DE102020134311A1

DE102020134311A1 - Axialdämpfer und Verlagerungsbegrenzung für Turbomaschine mit Wälzlagern

Info

Publication number: DE102020134311A1
Application number: DE102020134311.6A
Authority: DE
Inventors: Allan Douglas Kelly; Kurt Henderson; Michael Sean Ward
Original assignee: BorgWarner Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 2019-12-18
Filing date: 2020-12-18
Publication date: 2021-06-24
Also published as: CN215830952U; US11378123B2; US20210190139A1

Abstract

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Turbolader mit einer in einem Lagergehäuse enthaltenen Wälzlager (REB, rolling element bearing)-Anordnung einen Axialdämpfer, der konfiguriert ist, um die axiale Verlagerung der REB-Anordnung zu dämpfen und zu begrenzen. Der Axialdämpfer kann verschiedene Ausführungsformen umfassen, einschließlich eines elastomeren Axialdämpfers, eines Drahtgeflechts oder eines Ölfilms, um den Kontakt zwischen der Lageranordnung und einer Verlagerungsbegrenzung zu unterbrechen, wenn eine Axialverlagerungskraft eine Vorspannkraft übersteigt. Ferner kann der Axialdämpfer eine Vorrichtung mit mindestens zwei axial komprimierbaren Ringen umfassen, wobei einer der axial komprimierbaren Ringe eine Verlagerungsbegrenzungseigenschaft umfasst.

Description

Technischer Bereich
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf einen Turbolader und Turboladeranordnungen für Verbrennungsmotoren, und im Besonderen auf Turbolader mit Wälzlagern.
Hintergrund
Turbolader werden verwendet, um einem Motor Luft mit größerer Dichte zuzuführen, damit mehr Kraftstoff verbrannt werden kann, als dies bei einer natürlich angesaugten Konfiguration eines Motors ähnlicher Größe möglich wäre. So wird mit dem Einsatz von Turboladern eine höhere Leistung erreicht, ohne dass die Kraftstoffeffizienz durch eine Vergrößerung der Masse und der aerodynamischen Stirnfläche eines Personenkraftwagens beeinträchtigt wird.
Turbolader haben jedoch ein Problem, das als Turboloch bekannt ist, da es eine Verzögerung in der Zeit geben kann, die der Abgasstrom benötigt, um von dem Abgaskrümmer in das Turbinengehäuse einzutreten und ein Turbinenrad anzutreiben, das an einer Welle befestigt ist und die Rotationskraft für den Verdichter bereitstellt.
Um das Problem des Turbolochs zu lösen, werden elektrisch unterstützte Turbolader zur Minimierung des Turbolochs eingesetzt, die Lagergehäuse mit intern untergebrachten Elektromotoren umfassen, die konfiguriert sind, um während dem Turboloch-Zeitraum schnell zu beschleunigen, um die Motorleistung zu erhöhen, bis ein abgasbetriebener Turbolader genügend Ladedruck bereitstellen kann.
Elektrisch unterstützte Turbolader und andere Turbolader haben oft Hochgeschwindigkeits-Wälzlager (REB, rolling element bearing)-Systeme, die axiale Vorspannkräfte benötigen, um ein Rutschen ihrer Wälzkörper (Kugellager) zu verhindern, sowie axiale Begrenzungen oder Anschläge, um eine übermäßige axiale Verlagerung zu verhindern. Solche übermäßigen axialen Verlagerungen können zu schädlichen Kontakten oder Laufrädern mit absichtlich spielarmen Gehäusen führen. Darüber hinaus ist eine Dämpfung der transienten Kräfte erforderlich, wenn die Axialkräfte die Vorspannkräfte übersteigen könnten. Unter letzteren Umständen kann es zu einem harten Kontakt zwischen dem Lagermodul und einer axialen Begrenzung kommen, was relativ hohe, von außen messbare g-Kräfte oder Beschleunigungen erzeugt.
Das US-Patent Nr. 8,807,840 B2 von House, et al. beschreibt einen Satz Ringe, die nebeneinander angeordnet sind, um eine axiale Dämpfungsfunktion für eine Außenhülse einer REB-Patrone bereitzustellen. Spezifisch wird ein flacher Ring, der als ölgedämpfter Ring wirkt, mit einem Haltering in einer Weise gepaart, dass sich der flache Ring als eins mit der Patrone bewegt. Um die Beherrschung der Aufprallenergie und der Verlagerungsbegrenzungen zu unterstützen, werden jedoch Turbolader mit verbesserter axialer Dämpfung gewünscht.
Zusammenfassung
Gemäß einer Ausführungsform umfasst ein Turbolader einen Drehkranz, der aus einer Welle und einem Turbinenrad besteht, ein Lagergehäuse, das eine Lagerbohrung mit einem Innendurchmesser aufweist, eine Wälzlageranordnung (REB) und einen Axialdämpfer. Die Wälzlageranordnung kann im Lagergehäuse gelagert werden und umfasst einen inneren und äußeren Laufring, eine Reihe von Wälzkörpern und eine Verlagerungsbegrenzungseigenschaft. Der Axialdämpfer ist konfiguriert, um die axiale Verlagerung der in dem Lagergehäuse enthaltenen REB-Anordnung zu dämpfen und zu begrenzen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Axialdämpfervorrichtung zum Dämpfen und Begrenzen der axialen Verlagerung einer in einem Lagergehäuse enthaltenen REB-Anordnung offenbart. Der Axialdämpfer hat einen ersten axial komprimierbaren Ring, der aus einer ringförmigen Wellenfeder besteht, die konfiguriert ist, um eine Lageranordnung vorzuspannen, wobei die Wellenfeder eine Vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten, axial ausgerichteten Wellungen umfasst, und einen zweiten axial komprimierbaren Ring, der aus einer Unterlegscheibe besteht, die für einen konstanten Vorspannungseingriff mit der Wellenfeder in beabstandeten Kontaktbereichen auf einer axialen Seite der Unterlegscheibe konfiguriert ist. In einer Ausführungsform umfasst die Unterlegscheibe sich axial erstreckende Vorsprünge, und jeder Vorsprung ist in Umfangsrichtung von einem der Kontaktbereiche beabstandet. Ferner erstreckt sich jeder der Vorsprünge von der einen axialen Seite in Richtung der Wellenfeder. In dieser Ausführungsform ist jeder Vorsprung axial von einem physischen Kontakt mit der Wellenfeder beabstandet, bis eine axiale Vorspannkraft überstiegen wird und die Vorsprünge eine axiale Verlagerungsbegrenzung der Kompression der Wellenfeder gegen die Unterlegscheibe bereitstellen.
Eine wieder andere Ausführungsform stellt einen Axialdämpfer zum Dämpfen und Begrenzen der axialen Verlagerung einer in einem Lagergehäuse enthaltenen REB-Anordnung bereit. Der Axialdämpfer umfasst einen ersten axial komprimierbaren Ring, der aus einer ringförmigen Wellenfeder besteht, die konfiguriert ist, um eine Lageranordnung vorzuspannen, wobei die Wellenfeder eine Vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten, axial ausgerichteten Kämmen und Tälern umfasst, und einen zweiten axial komprimierbaren Ring, der aus einer ringförmigen Wellenfeder besteht, die konfiguriert ist, um eine Lageranordnung vorzuspannen. In dieser Ausführungsform umfasst die Wellenfeder eine Vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Kämmen und Tälern, und die Täler des zweiten axial komprimierbaren Rings sind konfiguriert, um einen konstanten Vorspannungseingriff mit den Kämmen des ersten axial komprimierbaren Rings bereitzustellen. In einer weiteren Ausführungsform kann der Axialdämpfer auch einen elastomeren Verlagerungsanschlag umfassen, der zwischen den Kämmen des zweiten axial komprimierbaren Rings und den Tälern des ersten axial komprimierbaren Rings eingebunden ist.
Diese und andere Aspekte und Eigenschaften der vorliegenden Offenbarung werden besser verstanden, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen werden.
Figurenliste

1 ist eine Schnittansicht einer Turboladeranordnung mit einer Vorspannwellenfeder und einer axialen Verlagerungsbegrenzung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
2 ist eine vergrößerte Schnittansicht einer Turboladeranordnung mit einer Wellenvorspannfeder, einer Verlagerungsbegrenzung und einer Verschleißschutzscheibe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
3 ist eine vergrößerte Schnittansicht einer Turboladeranordnung mit einem Axialdämpfer gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
4 ist eine perspektivische Ansicht des elastomeren Axialdämpfers wie in 3 gezeigt.
5 ist eine vergrößerte Schnittansicht einer Turboladeranordnung mit einem Drahtgeflecht-Axialdämpfer und einer Verschleißschutzscheibe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
6 ist eine vergrößerte Schnittansicht einer Turboladeranordnung mit einem Drahtgeflecht-Axialdämpfer gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
7 ist eine vergrößerte Schnittansicht einer Turboladeranordnung mit einem Ölfilm-Axialdämpfer für eine Turboladeranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
8 ist eine perspektivische Ansicht eines Axialdämpfers für eine Turboladeranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Axialdämpfervorrichtung.
9 ist eine perspektivische Ansicht der Axialdämpfervorrichtung von 8, die außerdem eine Dämpfungsschicht aufweist.
10 ist eine perspektivische Ansicht einer gedämpften Federunteranordnung, im Folgenden als komprimierbarer Ring bezeichnet, für eine Turboladeranordnung mit einer Zwangsschicht, einer viskoelastischen Zwangsschicht und einer Vorspannfeder gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Axialdämpfervorrichtung.
11 ist eine perspektivische Ansicht eines Axialdämpfers für einen Turbolader mit zwischen den Vorspannfedern angeordneten Verlagerungsanschlägen gemäß einer Ausführungsform des vorliegenden Axialdämpfers zur Dämpfung und Begrenzung der axialen Verlagerung einer Wälzkörperlagerpatrone.
12 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht einer Turboladeranordnung mit einem Axialdämpfer gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
13 ist eine Querschnittsansicht von Abschnitt AA der in 12 gezeigten Turboladeranordnung.

Ausführliche Beschreibung
Bezugnehmend auf die Zeichnungen ist 1 eine Schnittansicht einer Turboladeranordnung 10 mit einer Vorspannfeder 2 und einer axialen Verlagerungsbegrenzung 14 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Die Turboladeranordnung 10 umfasst ferner eine Welle 5 mit einer Achse 11, ein Lagergehäuse 4, eine einreihige Wälzlager (REB)-Anordnung 17 und ein Verdichterrad 19 und ein Turbinenrad 3, die beide drehbar mit der Welle 5 verbunden sind.
Außerdem hat das Lagergehäuse 4 eine Innendurchmesserbohrung 16, die die REB-Anordnung 17 und einen Dichtungsring 9 stützt, der in eine Nut 18 passt, die in die Welle 5 geschnitten ist.
Manche REB-Systeme verwenden eine Patrone, um das Lagersystem zu halten, während manche den äußeren Laufring als Patrone verwenden. Aus Gründen der Klarheit wird davon ausgegangen, dass die hier erwähnte Anordnung eine dieser Konfigurationen sein kann. Die REB-Anordnung 17 hat einen inneren Laufring 12, der mit der Welle 5 verbunden ist, einen äußeren Laufring 6, der mit einer Dämpferschale 8 verbunden ist, die mit der Innendurchmesserbohrung 16 des Lagergehäuses 4 verbunden ist. Zwischen dem inneren und dem äußeren Laufring 12, 6 befindet sich eine Reihe von Wälzkörpern 13, die in Umfangsrichtung zwischen dem inneren und dem äußeren Laufring 6, 12 beabstandet sind. Daher dreht sich, wenn Abgase das Turbinenrad 3 drehen, die Welle 5 zusammen mit dem verbundenen inneren Laufring 12 und der zugehörigen Reihe von Wälzkörpern 13. Der äußere Laufring 6 bleibt innerhalb des Lagergehäuses 4 stationär. Die Reihe von Wälzkörpern 13 sind ein oder mehrere Kugellager aus Keramik, können aber alle Kugellager sein, die üblicherweise in Turboladern mit REB-Anordnungen verwendet werden.
Die Vorspannfeder 2 befindet sich zwischen dem Lagergehäuse 4 und der Dämpferschale 8. Die Vorspannfeder 2 wird verwendet, um eine Vorspannkraft aufzubringen, um ein Rutschen der Reihe von Wälzkörpern 13 zu verhindern. Ein Rutschen der Wälzkörper 13 kann bei Vorrichtungen nach dem Stand der Technik auftreten, wenn sich die einzelnen Kugellager der Reihe von Wälzkörpern nicht mit der gleichen Geschwindigkeit drehen. Dies ist eher bei schnellen Beschleunigungen des Turboladers oder axialen Lastwechseln der Fall. Um ein Rutschen zu verhindern, ist die Vorspannkraft in einer Ausführungsform so konzipiert, dass sie zwischen 1/3 bis 2/3 der Axialkraft beträgt, die durch den Turbolader erzeugt werden kann.
Die Turboladeranordnung 10 umfasst ferner eine axiale Verlagerungsbegrenzung 14 oder einen Anschlag. In einer Ausführungsform umfasst die Verlagerungsbegrenzung 14 einen Platzierungsanschlag 18, der an der Dämpferschale 8 befestigt ist. Während des Betriebs können Axialkräfte, die durch das sich drehende Verdichterrad oder Turbinenrad erzeugt werden, eine axiale Verlagerung der REB-Anordnung 17 verursachen, die nicht axial oder radial steif ist, um Öldämpfungsfilme sowohl in radialer als auch in axialer Richtung zu ermöglichen. Die axiale Verlagerung kann zu schädlichen Kontakten des Verdichterrads 3 mit absichtlich spielarmen Gehäusen führen, wenn sie nicht eingeschränkt wird. Außerdem können die Axialverlagerungskräfte die von der Vorspannfeder 2 bereitgestellten Vorspannkräfte übersteigen, wodurch es zu einem Kontakt zwischen dem Platzierungsanschlag 18 der Verlagerungsbegrenzung 14 und dem Lagergehäuse 4 kommt, was eine von außen messbare Beschleunigung verursacht.
Die Dämpferschale 8 dient zur Abstützung der REB-Anordnung 17 innerhalb der Innendurchmesserbohrung 16. Wie in der Ausführungsform von 1 gezeigt, umfasst die Verlagerungsbegrenzung 14 einen Platzierungsanschlag 18, der mit der Dämpferschale 8 verbunden ist. Der Platzierungsanschlag 18 ist in der Ausführungsform von 1 so dargestellt, dass er sich um 90 Grad nach oben biegt, damit der Anschlag die Schulter 15 des Lagergehäuses 4 berühren kann, um zu verhindern, dass die Dämpferschale 8 und die daran befestigte REB-Anordnung 17 durch Axialverlagerungskräfte, die durch die Drehung des Verdichterrads 19 oder des Turbinenrads 3 erzeugt werden, zu weit axial in Richtung des Verdichterrads 3 verlagert werden.
In einer Ausführungsform steht der äußere Laufring 6 direkt mit der Innendurchmesserbohrung 16 des Lagergehäuses 4 in Kontakt und es wird keine Dämpferschale verwendet (nicht dargestellt). In dieser Ausführungsform ist der Platzierungsanschlag 13 mit dem äußeren Laufring 6 verbunden. In einer anderen Ausführungsform werden anstelle der dargestellten einreihigen REB-Anordnung mehrreihige REB-Anordnungen verwendet.
In einer weiteren Ausführungsform können sich die REB-Anordnung 17, die Dämpferschale 8, die Verlagerungsbegrenzung 17 und die Vorspannfeder 2 sowie alle nachfolgend besprochenen Elemente auf dem Verdichterrad 19-Ende der Welle 5 und nicht nur auf dem Turbinenrad 3-Ende der Welle 5 befinden, wie abgebildet. Darüber hinaus kann in einer anderen Ausführungsform das REB nur an einem Ende der Welle 5 angeordnet sein, wobei das gegenüberliegende Ende der Welle 5 steif einen axialen Anschlag (nicht dargestellt) berührt.
Die Turboladeranordnung 20, am besten in 2 dargestellt, umfasst die Elemente Vorspannfeder 21, Verlagerungsbegrenzung 23 und eine optionale Verschleißschutzscheibe 27. In einem Beispiel ist die Verschleißschutzscheibe 27 optional, abhängig von der Geometrie der Wellenfeder und dem verwendeten Gehäusematerial, z. B. kann sie umfasst sein, wenn das Gehäuse aus einem weicheren Aluminium besteht, aber möglicherweise nicht, wenn das Gehäuse aus Grauguss besteht. Außerdem sind die REB-Anordnung 26, die mit der Welle 25 verbunden ist, und die Dämpferschale 28 dargestellt. Die Dämpferschale umfasst ferner den Platzierungsanschlag 22, der sich von der Ausführungsform in 1 dadurch unterscheidet, dass er relativ zu der REB-Anordnung 26 axial zu der Turbine statt axial zu der Mitte der Turboladeranordnung hin angeordnet ist. Die Ausführungsform von 2 umfasst ferner die Verschleißschutzscheibe 27, bei der es sich um Metalldrahtgeflecht handelt und die dazu dienen soll, Energie zu absorbieren und Aufprallkräfte zu verringern.
Wie in 3 am besten dargestellt, hat eine Turboladeranordnung 30 einen Axialdämpfer 38. Der Axialdämpfer 38 befindet sich in der Ausführungsform von 3 an dem Platzierungsanschlag 13. Der Axialdämpfer 38 verhindert einen harten Kontakt, wenn Axialverlagerungskräfte die Vorspannfeder 32 überwinden, indem er den Kontakt der Verlagerungsbegrenzungsfläche mit dem Axialdämpfer 38 unterbricht.
Der Axialdämpfer löst die Probleme bei den Ausführungsformen von 1 und 2, bei denen es zu einem harten Kontakt zwischen dem Lagergehäuse und der Verlagerungsbegrenzung kommt, wenn die Axialkräfte die Vorspannkräfte übersteigen. Der Axialdämpfer 38 dient zur Dämpfung der Aufprallenergie sowie als Verlagerungsbegrenzung, um die Verlagerung der REB-Anordnung 33 aufgrund von Axialverlagerungskräften zu verhindern (nebenbei wandelt Elastomer Energie in Wärme um). Die Handhabung der Aufprallenergie ist notwendig, um die Erwartungen der Verbraucher von Fahrzeugen mit Turboladern an Haltbarkeit und Geräusch- und Vibrationsrauhigkeit zu erfüllen.
In 4 ist der elastomere Axialdämpfer wie in 3 gezeigt in einer isolierten Ansicht dargestellt, um seine ringförmige Struktur zu zeigen. Wie dargestellt, ist der Axialdämpfer 38 ringförmig und aus einem elastomeren Material wie Acrylat, Butyl, Polyurethan oder Silikon gefertigt. Der Axialdämpfer 38 kann die Form eines O-Rings, D-Rings oder eine andere geeignete Form haben. In einer Ausführungsform kann es sich um einen Teilring handeln, der in die Innendurchmesserbohrung des Gehäuses passt und Aussparungen enthalten kann, um die Ölzufuhr oder Abflüsse nicht zu blockieren. In einer anderen Ausführungsform kann der Axialdämpfer 38 mit Unterbrechungen um die Merkmale des Gehäuses geformt sein oder als Beschichtung anstelle einer geformten Ringform aufgebracht werden.
Zur besseren Veranschaulichung der Turboladeranordnung 50 zeigt 5 eine vergrößerte Ansicht, die im Detail einen Drahtgeflecht-Axialdämpfer 57 und eine Verschleißschutzscheibe 53 zeigt. In einem Beispiel kann die Anordnung des Axialdämpfers und der Verschleißschutzscheibe 53 gegenüber der Ausführungsform in 5 umgekehrt sein. Ebenfalls abgebildet sind die Vorspannfeder 51, das Lagergehäuse 54, die Welle 55, die REB-Anordnung 56 und die Dämpferschale 58. In der Ausführungsform von 5 besteht der Axialdämpfer 57 aus einem Drahtgeflechtmaterial und ist ringförmig, um in Umfangsrichtung um den Außendurchmesser des Bohrlochs der Lageranordnung 54 für das Drucklager 59 angeordnet zu sein. In der Ausführungsform von 5 befindet sich neben dem Axialdämpfer 57 eine Verschleißschutzscheibe 53, die aus einem Metallring oder -glied bestehen kann und dazu dient, die Rauhigkeit zu verringern und die Aufprallenergie zwischen einem Platzierungsanschlagteil der Dämpferschale 58 und dem Lagergehäuse 54 zu absorbieren.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt 6 eine vergrößerte Schnittansicht einer Turboladeranordnung 60 mit einem Drahtgeflecht-Axialdämpfer 67. Wie dargestellt, ist in dieser Ausführungsform der Axialdämpfer in Umfangsrichtung um den mit der Dämpferschale verbundenen Platzierungsanschlag 66 angeordnet und soll als Verlagerungsbegrenzung wirken. Der Axialdämpfer 67 soll Energie absorbieren und den Schlag zwischen einem möglichen Aufprall zwischen dem Platzierungsanschlag 66 und dem Lagergehäuse 64 abmildern. Der Axialdämpfer 67 besteht in dieser Ausführungsform aus einem Drahtgeflechtmaterial, das für den Umgang mit den heißen und hochkinetischen Bedingungen im Inneren des Turboladers geeignet ist.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung, wie in 7 dargestellt, können weitere Turbolader, die eine Turboladeranordnung 70 umfassen, einen Ölfilm-Axialdämpfer 71 aufweisen, der als Axialdämpfer oder Verlagerungsbegrenzung wirkt. In dieser Ausführungsform sind ein erster Ölzufuhrkanal 77, ein zweiter Ölkanal 79, das Lagergehäuse 74, ein Ölablass 73 und ein Platzierungsanschlag 76 dargestellt. In dieser Ausführungsform kann Öl aus dem ersten Ölzufuhrkanal 77 in den zweiten Ölkanal 79 fließen, wo es abgegeben wird, um einen Ölfilm-Axialdämpfer 71 zwischen dem Verlagerungsanschlag 66 und dem Lagergehäuse 74 zu bilden. Dieser Ölfilm-Axialdämpfer 71 dient dazu, den Kontakt zwischen dem Verlagerungsanschlag 66 und dem Lagergehäuse 64 zu unterbrechen.
Der Axialdämpfer 80 für eine Turboladeranordnung kann in einer Ausführungsform zwei Ringe umfassen. Wie in 8 dargestellt, ist in dieser Ausführungsform ein Axialdämpfer 80 zur Dämpfung und Begrenzung der axialen Verlagerung einer REB-Anordnung in einem Lagergehäuse eines Turboladers enthalten. Der Axialdämpfer 80 hat einen ersten axial komprimierbaren Ring 82, der aus einer Vorspannwellenfeder besteht, die eine Vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten, axial ausgerichteten Wellungen aufweist, die Kämme 88 und Täler 87 bilden, und die konfiguriert ist, um eine REB-Anordnung vorzuspannen. Der erste axial komprimierbare Ring 82 besteht aus einem Metallmaterial oder einem beliebigen Material, das geeignet ist, um eine Vorspannkraft aufzubringen und den hohen Temperaturen und der kinetischen Umgebung eines Turboladers standzuhalten.
Der Axialdämpfer weist ferner einen zweiten axial komprimierbaren Ring 84 auf, der aus einer Unterlegscheibe besteht, die für einen konstanten Vorspannungseingriff mit dem ersten axial komprimierbaren Ring 82 in beabstandeten Kontaktbereichen auf einer axialen Seite der Unterlegscheibe konfiguriert ist, wobei die Unterlegscheibe auch sich axial erstreckende Vorsprünge 86 umfasst. Jeder der sich axial erstreckenden Vorsprünge 86 erstreckt sich von der einen axialen Seite und ist in Umfangsrichtung von jedem der Kontaktbereiche mit dem ersten axial komprimierbaren Ring 82 beabstandet. In einer Ausführungsform befinden sich die sich axial erstreckenden Vorsprünge unterhalb des Kamms des ersten axial komprimierbaren Rings, und die Täler dienen als Kontaktpunkte. Der zweite axial komprimierbare Ring 84 besteht aus einem Metallmaterial oder einem anderen Material, das geeignet ist, um eine Vorspannkraft aufzubringen und den hohen Temperaturen und der kinetischen Umgebung eines Turboladers standzuhalten. In einer weiteren Ausführungsform sind die sich axial erstreckenden Vorsprünge 86 in die Unterlegscheibe eingestanzt.
Im Betrieb dient der erste axial komprimierbare Ring 84 als Vorspannwellenfeder und ist konfiguriert, um eine Vorspannkraft auf eine REB-Anordnung innerhalb eines Lagergehäuses eines Turboladers aufzubringen. Der erste axial komprimierbare Ring 84 ist konfiguriert, um eine Vorspannkraft von mindestens 1/3 bis 2/3 der möglichen Axialverlagerungskraft aufzubringen, die während des Betriebs des Turboladers erzeugt wird. Sobald die Axialverlagerungskräfte ausreichen, um den ersten axial komprimierbaren Ring 82 zu überwinden, dienen die sich axial erstreckenden Vorsprünge 86 als Verlagerungsbegrenzung oder Anschlag und unterbrechen den Aufprall der REB-Anordnung auf das Lagergehäuse durch Absorption der Aufprallenergie.
In einer Ausführungsform ersetzt der Axialdämpfer 80 die Vorspannwellenfeder 2 in der Ausführungsform von 1. Da in dieser Ausführungsform die axial erweiterbaren Vorsprünge 86 des zweiten axial komprimierbaren Rings 84 als Verlagerungsbegrenzung oder Anschlag dienen, sind die Verlagerungsbegrenzung 18 oder der Platzierungsanschlag 13 nicht erforderlich.
Die Axialdämpfer 80 -Vorrichtung von 8, die ferner eine zusätzliche Dämpfungsschicht aufweist, ist am besten in 9 dargestellt. In dieser Ausführungsform ist ein dritter axial komprimierbarer Ring 95 eine Elastomer- oder Drahtgeflecht-Dämpfungsschicht und steht in konstantem Vorspannungseingriff mit einer zweiten axialen Seite der Unterlegscheibe. In einer Ausführungsform steht die Dämpfungsschicht während des Betriebs in Kontakt mit dem Lagergehäuse und die Vorspannwellenfeder in Kontakt mit der REB-Anordnung oder der Dämpferschale. In einer anderen Ausführungsform steht die Dämpfungsschicht in Kontakt mit der REB-Anordnung oder der Dämpferschale und die Vorspannwellenfeder in Kontakt mit dem Lagergehäuse.
Ein Axialdämpfer 100 für eine Turboladeranordnung ist in 10 dargestellt und zeigt detailliert eine Zwangsfeder 106, eine viskoelastische oder elastische Zwangsschicht 104 und eine Vorspannfeder 102 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. In einer Ausführungsform befindet sich die viskoelastische oder elastische Zwangsschicht zwischen der Vorspannfeder 102 und der Zwangsfeder 106, und die Zwangsfeder 106 hat eine Spannung, die geringer ist als die Spannung der Vorspannfeder. In einer weiteren Ausführungsform hat die Vorspannfeder 102 eine Dicke und die Zwangsfeder 106 hat eine geringere Dicke als die Vorspannfeder 102, und diese ungleiche Federdicke überträgt die seitliche Umlenkung in eine Scherbelastung der viskoelastischen oder elastischen Zwangsschicht 106.
In einer Ausführungsform verbinden sich zwei der Schichten des Axialdämpfers 100 mit dem Axialdämpfer von 8. In dieser Ausführungsform umfasst der erste axial komprimierbare Ring 82 ferner eine Zwangsfeder 106 mit einer ersten und einer zweiten axialen Seite und eine viskoelastische oder elastische Zwangsschicht 104 mit einer ersten und einer zweiten axialen Seite. In dieser Ausführungsform steht die axiale Seite der Zwangsfeder 106 in Kontakt mit der ersten axialen Seite der viskoelastischen oder elastischen Zwangsschicht 104, und die zweite axiale Seite der viskoelastischen oder elastischen Zwangsschicht steht in Kontakt mit einer axialen Seite der Vorspannwellenfeder 82.
Wie in 11 dargestellt, ist ein Axialdämpfer 110 für einen Turbolader mit Verlagerungsanschlägen 116 zwischen einer ersten 112 und einer zweiten 114 Vorspannwellenfeder gezeigt. Die Verlagerungsanschläge 116 können aus einem elastomeren Material bestehen und sind in einer Ausführungsform zwischen den Kämmen der ersten 112 und zweiten 112 Vorspannwellenfeder eingebunden. In dieser Ausführungsform könnte der Axialdämpfer 110 an die Stelle einer Vorspannfeder treten, z. B. der Vorspannfeder 2 von 1. In dieser Ausführungsform ist keine separate Verlagerungsbegrenzung erforderlich, da die Verlagerungsanschläge 116 die Funktion einer Verlagerungsbegrenzung und eines Axialdämpfers erfüllen, indem sie verhindern, dass sich die Kämme der Vorlastwellenfedern beim Zusammendrücken der Federn zwischen einem Lagergehäuse und einer REB-Anordnung oder einer Dämpferschale gegenseitig berühren.
Um die Platzierung der Axialdämpfer wie oben besprochen am besten zu zeigen, zeigt 12 in einer beispielhaften Ausführungsform eine Turboladeranordnung 120 mit einem Axialdämpfer 122 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. In 12 sind ferner das Lagergehäuse 124, die REB-Anordnung 123, die den inneren Laufring 129 und den äußeren Laufring 126 umfasst, die Welle 125 und die Dämpferschale 128 dargestellt. In einer Ausführungsform befindet sich der Axialdämpfer 122 axial zwischen der REB-Patrone und dem Lagergehäuse und radial, zumindest teilweise, innerhalb der Dämpferschale 128 und der Innendurchmesserbohrung des Lagergehäuses 124. In einer weiteren Ausführungsform könnte sich der Axialdämpfer 122 axial zwischen der Dämpferschale 128 und dem Lagergehäuse 124 befinden. In der Ausführungsform von 12 ist der Axialdämpfer 122 der Axialdämpfer, wie er in 11 gezeigt ist, aber in einer weiteren Ausführungsform könnte der Axialdämpfer 122 jede der in den 4-6 und 8-10 gezeigten Axialdämpferausführungen sein.
In 13 ist eine Querschnittsansicht von Abschnitt AA der Turboladeranordnung 120, wie in 12 gezeigt, dargestellt. In dieser Ansicht sind der innere Laufring 129, der Axialdämpfer 122, die Dämpferschale 128 und das Lagergehäuse 124 dargestellt.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Im Allgemeinen können die Lehren der vorliegenden Offenbarung eine breite Anwendbarkeit in vielen Industriezweigen finden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Automobil-, Einspur-Fahrzeug-, Marine-, Elektronik-, stationäre Energie- und Transportindustrie. Insbesondere kann die vorliegende Offenbarung Anwendbarkeit in jeder Industrie finden, die Motoren verwendet, die mit Turboladern mit REB-Anordnungen arbeiten.
Signifikante Verbesserungen der Effizienz, der Langlebigkeit von Turboladern und der Reduzierung des Geräuschpegels in einer Fahrzeugkabine können unter Verwendung der Lehren der vorliegenden Offenbarung realisiert werden. Es ist dokumentiert, dass die externen Gehäuseschwingungen von elektronisch unterstützten Turboladern Kräfte zwischen 2-5g erzeugen, was zu erheblichen Geräuschpegeln in Personenkraftwagen führt. Kundenbeschwerden sind häufig, wenn die Beschleunigungskräfte des Gehäuses 1 g übersteigen und damit die Geräusch-Vibrations-Rauhigkeits (NVH, noise vibration harshness)-Erwartungen nicht erfüllen. Die Dämpfung der Axialaufprallkräfte mit den offenbarten Verfahren wird die Vibrations- und das Geräuschverhalten von elektrisch unterstützten Turboladern verbessern, um die Kundenerwartungen zu erfüllen. Die Verbesserungen der vorliegenden Erfindung können weniger als 1 g Schwingungskräfte entsprechen, die von einem elektronisch unterstützten, absichtlich spielarmen Turbolader aufgrund der Axialdämpfung und Verlagerungsbegrenzungsmerkmale und Elemente ausgehen.
Eine Turboladeranordnung 30, die eine einreihige REB-Anordnung 33 aufweist, ist in 3 dargestellt. Insbesondere zeigt 3 den Axialdämpfer 36, der in der Turboladeranordnung 30 installiert ist, wie in 4 isoliert dargestellt. Während des Betriebs arbeitet der Axialdämpfer 36 zur Dämpfung von transienten Kräften, um Gelegenheiten Rechnung zu tragen, bei denen die Axialkräfte die von der Vorspannfeder 32 erzeugten Vorspannkräfte übersteigen können, wodurch ein harter Kontakt zwischen dem Lagergehäuse 34 und der Verlagerungsbegrenzung 36 verhindert wird. Somit stellen die Ausführungsform von 3 sowie die Ausführungsformen der 5-7 eine verbesserte Handhabung der Aufprallenergie bereit und verhindert hohe messbare Beschleunigungen in einer Fahrzeugkabine.
Um eine axiale Verlagerung zu dämpfen und zu begrenzen, ist in 8 eine Axialdämpfervorrichtung 80 für eine in einem Lagergehäuse enthaltene REB-Anordnung dargestellt. Insbesondere zeigt 8 einen ersten axial komprimierbaren Ring 82 und einen zweiten axial komprimierbaren Ring 84, die in der Lage sind, eine Vorspannfeder, wie die Vorspannfeder 2 von 1, in einem Turbolader mit einer REB-Anordnung zu ersetzen. Der erste axial komprimierbare Ring 82 des Axialdämpfers 80 hat eine Wellenvorspannfeder, und der zweite axial komprimierbare Ring 84 hat sich axial erstreckende Vorsprünge 86, die als Verlagerungsbegrenzung wirken. Somit können die Ausführungsform von 8 sowie die Ausführungsformen der 9-11 als verbesserter Axialdämpfer und als Verlagerungsbegrenzung für Turbolader mit REB-Anordnungen dienen. Daher benötigt die REB-Anordnung des Turboladers keine herkömmliche Verlagerungsbegrenzungsfunktion an einer Dämpferschale, die teuer in der Herstellung ist und einen übermäßigen Materialabtrag erfordert.
Wie dargestellt, ermöglicht der Einbau einer Vorspannfeder mit eingebauter Verlagerungsbegrenzungseigenschaft oder einem Verlagerungsbegrenzungselement in die Axialdämpfer 80, 90, 100 und 110 eine Reduzierung der Verpackungsgröße, der Kosten und des Gewichts des Turboladers.
Während die vorstehende ausführliche Beschreibung in Bezug auf bestimmte spezifische Ausführungsformen bereitgestellt wurde, soll der Anwendungsbereich der Offenbarung nicht als auf solche Ausführungsformen beschränkt verstanden werden. Der Umfang und der Geist der vorliegenden Offenbarung ist breiter als die Ausführungsformen, die spezifisch offenbart sind und von den folgenden Ansprüchen umfasst werden.
Außerdem sind manche Eigenschaften zwar in Verbindung mit bestimmten spezifischen Ausführungsformen beschrieben, diese Eigenschaften sind jedoch nicht auf die Verwendung nur mit der Ausführungsform beschränkt, mit der sie beschrieben sind. Vielmehr können Aspekte der spezifischen Ausführungsformen mit anderen Eigenschaften, die im Zusammenhang mit alternativen Ausführungsformen offenbart werden, kombiniert oder durch diese ersetzt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8807840 B2 [0006]

Claims

Turbolader, der Folgendes umfasst: einen Drehkranz einschließlich einer Welle und eines an einem Ende der Welle befestigten Turbinenrads; ein Lagergehäuse einschließlich einer Lagerbohrung mit einem Innendurchmesser; eine Wälzlageranordnung, die in dem Lagergehäuse gelagert ist, wobei die Wälzlageranordnung einen inneren Laufring in Verbindung mit der Welle, einen äußeren Laufring in Verbindung mit dem Innendurchmesser des Lagergehäuses direkt oder indirekt mit einer Dämpferschale, eine Reihe von Wälzkörpern, die in Umfangsrichtung zwischen dem inneren und dem äußeren Laufring beabstandet sind, umfasst, wobei jeder Wälzkörper mit dem inneren und dem äußeren Laufring in Kontakt steht; und einen Axialdämpfer, der zum Dämpfen und Begrenzen der axialen Verlagerung der in dem Lagergehäuse enthaltenen Wälzlageranordnung konfiguriert ist.
Turbolader nach Anspruch 1, wobei die Wälzlageranordnung ferner einen mit der Dämpferschale verbundenen Platzierungsanschlag umfasst.
Turbolader nach Anspruch 2, wobei der Platzierungsanschlag konfiguriert ist, um zu begrenzen, wie weit sich die Wälzlageranordnung innerhalb der Innendurchmesserbohrung axial bewegen kann.
Turbolader nach Anspruch 3, wobei der Axialdämpfer elastomer ist.
Turbolader nach Anspruch 4, wobei sich der Axialdämpfer zwischen dem Platzierungsanschlag und dem Lagergehäuse befindet.
Turbolader nach Anspruch 3, wobei der Axialdämpfer ein Drahtgeflechtring ist.
Turbolader nach Anspruch 6, wobei sich der Drahtgeflechtring zwischen dem Platzierungsanschlag und dem Lagergehäuse befindet.
Turbolader nach Anspruch 1, wobei die Wälzlageranordnung ferner eine Verschleißschutzscheibe umfasst, der Axialdämpfer ein Drahtgeflechtring ist und sich der Drahtgeflechtring zwischen der Verschleißschutzscheibe und dem Lagergehäuse befindet.
Turbolader nach Anspruch 3, wobei der Axialdämpfer ein axialer Ölfilm ist.
Turbolader nach Anspruch 9, wobei der axiale Ölfilm konfiguriert ist, um den Kontakt zwischen der Wälzlageranordnung und dem Lagergehäuse zu unterbrechen.
Axialdämpfervorrichtung zum Dämpfen und Begrenzen der axialen Verlagerung einer in einem Lagergehäuse enthaltenen Wälzlageranordnung, umfassend: einen ersten axial komprimierbaren Ring, der eine ringförmige Wellenfeder umfasst, die konfiguriert ist, um eine Lageranordnung vorzuspannen, wobei die Wellenfeder eine Vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten, axial ausgerichteten Wellungen umfasst; und einen zweiten axial komprimierbaren Ring, der eine Unterlegscheibe umfasst, die für einen konstanten Vorspannungseingriff mit der Wellenfeder in beabstandeten Kontaktbereichen auf einer axialen Seite der Unterlegscheibe konfiguriert ist, wobei die Unterlegscheibe sich axial erstreckende Vorsprünge umfasst, wobei jeder Vorsprung in Umfangsrichtung von einem der Kontaktbereiche beabstandet ist, wobei sich jeder der Vorsprünge von der einen axialen Seite in Richtung der Wellenfeder erstreckt, wobei jeder Vorsprung axial von einem physischen Kontakt mit der Wellenfeder beabstandet ist, bis eine axiale Vorspannkraft überstiegen wird, und wobei die Vorsprünge eine axiale Verlagerungsbegrenzung der Kompression der Wellenfeder gegen die Unterlegscheibe bereitstellen.
Axialdämpfervorrichtung nach Anspruch 11, die ferner einen dritten axial komprimierbaren Ring umfasst, wobei der dritte axial komprimierbare Ring eine Elastomer- oder Drahtgeflechtdämpfungsschicht ist, wobei der dritte axial komprimierbare Ring in konstantem Vorspannungseingriff mit einer zweiten axialen Seite der Unterlegscheibe steht.
Axialdämpfervorrichtung nach Anspruch 11, wobei der erste Ring ferner eine Zwangsfeder mit einer ersten und einer zweiten axialen Seite und eine viskoelastische Schicht mit einer ersten und einer zweiten axialen Seite umfasst, wobei die zweite axiale Seite der Zwangsfeder in Kontakt mit der ersten axialen Seite der viskoelastischen Zwangsschicht steht, und die zweite axiale Seite der viskoelastischen Zwangsschicht in Kontakt mit einer axialen Seite der Wellenfeder steht.
Axialdämpfervorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Wälzlageranordnung in dem Lagergehäuse gelagert ist, wobei die Walzlageranordnung einen inneren Laufring, der mit einer Welle verbunden ist, und einen äußeren Laufring, der mit einem Innendurchmesser des Lagergehäuses direkt oder indirekt mit einer Dämpferschale verbunden ist, und eine Reihe von Wälzkörpern umfasst, die in Umfangsrichtung zwischen dem inneren und dem äußeren Laufring beabstandet sind, wobei jeder Wälzkörper in Kontakt mit dem inneren und dem äußeren Laufring steht.
Axialdämpfervorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Lageranordnung ferner eine Bohrung mit einem Innendurchmesser umfasst.
Axialdämpfervorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Axialdämpfervorrichtung den Innendurchmesser der Bohrung umschreibt.
Axialdämpfervorrichtung nach Anspruch 16, wobei sich der Axialdämpfer zwischen der Wälzlageranordnung und dem Lagergehäuse befindet.
Axialdämpfervorrichtung nach Anspruch 17, wobei der Axialdämpfer mit der Dämpferschale in Kontakt steht.
Axialdämpfer zum Dämpfen und Begrenzen der axialen Verlagerung einer in einem Lagergehäuse enthaltenen Wälzlageranordnung, umfassend: einen ersten axial komprimierbaren Ring, der eine ringförmige Wellenfeder umfasst, die konfiguriert ist, um eine Lageranordnung vorzuspannen, wobei die Wellenfeder eine Vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten, axial ausgerichteten Kämmen und Tälern umfasst; einen zweiten axial komprimierbaren Ring, der eine ringförmige Wellenfeder umfasst, die konfiguriert ist, um eine Lagerpatrone vorzuspannen, wobei die Wellenfeder eine Vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Kämmen und Tälern umfasst, wobei die Täler des zweiten axial komprimierbaren Rings für einen konstanten Vorspannungseingriff mit den Kämmen des ersten axial komprimierbaren Rings konfiguriert sind; und mindestens einen elastomeren Verlagerungsanschlag, der zwischen den Kämmen des zweiten axial komprimierbaren Rings und den Tälern des ersten axial komprimierbaren Rings eingebunden ist.
Axialdämpfer nach Anspruch 19, wobei der mindestens eine elastomere Verlagerungsanschlag würfel- oder kugelförmig ist.