DE10219430A1

DE10219430A1 - Verfahren zur Axiallagerkraftmessung an einer Welle einer technischen Einrichtung, insbesondere an einem Abgasturbolader sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE10219430A1
Application number: DE2002119430
Authority: DE
Inventors: Henning Marckwardt
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2002-05-02
Filing date: 2002-05-02
Publication date: 2003-11-20
Anticipated expiration: 2022-05-03
Also published as: DE10219430B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung (10) zur Axiallagerkraftmessung an einer Welle (2) einer technischen Einrichtung (1), insbesondere an einem Abgasturbolader (8). DOLLAR A Verfahren und Vorrichtung (10) sollen derart ausgebildet werden, daß die Axiallagerkraft, einschließlich kurzfristiger dynamischer Änderungen unter verschiedenen Betriebsbedingungen sicher und korrekt ermittelbar ist. Dies wird dadurch erreicht, daß das axiale Lager (3) der technischen Einrichtung (1) außer Funktion gesetzt wird, daß ein weiteres Lager (4) mit einer Meßvorrichtung (5) zur Messung der Axialkraft eingebaut wird und daß dann ein Meßlauf zur Messung der Axialkraft erfolgt. Weiterhin beinhaltet die Erfindung eine Vorrichtung (10) zur Durchführung dieses Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Axiallagerkraftmessung an einer Welle einer technischen Einrichtung, insbesondere an einem Abgasturbolader sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Bei vielen technischen Einrichtungen treten Axialkräfte auf, die durch entsprechende Lager abgefangen werden müssen, jedoch nicht ohne weiteres rechnerisch ermittelt werden können, da sie von vielfältigen Betriebsbedingungen abhängen. Unter diesen Betriebsbedingungen müssen die Axialkräfte ermittelt werden. Beispielsweise muß zur sicheren Auslegung von Abgasturboladern die Lagerung des Laufzeuges in der Entwicklung hinsichtlich verschiedener Kriterien abgeprüft werden. Durch die unterschiedlichen Drücke vor und hinter dem Verdichter- und dem Turbinenrad sowie durch den Impuls der ein- und ausströmenden Gase ergibt sich eine resultierende Axialkraft, die durch ein entsprechendes axiales Gleitlager aufgenommen wird. Die Höhe dieser Axialkraft wird überprüft.
Derzeit erfolgt diese Überprüfung über ein kombiniertes Meß-/Recherchenverfahren, bei dem Drücke vor und hinter den Laufrädern gemessen werden und über ein Rechenmodell daraus die resultierende Axialkraft ermittelt wird. Dieses Verfahren ist aufgrund von Unsicherheiten in dem Simulationsmodell sehr ungenau und bei weiterer Annäherung an die Grenze der Tragfähigkeit des Lagers, insbesondere bei sehr hohen Drehzahlen, nicht mehr ausreichend. Eine Ermittlung der dynamischen Lagerbelastung ist aufgrund von Trägheiten bei der Druckmessung nicht möglich.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß die Axiallagerkraft einschließlich kurzfristiger dynamischer Änderungen unter verschiedenen Betriebsbedingungen sicher und korrekt ermittelbar ist. Weiterhin soll eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens verfügbar gemacht werden.
Die Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens dadurch gelöst, daß das axiale Lager der technischen Einrichtung außer Funktion gesetzt wird, daß ein weiteres Lager mit einer Meßvorrichtung zur Messung der Axialkraft eingebaut wird und daß dann ein Meßlauf zur Messung der Axialkraft erfolgt.
Die Aufgabe bezüglich der Vorrichtung wird dadurch gelöst, daß ein auf die Welle der technischen Einrichtung in Wirkverbindung bringbares weiteres axiales Lager mindestens zwei Meßarme aufweist, die zum Gehäuse der technischen Einrichtung abstützbar sind, und daß an mindestens einem Meßarm mindestens eine Meßvorrichtung zur Erfassung der Biegung des Meßarms angeordnet ist.
Durch die Erfindung ist es möglich, die Axialkraft unter verschiedensten Betriebsbedingungen exakt zu ermitteln. Auch dynamische kurzfristige Änderungen der Axialkraft sind ermittelbar, selbst bei extremen Belastungen und sehr hohen Drehzahlen.
Das axiale Lager läßt sich auf unterschiedlichste Weise außer Funktion setzen. Es kann ganz oder teilweise - beispielsweise eine Lagerhälfte eines Gleitlagers - ausgebaut werden oder es kann bei einer technischen Einrichtung von vielen baugleichen Einrichtungen zu den Versuchszwecken eine Veränderung, beispielsweise durch Aufbohren eines Gleitlagers, erfolgen, damit kein Kontakt der Lagerteile mehr besteht. Eine eventuelle Schmierung, z. B. durch eine Ölzufuhr muß dann natürlich unterbrochen werden. Je nach Ausgestaltung der technischen Einrichtung ist auch eine andere Maßnahme, wie eine geringe axiale Verschiebung der Achse oder eine Herausnahme eines Zwischenrings möglich.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit der technischen Einrichtung in Wirkverbindung gebracht wird, kann je nach den gegebenen Umständen auf unterschiedlichste Weise ausgebildet sein. Sie kann in die technische Einrichtung an- oder eingebaut werden. Die Meßarme können sich am Gehäuse selbst abstützen oder an einem Bauteil oder dem Boden, so daß die Abstützung zum Gehäuse festgelegt ist. Auch die Wirkverbindung zur Welle der technischen Einrichtung kann unmittelbar oder mittelbar ausgebildet sein. Die Vorrichtung kann also an alle Arten und Größen von technischen Einrichtungen, beispielsweise von Abgasturboladern, angepaßt werden. Durch geringe Eingriffe in die Konstruktion der technischen Einrichtung ist dabei nur eine minimale Rückwirkung auf die Meßgröße zu erwarten, so daß die Messungen ausreichend genau sind.
Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung dienen der näheren Ausgestaltung, der Vielfalt der Einsatzmöglichkeiten und der Anpassung an verschiedene technische Einrichtungen, insbesondere an den Einsatz bei Abgasturboladern.
Die Meßvorrichtung zur Erfassung der Biegung des mindestens eines Meßarms kann auf unterschiedlichste Weise ausgestaltet werden. Eine einfache, sowie gut und sicher funktionierende Ausgestaltung besteht darin, daß die Meßvorrichtung ein Dehnmeßstreifen mit einer Auswerteeinrichtung ist. Es ist dann mit einer geeigneten Kalibrierung möglich, die elektrischen Signale direkt als wirkende Axialkraft abzulesen oder weiterzuverarbeiten. Die Auswerteeinrichtung kann eine Einrichtung zum Ausdrucken oder Ablesen der Meßergebnisse sein oder es kann sich um einen Computer handeln, der die Meßwerte aufnimmt und gegebenenfalls auch in gewünschter Weise sofort weiterverarbeitet, beispielsweise um sie den jeweiligen, ebenfalls zu erfassenden Betriebsbedingungen zuzuordnen.
Zweckmäßigerweise sind mindestens zwei Meßarme vorgesehen, da auf diese Weise besser die Axialkräfte aufgenommen werden können, welche im Normalbetrieb der technischen Einrichtung das außer Funktion gesetzte Lager aufnimmt.
Vorzugsweise ist die Abstützung des mindestens eines Meßarms zum Gehäuse der technischen Einrichtung derart ausgebildet, daß sie ein Spiel aufweist, das dem Spiel des außer Funktion gesetzten axialen Lagers entspricht. Auf diese Weise können Meßergebnisse aufgenommen werden, die weitgehendst den Belastungen des Normalbetriebs entsprechen.
In manchen Fällen ist es möglich, daß das weitere axiale Lager auf die Welle der technischen Einrichtung aufbringbar ist. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn sich die Vorrichtung in die technische Einrichtung einfügen läßt. Sie muß dann natürlich entsprechend bemessen und ausgebildet sein.
Manchmal kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch an einem aus der technischen Einrichtung herausstehenden Wellenende angeordnet werden oder es ist auch möglich, daß eine Wellenverlängerung der Welle der technischen Einrichtung vorgesehen ist, auf der das axiale Lager der Vorrichtung anordenbar ist. Handelt es sich bei der technischen Einrichtung um einen Abgasturbolader, so ist es zweckmäßig, wenn die Wellenverlängerung für die Anbringung der Vorrichtung auf der Verdichterseite außerhalb des Verdichters angefügt ist, da auf dieser Seite geringere Temperaturen herrschen als auf der Turbinenseite.
Für Vorrichtungen mit sehr hohen Drehzahlen, insbesondere für Abgasturbolader, ist es zweckmäßig, wenn das weitere axiale Lager ein Hybridkugellager mit Keramikkugeln ist. Dadurch sind auch die dort auftretenden hohen Drehzahlen von über 20.000 Umdrehungen pro Minute bis zu 200.000 Umdrehungen pro Minute kein Problem. Zur Aufnahme hoher Kräfte kann das weitere axiale Lager aus gepaarten Schrägkugellagern bestehen.
Um schnelle dynamische Änderungen der Axialkräfte erfassen zu können, ist es zweckmäßig, wenn die Meßvorrichtung zur Ermittlung von Meßdaten in sehr kurzen Zeitabständen ausgebildet ist und daher eine hohe Abtastrate bei der Datenaufzeichnung und der Zuordnung erfaßter Daten zu den jeweiligen Betriebsbedingungen möglich ist.
Bei der Anwendung der Vorrichtung an Abgasturboladern ist es zweckmäßig, wenn der mindestens eine Meßarm am Verdichtergehäuse abgestützt ist. Dies kann unmittelbar oder - wie bereits oben erwähnt - in mittelbarer Weise erfolgen. Die Anordnung der Vorrichtung am Abgasturbolader kann beispielsweise dadurch vorgenommen werden, daß die Innenringe der das weitere axiale Lager bildenden Kugellager durch eine Mutter gegen die Verdichtermutter verspannt sind. Dies kann auf einem aus dem Verdichter herausragenden Wellenende geschehen oder auf einer dort angefügten Wellenverlängerung.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung an einen Abgasturbolader angebaut und
Fig. 3 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einen Abgasturbolader eingefügt.
Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10. Sie besteht aus einem axialen Lager 4, an das Meßarme 6, 6' angefügt sind. Auf diesen Meßarmen 6, 6' befinden sich Dehnmeßstreifen 17, welche mit einer Auswerteeinrichtung 9 verbunden sind. Dehmeßstreifen 17 und Auswerteeinrichtung 9 ergeben die Meßvorrichtung 5 zur Messung der Axiallagerkraft.
Das axiale Lager 4 tritt als weiteres axiales Lager an die Stelle eines axialen Lagers 3 (siehe Fig. 2) der technischen Einrichtung 1, deren Axiallagerkraft zu messen ist, wobei letzteres außer Funktion gesetzt ist. Daher ist das weitere axiale Lager 4 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 auf die Welle 2 der technischen Einrichtung 1 aufgebracht und dort in axialer Richtung festgelegt, um die Axialkräfte in meßbarer Weise aufzunehmen. Die Enden der Meßarme 6, 6' sind im Gehäuse 7 der technischen Einrichtung 1gelagert. Statt im Gehäuse 7 kann diese Lagerung auch auf Halterungen 18 (Fig. 2) angeordnet sein, die mit dem Gehäuse 7 der technischen Einrichtung 1 verbunden sind.
Die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 besteht darin, daß axiale Kräfte der technischen Einrichtung 1 auf die Meßarme 6, 6' wirken und diese dabei ein geringes Maß elastisch verbiegen. Diese Biegung wird durch die Dehnmeßstreifen 17 in elektrische Signale umgewandelt, denen mittels der Auswerteeinrichtung 9 die aufgetretenen Axiallagerkräfte zugeordnet werden können.
Fig. 2 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 an einen Abgasturbolader 8 angebaut. Der Abgasturbolader 8 ist hier die technische Einrichtung 1, deren Axiallagerkraft zu ermitteln ist. Dabei ist das axiale Lager 3 des Abgasturboladers 8 außer Funktion gesetzt, indem entweder das axiale Gleitlager aufgebohrt wurde oder indem dieses oder ein Lagerteil desselben entnommen wurde. Zur Aufnahme und Messung der Axialkräfte wird ein weiteres axiales Lager 4, es ist das der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10, mit der Welle 2 des Abgasturboladers 8 in Wirkverbindung gebracht. Dies geschieht in diesem Ausführungsbeispiel dadurch, daß an die Welle 2 des Abgasturboladers 8 eine Wellenverlängerung 11 angefügt wird, um auf dieser Wellenverlängerung 11 zwischen der Verdichtermutter 16 und einer Mutter 15, die Innenringe der Kugellager 14 des weiteren Lagers 4 festzulegen. An das Verdichtergehäuse 13 können Halterungen 18 für die Meßarme 6, 6' angebracht sein, in denen diese Meßarme 6, 6' gelagert sind und dabei möglichst das gleiche Spiel aufweisen wie das Spiel des außer Funktion gesetzten axialen Lagers 3. Alternativ kann auch das Originalverdichtergehäuse zu diesem Zweck verlängert werden. Die Anfügung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 wird vorzugsweise auf der Seite des Verdichters 12 vorgenommen, da an dieser Stelle geringere Temperaturen auftreten, wie auf der gegenüberliegenden Seite des Abgasturboladers 8, die die Turbine 19 beinhaltet, welche mit heißen Abgasen angetrieben wird. Bezüglich der Funktion wird auf die Beschreibung zur Fig. 1 verwiesen, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile mit gleichen Funktionen beinhalten.
Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10, die in einen Abgasturbolader 8 eingefügt ist. Zu diesem Zweck wurde das axiale Lager 3 des Abgasturboladers 8 herausgenommen und an dessen Stelle die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 eingefügt. Dabei ist das weitere axiale Lager 4, das an die Stelle des bisherigen axialen Lagers 3 tritt, auf der Welle 2 in axialer Richtung festgelegt. Die Meßarme 6, 6' sind im Gehäuse 7 des Abgasturboladers 8 gelagert. Die übrigen Bezugszeichen entsprechen den oben bereits erwähnten Bauteilen und weisen ebenfalls dieselben Funktionen auf.
Die Fig. 2 und 3 beinhalten selbstverständlich nur ein Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10. Bei sämtlichen anderen technischen Einrichtungen 1, bei denen die Axiallagerkraft unter verschiedenen Betriebsbedingungen erfaßt werden muß, kann diese erfindungsgemäße Vorrichtung 10 angefügt oder eingebaut werden, um auch dort eine exakte Messung der Axiallagerkräfte vorzunehmen. Bezugszeichenliste 1 technische Einrichtung (z. B. Abgasturbolader)
2 Welle der technischen Einrichtung
3 axiales Lager der technischen Einrichtung
4 weiteres axiales Lager
5 Meßvorrichtung
6, 6' Meßarm
7 Gehäuse der technischen Einrichtung
8 Abgasturbolader
9 Auswerteeinrichtung
10 Vorrichtung (erfindungsgemäße)
11 Wellenverlängerung
12 Verdichter
13 Verdichtergehäuse
14 Kugellager des weiteren axialen Lagers
15 Mutter
16 Verdichtermutter
17 Dehnmeßstreifen
18 Halterungen für Meßarme
19 Turbine

Claims

1. Verfahren zur Axiallagerkraftmessung an einer Welle (2) einer technischen Einrichtung (1), insbesondere an einem Abgasturbolader (8), dadurch gekennzeichnet, daß das axiale Lager (3) der technischen Einrichtung (1) außer Funktion gesetzt wird, daß ein weiteres Lager (4) mit einer Meßvorrichtung (5) zur Messung der Axialkraft eingebaut wird und daß dann ein Meßlauf zur Messung der Axialkraft erfolgt.

2. Vorrichtung (10) zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein auf die Welle (2) der technischen Einrichtung (1) in Wirkverbindung bringbares weiteres axiales Lager (4) mindestens zwei Meßarme (6, 6') aufweist, die zum Gehäuse (7) der technischen Einrichtung (1) abstützbar sind, und daß an mindestens einem Meßarm (6, 6') mindestens eine Meßvorrichtung (5) zur Erfassung der Biegung des Meßarms (6, 6') angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung (5) mindestens ein Dehnmeßstreifen (17) mit einer Auswerteeinrichtung (9) ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Meßarme (6, 6') vorgesehen sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützung des mindestens einen Meßarms (6, 6') zum Gehäuse (7) der technischen Einrichtung (1) ein Spiel aufweist, das dem Spiel des außer Funktion gesetzten axialen Lagers (3) entspricht.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis S. dadurch gekennzeichnet, daß das weitere axiale Lager (4) auf die Welle (2) der technischen Einrichtung (1) aufbringbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie derart bemessen und ausgebildet ist, daß sie in die technische Einrichtung (1) einfügbar ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wellenverlängerung (11) der Welle (2) der technischen Einrichtung (1) vorgesehen ist, auf der das axiale Lager (3) der Vorrichtung (10) anordenbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenverlängerung (11) bei einem Abgasturbolader (8) für die Anbringung auf der Verdichterseite außerhalb des Verdichters (11) ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere axiale Lager (4) ein Hybridkugellager mit Keramikkugeln ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere axiale Lager (4) aus gepaarten Schrägkugellagern besteht.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung (5) zur Ermittlung von Meßdaten in sehr kurzen Zeitabständen ausgebildet ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Meßarm (6, 6') am Verdichtergehäuse (13) abgestützt ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenringe der das weitere axiale Lager (4) bildenden Kugellager (14) durch eine Mutter (15) gegen die Verdichtermutter (16) verspannt sind.