-
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
-
Gebiet der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen eine Drucklageranordnung und insbesondere eine Drucklageranordnung zur Verwendung in einem Turbolader.
-
Beschreibung des Standes der Technik
-
Einige Fahrzeuge umfassen einen Turbolader für einen Motor eines Fahrzeugs, wie beispielsweise eines Kraftfahrzeugs. Ein Kraftfahrzeugturbolader umfasst typischerweise ein Verdichterradgehäuse, ein Turbinengehäuse und ein Lagergehäuse, die jeweils Innenräume definieren. Des Weiteren ist im Verdichterradgehäuseinnenraum ein Verdichterrad und in dem Turbinengehäuse ein Turbinenrad angeordnet. Das Verdichterrad und das Turbinenrad befinden sich auf einer gemeinsamen Turboladerwelle, die im Lagergehäuseinnenraum angeordnet ist und von Lagern getragen wird. Das Turbinenrad des Turboladers gewinnt aus Abgasen des Motors Energie und die gewonnene Energie wird auf das Verdichterrad übertragen. Das Verdichterrad erhöht eine Ansaugluftdichte in den Motor, was wiederum die Verbrennung einer größeren Kraftstoffmenge für ein bestimmtes Luft-Kraftstoff-Verhältnis ermöglicht. Infolgedessen entwickelt der Motor mehr Leistung.
-
Bei einem typischen Turboladerbetrieb bewegen die in axialer Richtung auf das Verdichterrad und das Turbinenrad wirkenden Kräfte die um die Welle angeordneten Komponenten je nach Betriebsart des Turboladers in einer axialen Richtung oder in der entgegengesetzten axialen Richtung. Bei einigen typischen Turboladern wird eine Druckplatte mit Druckscheiben auf beiden Seiten der Druckplatte verwendet, um den mit den Axialkräften verbundenen Druckbelastungen entgegenzuwirken. Zusätzlich können typische Turbolader auch ein Radiallager umfassen und den Druckkräften kann auf beiden Seiten des Radiallagers entgegenwirkt werden. Diese Anordnung resultiert darin, dass der höchsten Belastung, die in der Richtung des Verdichterrads vorhanden ist, auf der Turbinenseite des Turboladers entgegenwirkt wird, was zu einem schlechten Druckbelastungsvermögen und einer unerwünscht niedrigen Viskosität eines an die Verdichterseite des Turboladers angrenzenden Fluids führt.
-
Daher besteht ferner ein Bedarf an einer Drucklageranordnung, die in der Lage ist, Axialkräften in beiden Richtungen zu widerstehen, insbesondere wenn die Druckbelastung in Richtung des Verdichterrads höher ist.
-
KURZDASTELLUNG DER ERFINDUNG UND VORTEILE
-
Es wird ein Turbolader offenbart, der ein Lagergehäuse umfasst, das einen Innenraum definiert. Der Turbolader umfasst zudem eine Welle, die im Innenraum angeordnet ist, wobei sich die Welle entlang einer Längsachse erstreckt, und eine um die Welle angeordnete Drucklageranordnung. Die Drucklageranordnung umfasst eine Druckplatte, die eine Bohrung definiert, die konfiguriert ist, die Welle aufzunehmen, und die eine erste Druckfläche aufweist, die integriert ist. Die Drucklageranordnung umfasst zudem ein Lager mit einer zweiten Druckfläche, die integriert ist, und eine Scheibe, die zwischen der Druckplatte und dem Lager angeordnet ist. Des Weiteren umfasst die Scheibe eine dritte Druckfläche, die integriert ist, und eine gegenüberliegende vierte Druckfläche, die integriert ist. Die dritte Druckfläche ist der ersten Druckfläche zum Eingriff mit der ersten Druckfläche zugewandt, um eine axiale Belastung entlang der Längsachse in einer ersten Richtung aufzunehmen, und die vierte Druckfläche ist der zweiten Druckfläche zum Eingriff mit der zweiten Druckfläche zugewandt, um eine axiale Belastung entlang der Längsachse in einer zweiten Richtung aufzunehmen.
-
Dementsprechend bildet der Turbolader, der eine Scheibe umfasst, die eine dritte Druckfläche zum Eingriff mit der ersten Druckfläche der Druckplatte zum Aufnehmen einer axiale Belastung entlang der Längsachse in einer ersten Richtung und eine vierte Druckfläche zum Eingriff mit der zweiten Druckfläche des Lagers zum Aufnehmen einer axiale Belastung entlang der Längsachse in einer ersten Richtung umfasst, ein optimiertes Drucklagersystem zum Widerstehen von Axialkräften in beiden Richtungen und insbesondere in der Verdichterrichtung, in der die axiale Belastung höher ist. Diese Anordnung ermöglicht zudem eine Größenreduzierung in axialer Richtung und eine Gewichtsreduzierung, was zu einer verbesserten Fahrzeugleistung und Kostensenkung führt.
-
Figurenliste
-
Andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden ohne Weiteres erkennbar, während diese durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser verstanden wird, wobei:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines Turboladers mit einem Lagergehäuse ist;
- 2 eine perspektivische Ansicht einer Drucklageranordnung ist;
- 3 eine Querschnittansicht der Drucklageranordnung ist;
- 4 ist eine Querschnittteilansicht der Drucklageranordnung ist; und
- 5 eine weitere Querschnittteilansicht der Drucklageranordnung ist.
-
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
Unter Bezugnahme auf die Figuren, in denen gleiche Nummern in den verschiedenen Ansichten gleiche Teile angeben, ist in 1 ein Turbolader 20 allgemein gezeigt. Der Turbolader 20 umfasst ein Lagergehäuse 21, das einen Innenraum 24 definiert. Der Turbolader weist einen Einlass 26 zum Aufnehmen von Abgasen von einem Verbrennungsmotor (nicht gezeigt) und einen Auslass 28 auf. Der Turbolader 20 umfasst zudem ein drehbares Turbinenrad, das allgemein mit 30 angegeben ist und in einem Turbinengehäuse 22 angeordnet ist, und ein drehbares Verdichterrad, das allgemein mit 31 angegeben ist und in einem Verdichterradgehäuse 23 angeordnet ist. Der Turbolader 20 umfasst ferner eine drehbare Turboladerwelle 32, die mit dem Turbinenrad 30 und dem Verdichterrad 31 gekoppelt ist.
-
Unter Bezugnahme auf die 1 und 2 ist die Welle 32 in dem Innenraum 24 angeordnet, wobei sich die Welle 32 entlang einer Längsachse A erstreckt. Das Turbinenrad 30 ist fest an einem Ende der Welle 32 des Turboladers 20 befestigt, was zu einer Anordnung aus Welle 32 und Verdichterrad wird, und das Verdichterrad 31 ist mit dem anderen Ende der Welle 32 des Turboladers 20 durch einen geeigneten Mechanismus, wie beispielsweise Gewinde oder eine Mutter, verbunden.
-
In dem veranschaulichten Beispiel in den 3 umfasst der Turbolader 20 zudem eine Drucklageranordnung 34, die um die Welle 32 herum angeordnet ist. Die Drucklageranordnung 34 umfasst eine Druckplatte 36. Die Druckplatte 36 definiert eine Bohrung, die zur Aufnahme der Welle 32 konfiguriert ist. In einem Beispiel ist die Druckplatte 36 konfiguriert, zu verhindern, dass Fluid in einen Dichtungsbereich der Welle 32 eindringt. Zusätzlich kann die Druckplatte 36 aus einem beliebigen Material bestehen einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Stahl, Kupfer, Bronze und/oder Polymer. In dem veranschaulichten Beispiel in den 4 und 5 weist die Druckplatte 36 einen allgemein rechteckigen Querschnitt auf. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Druckplatte 36 jede andere Querschnittsform aufweisen kann, wie beispielsweise rund, oval, dreieckig, polygonal oder dergleichen.
-
Des Weiteren umfasst die Druckplatte 36 eine erste Druckfläche 38, die integriert ist. Wie hierin verwendet, ist der Begriff Druckfläche eine Fläche irgendeines Elements, die konfiguriert ist, die axiale Belastung während des Betriebs des Turboladers 20 aufzunehmen. Des Weiteren ist die Druckfläche eine ebene Fläche, um sicherzustellen, dass die Belastung gleichmäßig über die gesamte Druckfläche verteilt wird. Beim Betrieb des Turboladers 20 sind hohe Drücke üblich, und eine mangelnde Ebenheit der Druckfläche kann zu viel höheren lokalen Drücken und zu einem vorzeitigen Versagen eines oder mehrerer Elemente in der Drucklageranordnung 34 führen. Um beispielsweise die gewünschte Ebenheit der Druckfläche zu erreichen, kann auf der gewünschten Fläche ein Läppvorgang ausgeführt werden. Zusätzlich zum Sicherstellen der Ebenheit weist das Läppen den zusätzlichen Vorteil des Erzeugens der gewünschten Flächengüten (d. h. zwischen 0,3 bis 0,8 Mikrometer oder besser) auf. Es ist jedoch auch denkbar, dass die gewünschte Ebenheit der Druckfläche durch ein anderes Verfahren, wie beispielsweise spanende Bearbeitung oder dergleichen, erreicht werden kann.
-
Wie hierin verwendet, bedeutet der Begriff „integriert“ als Teil des Ganzen eingeschlossen, anstatt separat bereitgestellt zu werden. Insbesondere wird jede der integrierten Flächen direkt auf und aus dem entsprechenden Element gebildet und sie sind keine unterschiedlichen Flächen, die getrennt aufgebracht werden.
-
Die Drucklageranordnung 34 umfasst zudem ein Lager 40 mit einer zweiten Druckfläche 42, die integriert ist. In dem veranschaulichten Beispiel in den 3 bis 5 ist das Lager 40 von der Druckplatte 36 zum Turbinenrad 30 hin angeordnet. In einem Beispiel ist das Lager 40 ein nicht drehendes Lager. Es ist jedoch auch denkbar, dass das Lager 40, falls gewünscht, ein drehendes Lager oder ein halbdrehendes Lager sein könnte. In einem Beispiel ist das Lager 40 außerdem ein halbschwimmendes Lager. Es ist jedoch auch denkbar, dass das Lager 40 ein vollschwimmendes Lager oder, falls gewünscht, ein nicht schwimmendes Lager sein könnte. In einem Beispiel besteht das Lager 40 aus Messing. Es ist jedoch auch denkbar, dass das Lager 40 aus einem anderen Material oder einer Materialmischung bestehen kann einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Stahl, Bronze, Keramik, Polymer, Zusammensetzung oder dergleichen.
-
Unter weiterer Bezugnahme auf das in 3 veranschaulichte Beispiel umfasst die Drucklageranordnung 34 auch eine Scheibe 44. Die Scheibe 44 ist zwischen der Druckplatte 36 und dem Lager 40 angeordnet. Die Scheibe 44, die in dem in 4 gezeigten Beispiel veranschaulicht ist, ist eine typische Scheibe 44, die eine im Allgemeinen kreisförmige Form aufweist, aus Stahl besteht und in der Mitte eine Öffnung definiert. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Scheibe 44 irgendeine Form aufweisen und/oder aus Bronze, Keramik oder dergleichen bestehen kann. Des Weiteren ist es auch denkbar, dass die Scheibe 44 keine Öffnung definiert und einfach zwei gegenüberliegende parallele Flächen umfassen kann, die durch eine dritte Fläche verbunden sind. Typischerweise weisen die zwei parallelen einander gegenüberliegenden Flächen eine größere Fläche als die dritte verbindende Fläche auf, sodass die Scheibe 44 relativ dünn ist. In einigen Beispielen kann die Scheibe 44 eine Dicke von ungefähr 1,0 bis 3,0 mm aufweisen. Es wurden jedoch verschiedene andere Größen, Formen und Dicken in Betracht gezogen.
-
Des Weiteren weist die Scheibe 44 eine dritte Druckfläche 46 auf, die integriert ist, und eine gegenüberliegende vierte Druckfläche 48, die integriert ist. Die dritte Druckfläche 46 und die vierte Druckfläche 48 befinden sich auf gegenüberliegenden Seiten und sind parallel zueinander angeordnet. Zusätzlich ist die dritte Druckfläche 46 der Druckplatte 36 zum Eingriff mit der ersten Druckfläche 38 der Druckplatte 36 zugewandt. Des Weiteren ist die vierte Druckfläche 48 der Scheibe 44 der zweiten Druckfläche 42 des Lagers 40 zum Eingriff mit der zweiten Druckfläche 42 des Lagers 40 zugewandt.
-
In einem Beispiel befindet sich die Druckfläche nur auf einem Abschnitt der Fläche des Elements. Wenn eine Fläche der Scheibe 44 beispielsweise im Allgemeinen kreisförmig ist und eine Öffnung in der Mitte definiert, kann die Druckfläche nur auf einem Abschnitt der kreisförmigen Fläche angeordnet sein. In dem in 5 veranschaulichten Beispiel ist die Druckfläche sowohl für die dritte Druckfläche 46 als auch für die vierte Druckfläche 48 nur auf einem oberen Abschnitt der Scheibe 44 angeordnet. Es ist jedoch auch denkbar, dass die dritte Druckfläche 46 und/oder die vierte Druckfläche 48 auf einem unteren Abschnitt der Scheibe 44, einem Seitenabschnitt der Scheibe 44 oder der gesamten Scheibe 44 angeordnet sein kann.
-
Unter weiterer Bezugnahme auf das in den 3 bis 5 veranschaulichten Beispiel, umfasst die Drucklageranordnung 34 auch einen Schleuderring 50. Der Schleuderring 50 ist neben der Druckplatte 36 angeordnet und grenzt auf einer Seite an die Scheibe 44 an. Des Weiteren ist der Schleuderring 50 konfiguriert, gebrauchtes Fluid aus dem Drucklager 40 in Richtung eines in dem Lagergehäuse 21 angeordneten Abflusses zu evakuieren. Wie in den 4 und 5 am besten veranschaulicht, weist der Schleuderring 50 einen allgemein rechteckigen Querschnitt auf, der sich entlang der Welle 32 erstreckt und einen oder mehrere Vorsprünge aufweist. Es ist jedoch auch denkbar, dass der Schleuderring 50 eine andere Querschnittsform einschließlich polygonal, dreieckig, kreisförmig oder dergleichen aufweisen kann. In einem Beispiel besteht der Schleuderring 50 aus Stahl. Es ist jedoch auch denkbar, dass der Schleuderring 50 aus einem anderen Material einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Keramik, Messing, thermoplastische Polymere oder dergleichen, bestehen kann.
-
Es ist wichtig, dass in der Anordnung der Drucklageranordnung 34, die in den 3 bis 5 veranschaulicht ist, der Schleuderring 50 keine Druckfläche umfasst. Einige Schleuderringe 50 gemäß dem Stand der Technik können eine Druckfläche aufweisen; eine ebene integrierte Druckfläche ist jedoch schwierig zu erreichen. Eine Anordnung der Drucklageranordnung 34, die nicht umfasst, dass sie eine Druckfläche auf dem Schleuderring 50 aufweist, reduziert die Produktionskosten und das Timing und verbessert außerdem die Fahrzeugleistung aufgrund nicht konformer Druckflächen.
-
In einem Beispiel definiert die Druckplatte 36 einen Kanal, der konfiguriert ist, zu ermöglichen, dass Fluid auf die erste Druckfläche 38 der Druckplatte 36 und die dritte Druckfläche 46 der Scheibe 44 gerichtet wird. Das Fluid kann jede Art von Schmiermittel sein einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Öl, Getriebeöl und dergleichen. Das Fluid stellt die notwendige Schmierung zwischen der Scheibe 44 und der Druckplatte 36 bereit, um eine axiale Belastung aufzunehmen. Das Fluid strömt dann zwischen dem Schleuderring 50 und der Druckplatte 36 parallel zur Welle 32. Das Fluid strömt dann neben der Druckplatte 36 auf eine gegenüberliegende Fläche der ersten Druckfläche 38 der Druckplatte 36, wo es dann in einen Abfluss im Turbolader 20 verteilt wird. Wenn das Fluid wie vorstehend beschrieben innerhalb der Drucklageranordnung 34 strömt, wird das Fluid mit begrenztem Risiko einer zusätzlichen Fluidströmung in Richtung der zweiten Druckfläche 42 des Lagers 40 gedrückt. Bei herkömmlichen Drucklageranordnungen mit auf beiden Seiten des Lagers wirkenden Druckbelastungen verbraucht insbesondere die Seite des Lagers, welche die Belastung nicht aufnimmt, mehr Fluid als die Seite des Lagers, welche die Belastung aufnimmt. Bei Verwendung der aktuellen Konfiguration der Drucklageranordnung 34 strömt auf der Seite des Lagers 40, welche die Druckfläche nicht aufweist, kein Fluid. Daher ist insgesamt weniger Fluidströmung erforderlich, was das Risiko einer Leckage minimiert.
-
Im Betrieb gewinnt das Turbinenrad 30 des Turboladers 20 aus den Abgasen des Motors Energie und die gewonnene Energie wird auf das Verdichterrad 31 übertragen. Das Verdichterrad 31 arbeitet, um eine Ansaugluftdichte in den Motor zu erhöhen. Während des Betriebs wirken Axialkräfte auf die Drucklageranordnung 34 sowohl in Richtung eines Turbinenrads 30 als auch in Richtung eines Verdichterrads 31. Die Druckflächen der Scheibe 44, des Lagers 40 und der Druckplatte 36 sind konfiguriert, ineinander einzugreifen, um die Belastung der Axialkräfte aufzunehmen. Insbesondere greift während des Betriebs die erste Druckfläche 38 in die dritte Druckfläche 46 ein, um die Axialbelastung auf die Drucklageranordnung 34 entlang der Längsachse A in einer ersten Richtung aufzunehmen. Des Weiteren greift während des Betriebs die zweite Druckfläche 42 in die vierte Druckfläche 48 ein, um die axiale Belastung auf die Drucklageranordnung 34 entlang der Längsachse A in einer zweiten Richtung aufzunehmen. In einem Beispiel ist die zweite Richtung der ersten Richtung entgegengesetzt. In einem Beispiel verläuft die erste Richtung in einer Richtung des Verdichterrads 31 und die zweite Richtung in einer Richtung des Turbinenrads 30. Es ist jedoch auch denkbar, dass die erste Richtung eine andere Richtung einschließlich, aber nicht beschränkt auf, der Richtung des Turbinenrads 30 sein kann und/oder, dass die zweite Richtung eine andere Richtung einschließlich, aber nicht beschränkt auf, der Richtung des Verdichterrads 31 sein kann. Es wird ferner in Betracht gezogen, dass während des Betriebs in der Richtung des Verdichterrads 31 auch die zweite Druckfläche 42 und die vierte Druckfläche 48 in Eingriff sein können, und dass während des Betriebs in der Richtung des Turbinenrads 30 auch die erste Druckfläche 38 und die dritte Druckfläche 46 in Eingriff sein können, um die axiale Belastung aufzunehmen.
-
Die Konfiguration der Drucklageranordnung 34 erzeugt ein optimiertes Drucklagersystem zum Widerstehen von Axialkräften in beiden Richtungen und insbesondere in der Verdichterrichtung, in der die Druckbelastung höher ist. Eine dritte Druckfläche 46 und eine vierte Druckfläche 48 an der Scheibe 44 eliminiert auch die Notwendigkeit einer Druckfläche an dem Schleuderring 50. Durch Eliminieren der Druckfläche an dem Schleuderring 50 kann der Schleuderring 50 wesentlich kleinere Abmessungen aufweisen, was dazu führt, dass eine Drucklageranordnung 34 in axialer Richtung kleinere Abmessungen zusammen mit einer Gewichtsreduzierung aufweist, was zu einer verbesserten Fahrzeugleistung und Kostensenkung führt. Außerdem ermöglicht die Konfiguration der Drucklageranordnung 34, dass während des Betriebs weniger Fluid erforderlich ist, was das Risiko einer unerwünschten Fluidleckage reduziert. Des Weiteren reduziert die hierin beschriebene Anordnung der Drucklageranordnung 34 die Produktionskosten und verkürzt die Produktionszeiten. Des Weiteren wird die Fahrzeugleistung aufgrund leicht herstellbarer optimierter Druckflächen verbessert.
-
Die Erfindung wurde in veranschaulichender Weise beschrieben und es versteht sich, dass die Terminologie, die verwendet wurde, eher beschreibender als einschränkender Natur sein soll. Viele Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung sind angesichts der vorstehenden Lehren möglich und die Erfindung kann auch anders als spezifisch beschrieben praktiziert werden.
