagers
    • 2 den Außenring des Turboladerwälzlagers aus 1;
    • 3 eine weitere Ausführung eines Turboladerwälzlagers in einer Längsschnittdarstellung;
    • 4 Eine einreihige Ausführung eines Turboladerwälzlagers in einem Längsschnitt.
  • 1 zeigt ein Turboladerwälzlager 1. Es umfasst eine Lagerringkomponente 2, welche wiederum einen Innenring 3 und einen Außenring 4 umfasst. Zwischen Innenring 3 und Außenring 4 ist ein Laufbahnabschnitt 5 gebildet, in welchem Wälzkörper 6 in einem Käfig 12 angeordnet sind. Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Turboladerwälzlager 1 zweireihig ausgeführt, dass heißt es gibt zwei in Umfangsrichtung verlaufende Reihen von Wälzkörpern 6, die in zwei Teilen des Laufbahnabschnittes 5 angeordnet sind. Dementsprechend sind hier auch der Innenring 3 und der Außenring 4 zweigeteilt, sie umschließen einen Erweiterungsabschnitt 7.
  • Der Außenring 4 ist aus einem hochwarmfesten Werkstoff gebildet und formt den Hochlastwerkstoffbereich 8. Ebenso ist der Innenring 3 aus dem Hochwarmfestwerkstoff ausgeführt. Demgegenüber ist der Erweiterungsbereich 7 aus einem Werkstoff gebildet, der eine geringere Hochwarmfestigkeit aufweist, als der Werkstoff des Hochlastwerkstoffbereichs. Er bildet den Normallastwerkstoffbereich 9. Der Normallastwerkstoffbereich 9 ist mit dem Hochlastwerkstoffbereich 8 in einem Verbindungsbereich 13 stoffschlüssig verbunden, etwa durch Reibschweißen.
  • Mit dieser Ausführung ist es möglich, den Materialbedarf an teurem Hochwarmfestwerkstoff signifikant zu senken. 2 zeigt den Außenring 4 mit dem Erweiterungsbereich 7 aus 1 noch einmal separat.
  • In 3 ist eine Variante des Turboladerwälzlagers 1 aus 1 gezeigt, bei der auch der Innenring 3 axial einen Erweiterungsbereich 7 umschließt, der aus dem geringer hochwarmfesten Werkstoff ausgeführt ist. Somit ergibt sich ein zusätzlicher Kostenvorteil.
  • 4 zeigt eine einreihige Ausführung eines Turboladerwälzlagers 1. Hier ist der Innenring 3 erneut zweiteilig so ausgeführt, dass ein Laufbahnabschnitt 5 aus einem Hochlastwerkstoffbereich 8 besteht und an diesen sich in axialer Richtung ein Erweiterungsabschnitt 7 anschließt, der einen Normallastwerkstoffbereich aufweist. Gleichzeitig ist der Erweiterungsabschnitt 7 ein Zusatzabschnitt 10, mit dem der Laufbahnabschnitt 5 gegen Öl abgedichtet wird. Hierzu erstreckt sich der Zusatzabschnitt 10 in radialer Richtung über den Innenring hinaus und ist in Umfangsrichtung mit Nuten 11 versehen, die eine Labyrinthdichtung bilden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Turboladerwälzlager
    2
    Lagerringkomponente
    3
    Innenring
    4
    Außenring
    5
    Laufbahnabschnitt
    6
    Wälzkörper
    7
    Erweiterungsabschnitt
    8
    Hochlastwerkstoffbereich
    9
    Normallastwerkstoffbereich
    10
    Zusatzabschnitt
    11
    Nuten
    12
    Käfig
    13
    Verbindungsbereich
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102016215905 A1 [0002]
    • DE 102013207454 A1 [0003]

Claims (10)

  1. Turboladerwälzlager (1) mit einer Lagerringkomponente (2), welche einen Innenring (3) und einen Außenring (4) umfasst, wobei die Lagerringkomponente (2) einen Laufbahnabschnitt (5) aufweist, in dem Wälzkörper (6) geführt werden und wobei an den Laufbahnabschnitt (5) ein Erweiterungsabschnitt (7) der Lagerringkomponente (2) angrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass der Laufbahnabschnitt (5) einen Hochlastwerkstoffbereich (8) und der Erweiterungsbereich (7) einen Normallastwerkstoffbereich (9) aufweist, wobei der Hochlastwerkstoffbereich (8) aus einem hochwarmfesteren Werkstoff besteht, als der Normallastwerkstoffbereich (9) und wobei der Normallastwerkstoffbereich (9) und der Hochlastwerkstoffbereich (8) stoffschlüssig verbunden sind.
  2. Turboladerwälzlager (1) nach Anspruch 1, wobei der Hochlastwerkstoffbereich (8) im Außenring (4) gebildet ist.
  3. Turboladerwälzlager (1) nach Anspruch 1, wobei der Hochlastwerkstoffbereich (8) im Innenring (3) gebildet ist.
  4. Turboladerwälzlager (1) nach Anspruch 1, wobei der Hochlastwerkstoffbereich (8) im Innenring (3) und im Außenring (4) gebildet ist.
  5. Turboladerwälzlager (1) nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Innenring (3) sich mit einem Zusatzabschnitt (10) axial über den Außenring (4) hinaus erstreckt.
  6. Turboladerwälzlager (1) nach Anspruch 5, wobei der Zusatzabschnitt (10) so ausgebildet ist, dass er eine Dichtung gegen Öl bildet.
  7. Turboladerwälzlager (1) nach Anspruch 6, ausgebildet als einreihiges Lager, wobei der Zusatzabschnitt (10) sich radial über die radiale Ausdehnung des Innenrings (3) hinaus erstreckt und in Umfangsrichtung Nuten (11) so aufweist, dass diese eine Labyrinthdichtung bilden.
  8. Turboladerwälzlager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ausgebildet als eine Lagerkartusche mit zwei Kugellagerreihen, bei der der Laufbahnabschnitt (5) axial zweiteilig gestaltet ist und jeweils eine Kugellagerreihe umfasst und dabei den Erweiterungsabschnitt (7) axial als Mittenstück einschließt.
  9. Turboladerwälzlager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Hochlastwerkstoffbereich (8) aus einem Stahl der Klasse M50 besteht.
  10. Turboladerwälzlager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ausgebildet als elektrisch angetriebener Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug.
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