DE10261869A1

DE10261869A1 - Lager für eine schnelldrehende Welle

Info

Publication number: DE10261869A1
Application number: DE10261869A
Authority: DE
Inventors: Norbert Ermisch; Ingo Zimbal
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2002-12-20
Filing date: 2002-12-20
Publication date: 2004-08-05

Abstract

Es wird ein zur Kompensation sowohl radialer als auch axialer Kräfte besonders geeignetes Lager (1) für eine um eine Drehachse (3) schnelldrehende Welle (2) mit einem rotationsfest mit der Welle (2) verbundenen Läufer (4) und einem unbewegten, mit einer Durchführung zur Aufnahme des Läufers (4) versehenen Außenlager (6) angegeben, bei welchem der Läufer (4) zur Bildung einer balligen Lauffläche (11) einen von beiden Axialenden (7, 8) her kontinuierlich bis zu einem gemeinsamen Scheitel (10) abnehmenden oder zunehmenden Radius (R) aufweist, und bei welchem das Außenlager (6) eine zum Läufer (4) im wesentlichen komplementäre Form aufweist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Lager, insbesondere ein hydrodynamisches Lager oder auch Gleitlager, für eine um eine Drehachse schnelldrehende Welle mit einem rotationsfest mit der Welle verbundenen Läufer und mit einem unbewegten, mit einer Durchführung zur Aufnahme des Läufers versehenen Außenlager. Ein solches Lager findet vielfach in der Antriebs- und Turbinentechnik Verwendung. Insbesondere wird ein solches Lager zur Lagerung der Antriebswelle eines Turboladers oder Turboverdichters eingesetzt.
Die Wirkung eines Gleitlagers beruht darauf, dass zwischen der Lauffläche der Welle oder eines mit der Welle rotationsfest verbundenen Läufers und einer dicht an dieser Lauffläche anliegenden Lagerschale des ortsfesten Außenlagers ein dünner, flächiger Gleitspalt gebildet ist, der zur Verminderung der Reibung zwischen dem Läufer und dem Außenlager mit einem Schmiermittel befällt ist. Das Schmiermittel wird dabei häufig während des laufenden Betriebs unter Druck in das Lager nachgeliefert und verteilt sich durch die Rotation des Läufers gleichmäßig im Gleitspalt. Das Schmiermittel dient weiterhin zui berührungslosen Übertragung von auf die Welle wirkenden Kräften auf das Außenlager.

Bei einem herkömmlichen Gleitlager, wie es beispielsweise aus der DE 43 30 380 A1 zur Lagerung der Antriebswelle eines Turboladers vorgeschlagen ist, ist der Läufer als gegenüber dem Durchmesser der Welle verbreiterter Zylinder ausgebildet, wobei das Außenlager diesen Zylinder etwa ringartig umgibt. In nachteiliger Weise ist ein solches Lager nur zur Aufnahme von radial auf die Welle wirkenden Kräften geeignet. Speziell bei einem Turbolader oder Turboverdichter treten jedoch neben radialen Kräften auch axial auf die Welle wirkende Kräfte auf. Zu deren Kompensation ist gemäß der DE 43 30 380 A1 ein weiteres Schublager vorgesehen. Die technische Realisierung einer derartigen Lagerung ist vergleichsweise aufwändig. Insbesondere ist eine komplizierte Schmiermittelführung zur gleichmäßigen Verteilung des Schmiermittels nötig. Weiterhin kann eine ungenaue Justierung des Lagers oder eine Abnutzung der Lauffläche und der gegenüberliegenden Lagerschale leicht dazu führen, dass das Lager "schlägt" und infolgedessen schnell verschleißt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein konstruktiv einfaches Lager für eine schnelldrehende Welle, insbesondere zum Einsatz in einem Turbolader oder Turboverdichter anzugeben, das zur Aufnahme von sowohl radial als auch axial auf die Welle wirkenden Kräften besonders geeignet ist.

Diese Aufgabe wird erfinderisch gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind vor allem in den Unteransprüchen ausgeführt.

Um sowohl radiale als auch axiale Kräfte aufnehmen zu können, ist der Läufer des Lagers derart gestaltet, dass sein Radius in axialer Richtung kortinuierlich variiert und zwischen den Axialenden des Läufers einen Scheitel, d.h. einen Maximal- oder Minimalwert, durchläuft. In anderen Worten verläuft eine im Scheitel in axialer Richtung gebildete Tangente auf die Lauffläche parallel zur Drehachse. Hierdurch wird insbesondere eine ballige Lauffläche geschaffen. Darunter wird eine Lauffläche verstanden, welche nur eine vergleichsweise kleine, kontinuierlich variierende Oberflächenkrümmung aufweist, und bei der Kanten und Absätze im Bereich der Lauffläche vermieden sind. Für eine gute Führung des Läufers ist das Außenlager im wesentlichen komplementär zum Läufer gestaltet. D.h. vor allem, dass die zur Aufnahme des Läufers bestimmte Durchführung des Außenlagers im wesentlichen die Form des Läufers besitzt. Infolge der balligen Form der Lauffläche und der komplementär gebildeten Lagerschale des Außenlagers werden an der Wel1e angreifende Kräfte weitgehend unabhängig von deren Richtung besonders gut auf die Lauffläche und die als Widerlager wirkende Lagerschale verteilt. Hierdurch sind Abnutzungserscheinungen. des Lagers sowie die Gefahr, dass das Lager "schlägt", deutlich reduziert. Das Lager umfasst weiterhin nur äußerst wenige Teile und ist aus diesem Grund fertigungstechnisch einfach und kostengünstig herzustellen.

Aus fertigungstechnischer Sicht wird eine Variante des Lagers bevorzugt, bei der der Läufer nach innen, d.h. zur Drehachse, gewölbt ist. Hierbei nimmt der Radius des Läufers von beiden Axialenden her kontinuierlich bis zum Scheitel ab. Die Erfindung umfasst jedoch in gleicher Weise ein invers gestaltetes Lager, bei dem der Läufer nach außen gewölbt ist, bei dem also der Radius in axialer Richtung zum Scheitel hin zunimmt. Der Radius des Läufers variiert in beiden Varianten vorzugsweise derart, dass die Lauffläche im Längsschnitt eine parabelartige, kreisbogenartige oder ellipsenartige Profillinie aufweist.

Um das erfindungsgemäße Lager konstruktiv weiter zu vereinfachen, ist der Läufer vorzugsweise einstöckig ausgeführt. Das Außenlager ist dagegen zweckmäßigerweise zweiteilig ausgebildet und umfasst zwei etwa spiegelsymmetrische Schalenhälften, die entlang einer die Drehachse beinhaltenden Mittelebene aneinander gesetzt sind. Jede Schalenhälfte enthält somit eine Hälfte der Durchführung, so dass bei auseinander genommenen Schalenhälften der Läufer leicht eingesetzt werden kann. Des Weiteren ist die Lagerschale bei auseinander genommenem Außenlager, z.B. zu Wartungs- und Reinigungszwecken, besonders gut zugänglich.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung, nach der die Durchführung einen augen- oder zitronenähnlichen Querschnitt aufweist, wird eine besonders effektive Verteilung von Schmiermittel über die Lauffläche erzielt. Ein derartig geformtes Lager ist an sich bereits Stand der Technik und wird in der Fachsprache auch als "Zitronenlager" bezeichnet. Der Rand des Querschnitts der Durchführung hat hierbei die Form zweier zueinander spiegelsymmetrischen und unter stumpfen Winkeln endseitig aneinander gesetzten Kreisbogensegmente. Bei eingesetztem Läufer sind in den "Augenwinkeln" der Durchführung zwei einander radial gegenüberliegende Schmierspalte gebildet, in welchen sich Schmiermittel verstärkt in axialer Richtung ausbreiten kann. Um im gesamten Bereich des Läufers, insbesondere im Bereich der Axialenden, den erforderlichen Schmiermitteldruck aufrechtzuerhalten, verengt sich der oder jeder Schmierspalt vorteilhafterweise ausgehend vom Scheitel in Axialrichtung beidseitig. In zweckmäßiger Ausführung ist das Schmiermittel über einen in das Außenlager eingebrachten Schmiermittelkanal zuführbar, welcher im Scheitel in die Durchführung mündet. Wiederum zur Verbesserung der Schmiermittelausbreitung endet der Schmiermittelkanal hierbei bevorzugt in einem Schmierspalt.

Der Läufer ist vorzugsweise in Axialrichtung spiegelsymmetrisch ausgebildet. Vorteilhafte Laufeigenschaften zeigt insbesondere ein Lager, dessen Läufer eine axiale Länge aufweist, die seinen maximalen Radius um mindestens das 4-fache überschreitet. Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass der maximale Radius des Läufers seinen minimalen Radius um etwa das 1,5-fache überschreitet. In bevorzugter Ausführung beträgt der maximale Radius des Läufers schließlich etwa das 2,5-fache des Wellenradius.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass die für ein "Zitronenlager" charakteristische Formgebung infolge der Zweiteilung des Außenlagers sehr einfach herstellbar ist. Hierbei wird in einem ersten Herstellungsschritt eine Rohform des Außenlagers mit einer kreisrunden Durchführung hergestellt. Diese Rohform wird in einem zweiten Verfahrensschritt in axialer Richtung zerschnitten. Allein schon die infolge des Schneidprozesses erfolgende Materialentfernung bewirkt, dass nach dem Zusammensetzen der beiden Außenlagerhälften ohne weitere formenden Maßnahmen aus der kreisrunden Durchführung der Rohform die bevorzugte, im Querschnitt leicht augen- oder zitronenförmige Durchführung entstanden ist. Diese geringe Störung der Rotationssymmetrie der Durchführung genügt bereits zu einer effektiven Verteilung des Schmiermittels.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen
1 in einem Längsschnitt ein Lager für eine um eine Drehachse schnelldrehende Welle mit einem achsenfesten Läufer und einem unbewegten, den Läufer aufnehmenden Außenlager und
2 das Lager in einem Querschnitt II-II gemäß 1.
1 zeigt in einem schematischen Längsschnitt ein hydrodynamisches Lager 1 für eine schnelldrehende Welle 2. Die Welle 2 ist hierbei um eine Drehachse 3 drehantreibbar. Die Welle 2 ist mit einem rotationssymmetrischen Läufer 4 des Lagers 1 rotationsfest verbunden. Der Läufer 4 liegt in einer Durchführung 5 eines nicht drehenden Außenlagers 6 ein.
Der Läufer 4 weist eine, sich ausgehend von beiden Axialenden 7,8 entlang der Drehachse 3 zu einer Mittelebene 9 hin konusartig verjüngende Form auf. In anderen Worten nimmt der Radius R des Läufers 4 ausgehend von einem an von jedem Axialende 7,8 eingenommenen Maximalradius Rmax in Richtung der Mittelebene 9 ab. In der Mittelebene 9 durchläuft die Funktion des Radius R einen Scheitel 10, erreicht also in kontinuierlicher Weise einen Minimalradius Rmin, um bei Überschreiten des Scheitels 10 wiederum kontinuierlich anzuwachsen. Diese Formgebung wirkt sich dahingehend aus, dass die als Lauffläche 11 bezeichnete Umfangsfläche des Läufers 4 eine glatte Oberflächenstruktur mit kontinuierlich variierender Oberflächenkrümmung aufweist.
Die zur besseren Übersichtlichkeit über den Läufer 4 hinaus gestrichelt verlängerte Profillinie P des Läufers, die die funktionale Abhängigkeit des Radius R entlang der Drehachse widerspiegelt, ist bevorzugt parabelartig, kreisbogenartig oder ellipsoid. Das Außenlager 6 ist im wesentlichen komplementär bezüglich des Läufers 4 gestaltet. D.h., dass die Durchführung 5 im wesentlichen die Form des Läufers 4 besitzt, welcher dadurch den von der Durchführung 5 freigegebenen Raum nahezu vollständig ausfüllt. Um die reibungsarme Rotation des Läufers 4 im Außenlager 6 zu ermöglichen, ist zwischen dem Läufer 4 und der die Durchführung 5 begrenzenden Lagerschale 12 des Außenlagers 6 ein flächiger Gleitspalt gebildet, dessen Stärke die Dimension der Zeichnung stark unterschreitet und der aus diesem Grund nicht explizit dargestellt ist. Im Betrieb des Lagers 1 ist dieser Gleitspalt mit einem Schmiermittel aufgefüllt, welches unter Druck durch einen Schmiermittelkanal 13 im Bereich des Scheitels 10 in das Lager 1 gedrückt wird. Das Schmiermittel dient hierbei zum einen zur Reibungsverminderung zwischen dem rotierenden Läufer 4 und dem unbewegten Außenlager 6. Zum anderen dient das Schmiermittel dazu, auf die Welle 2 wirkende Kräfte vom Läufer 4 berührungslos auf das Außenlager 6 zu übertragen. Durch die ausgerundet bikonische Form kann das Lager 1 sowohl axial als auch radial auf die Welle 2 wirkende Kräfte kompensieren.
In 2 ist das Lager 1 in einem schematischen Querschnitt II-II gemäß 1, d.h. in einem Querschnitt durch die Mittelebene 9 dargestellt. Hierin ist erkennbar, dass das Außenlager 6 aus zwei zueinander spiegelbildlichen Schalenhälften 14a,14b gebildet ist. Die Schalenhälften 14a,14b sind hierbei entlang einer die Drehachse 3 beinhaltenden Mittelebene 15 des Außenlagers 6 aneinander gesetzt. Hierbei enthält somit jede Schalenhälfte 14a und 14b jeweils die Hälfte der Durchführung 5. Das Lager 1 ist nach Art eines so genannten "Zitronenlagers" aufgebaut. Die beiden Halbwände 16a,16b, die der jeweilige Schalenhälfte 14a,14b zugeordnet sind und die zusammengesetzt die Lagerschale 12, d.h. die Wand der Durchführung 5 bilden, weisen auf gleicher axialer Höhe einen jeweils geringfügig größeren Radius auf als der Läufer 4. Jede Halbwand 16a,16b ist dabei derartig gewölbt, dass sie im Querschnitt ein, einen exakten Halbkreis geringfügig unterschreitendes Kreisbogensegment bildet. Setzt man die beiden Schalenhälften 14a,14b – wie in 2 gezeigt – zusammen, so bilden die beiden Halbwände 16a,16b im Querschnitt einen augen- oder zitronenartigen Rand der Durchführung 5 aus. Bei eingelegtem Läufer 4 bilden sich somit in den "Augenwinkeln" zwei entlang der Mittelebene 15 radial gegenüberliegende verbreiterte Spalte zwischen dem Läufer 4 und dem Außenlager 6 aus, die als Schmierspalte 17a,17b zur Verbesserung der Schmiermittelausbreitung dienen. Die Größe der Schmierspalte 17a und 17b ist in 2 zur Verdeutlichung stark übertrieben eingezeichnet. Wie aus 2 ersichtlich, mündet der Schmiermittelkanal 13 in den Schmierspalt 17a. Das Schmiermittel wird also über den Schmiermittelkanal 13 in den Schmierspalt 17a eingedrückt, verbreitet sich von dort in axialer Richtung entlang des Schmierspalts 17a und wird durch die Drehung des Läufers 4 über den ganzen Umrang der Lauffläche 11 verteilt. Die Schmierspalte 17a,17b sind in nicht näher dargestellter Weise derart ausgebildet, dass sich ihre Querschnittsfläche von der Mittelebene 9 beidseitig zu jedem Axialende 7,8 hin verengt. Auf diese Weise wird einem starken Druckabfall des Schmiermittels zu den Axialenden 7,8 hin entgegengewirkt.

Claims

Lager (1) für eine um eine Drehachse (3) schnelldrehende Welle (2) mit einem rotationsfest mit der Welle (2) verbundenen Läufer (4) und einem unbewegten, mit einer Durchführung zur Aufnahme des Läufers (4) versehenen Außenlager (6), dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (4) zur Bildung einer balligen Lauffläche (11) einen von beiden Axialenden (7,8) her kontinuierlich bis zu einem gemeinsamen Scheitel (10) abnehmenden oder zunehmenden Radius (R) aufweist, und dass das Außenlager (6) eine zum Läufer (4) im wesentlichen komplementäre Form aufweist.
Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (4) einstöckig ausgebildet ist.
Lager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenlager (6) aus zwei entlang einer die Drehachse (3) beinhaltenden Mittelebene (9) aneinander gesetzten Schalenhälften (14a,14b) gebildet ist.
Lager nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchführung (5) einen augen- oder zitronenähnlichen Querschnitt aufweist, deren Rand die Form zweier zueinander spiegelsymmetrischen, unter stumpfen Winkeln endseitig aneinander gesetzten Kreisbogensegmente besitzt, so dass zwischen der die Durchführung (5) begrenzenden Lagerschale (12) des Außenlagers (6) und der Lauffläche (11) zwei einander radial gegenüberliegende Schmierspalte (17a,17b) gebildet sind.
Lager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche des oder jeden Schmierspalts (17a,17b) ausgehend vom Scheitel (10) sich entlang der Drehachse (3) beidseitig verengt.
Lager nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen in das Außenlager (6) eingebrachten und im Scheitel (10) in die Durchführung (5) mündenden Schmiermittelkanal (13).
Lager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmiermittelkanal (13) in einen Schmierspalt (17a,17b) mündet.
Lager nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (4) in Axialrichtung spiegelsymmetrisch ausgebildet ist.
Lager nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lauffläche (11) eine parabelartige, kreisbogensegmentartige oder ellipsenartige Profillinie (P) aufweist.
Lager nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Länge des Läufers mindestens das 4-fache seines maximalen Radius (Rmax) beträgt.
Lager nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Radius (Rmax) des Läufers etwa das 1,5-fache seines minimalen Radius (Rmin) beträgt.
Lager nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Radius (Rmax) des Läufers etwa das 2,5-fache des Wellenradius beträgt