DE112010001692T5

DE112010001692T5 - Isolier- und dämpfbuchse für eine wälzelementlagerpatrone

Info

Publication number: DE112010001692T5
Application number: DE112010001692T
Authority: DE
Inventors: Timothy House; Paul Diemer; Allan Kelly; Augustine Cavagnaro
Original assignee: BorgWarner Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 2009-04-20
Filing date: 2010-04-16
Publication date: 2012-12-20
Also published as: WO2010123764A3; US8807840B2; CN102388209B; KR101781948B1; KR20170019485A; WO2010123764A2; CN102388209A; US20120033908A1; KR20120014901A

Abstract

Ein Turbolader verwendet ein Wälzelementlagersystem für hohe Drehzahlen. Ein beispielhaftes Wälzelementlagersystem enthält eine Polymerbuchse, um den Wärmefluss von dem Lagergehäuse in den Außenlaufring des Wälzelementlagersystems zu behindern. Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird die Buchse von einem Ölfilm gestützt. Bei einer dritten Ausführungsform der Erfindung wird die Lagerpatrone durch ein Dämpfungsmedium gedämpft, das auch die Lagerpatrone mit dem Lagergehäuse verbindet.

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft das Design einer Isolierbuchse für eine Turboladerwälzelementlagerpatrone. Die Baugruppe ist ausgelegt, den Wärmefluss von dem Lagergehäuse zu den Lagern zu blockieren und die bei Turboladern üblichen Schwingungen am Beeinflussen der Lager zu dämpfen.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Turbolader liefern Luft mit einer größeren Dichte, als dies bei der normal angesaugten Konfiguration möglich wäre, zu dem Motoreinlass, wodurch mehr Kraftstoff verbrannt werden kann und wodurch die Leistung des Motors verstärkt wird, ohne das Motorgewicht signifikant heraufzusetzen. Dies kann den Einsatz eines kleineren turbogeladenen Motors ermöglichen, der einen normal angesaugten Motor von größerer physischer Abmessung ersetzt, wodurch die Masse und der aerodynamische Frontbereich des Fahrzeugs reduziert werden.
Turbolader sind eine Art von Zwangsbeatmungssystem, das mit dem in das Turbinengehäuse von dem Motorabgaskrümmer eintretenden Abgasfluss ein Turbinenrad (51) antreibt, das sich in dem Turbinengehäuse befindet. Das Turbinenrad ist fest an einer Welle befestigt, um die Baugruppe aus Welle und Rad zu werden, deren anderes Ende ein Verdichterrad (20) enthält, das an dem Flanschwellen-(56)-Ende von Welle und Rad montiert ist und durch die Klemmlast von einer Verdichtermutter (29) festgehalten wird. Die primäre Funktion des Turbinenrads besteht in der Bereitstellung einer Drehleistung zum Antreiben des Verdichters.
Die Verdichterstufe besteht aus einem Rad (20) und seinem Gehäuse. Gefilterte Luft wird durch die Drehung des Verdichterrads axial in den Einlass der Verdichterabdeckung gesaugt. Die von der Turbinenstufe zu der Welle und dem Rad generierte Leistung treibt das Verdichterrad an, um eine Kombination aus statischem Druck mit etwas restlicher kinetischer Energie und Wärme zu erzeugen. Das unter Druck stehende Gas tritt aus der Verdichterabdeckung durch den Verdichteraustritt aus und wird üblicherweise über einen Luftladekühler an den Motoreinlass geliefert.
Bei einem Aspekt der Verdichterstufenleistung wird die Effizienz der Verdichterstufe durch die Spielräume zwischen der Verdichterradkontur (28) und der entsprechenden Kontur in der Verdichterabdeckung beeinflusst. Je näher sich die Verdichterradkontur an der Verdichterabeckungskontur befindet, umso höher ist die Effizienz der Stufe. Je näher sich das Rad an der Abdeckung befindet, umso höher ist die Wahrscheinlichkeit eines Scheuerns des Verdichterrads; also muss ein Kompromiss zwischen dem Verbessern der Effizienz und dem Verbessern der Lebensdauer existieren.
Das Rad in der Verdichterstufe eines typischen Turboladers dreht sich nicht um die geometrische Achse des Turboladers, sondern beschreibt vielmehr Umlaufbahnen ungefähr um die geometrische Mitte des Turboladers. Die geometrische Mitte, auf die hier Bezug genommen wird, ist die geometrische Achse (100), 1, des Turboladers.
Die von der Welle genommenen dynamischen Ausschläge werden einer Reihe von Faktoren zugeordnet, einschließlich: der Unwucht der sich drehenden Baugruppe, der Anregung des Sockels (d. h. des Motors und des Abgaskrümmers) und der niedertourigen Anregung von der Grenzfläche des Fahrzeugs mit dem Boden.
Der Nettoeffekt dieser von den Rädern genommenen Ausschläge besteht darin, dass das Design des typischen Turboladers Spielräume aufweist, die weit größer sind als jene, die für aerodynamische Effizienzniveaus gewünscht sind.
Der typische Turbolader wird mit Öl von dem Motor gespeist. Dieses Öl, mit einem Druck, der in der Regel gleich dem des Motors ist, erfüllt mehrere Funktionen. Das Öl wird beiden Seiten der Drehlager (30) über Ölgallerien (82 und 83) zugeführt, um einen doppelten hydrodynamischen Squeeze-Film bereitzustellen, dessen Drücke Reaktionskräfte der Welle auf den Innendurchmesser des Lagers und den Außendurchmesser des Lagers auf die Lagergehäusebohrung ausüben. Die Ölfilme sorgen für eine Dämpfung der Reaktionskräfte, um die Amplitude der Ausschläge der Welle zu reduzieren. Das Öl fungiert auch dahingehend, Wärme von dem Turbolader wegzutragen, wenn das Öl durch den Ölablauf (85) zu dem Kurbelgehäuse des Motors abläuft.
Ein typisches Turboladerdesign weist zwei benachbarte Lagersysteme auf: eines an dem Verdichterende des Lagergehäuses und eines an dem Turbinenende des Lagergehäuses. Jedes System weist zwei Grenzflächen auf: die Grenzfläche der sich drehenden Welle an dem Innendurchmesser des schwimmenden Lagers und die Grenzfläche des Außendurchmessers des schwimmenden Lagers an der festen Bohrung des Lagergehäuses.
Die Steifheit und Dämpfungskapazitäten der typischen Turboladerlager mit doppeltem hydrodynamischen Squeeze-Film sind ein Kompromiss zwischen der Dicke des von der Drehzahl der Lagerelemente erzeugten Films, dem Spielraum zwischen den Elementen und den Ölflussbegrenzungen aufgrund der Tendenz von Turboladern, Öl durch die Kolbenringdichtungen an beiden Enden der Welle zu schicken.
Die Verwendung von REBs in einem Turbolader löst mehrere Probleme, einschließlich: hohe Ölflussraten, Lagerdämpfung und Leistungsverluste durch das Lagersystem.
1 zeigt eine typische Turboladerlagerkonfiguration mit doppeltem hydrodynamischem Squeeze-Film. Bei dieser Konfiguration wird unter Druck stehendes Öl von dem Motor durch das Lagergehäuse (3) durch einen Öleinlass (80) empfangen. Das Öl wird unter Druck durch die Ölgallerien (82 und 83) der Lagergehäuse-Drehlagerbohrung (4) zugeführt. Sowohl für das Lager an dem Turbinenende als auch das Lager an dem Verdichterende wird der Ölfluss den Drehlagerzonen von Welle und Rad dort zugeführt, wo das Öl um die Welle verteilt wird, um zwischen der Wellenoberfläche (52) und der Innenbohrung der schwimmenden Drehlager (30) einen Ölfilm zu erzeugen. Auf der Außenseite der Drehlager (30) wird durch die Drehung des Drehlagers gegen die Lagergehäuse-Drehlagerbohrung (4) ein gleicher Ölfilm erzeugt.
Bei dem in 1 gezeigten typischen Turbolader ist auch das Schublager (19) ein Lager vom hydrodynamischen oder Fluidfilmtyp. Bei dieser Konfiguration wird dem stationären Schublager Öl von der Ölgallerie (81) zugeführt, um ein Rampen- und -Kissen-Design des Lagers zu speisen. Das Öl wird durch die Relativbewegung der Anlaufscheiben (40) und des Anlaufscheibenbereichs des Schleuderrings (44), der an der Welle montiert ist, gegen die statische Schubrampe und das Kissen in eine Keilform getrieben. Dieses Lager steuert die axiale Position der sich drehenden Baugruppe.
Für den oben erörterten typischen Turbolader mit einer Turbinenradgröße von 76 mm beträgt der Ölfluss im Bereich von 4200 bis 6200 Gramm pro Minute.
Ein Verfahren zum Erhöhen der Effizienz des Turboladers war der Einsatz von Kugellagern zum Unterstützen der sich drehenden Baugruppe. Es gibt mehrere Verbesserungen, die mit dem Einsatz von Wälzelementlager-Turboladern einhergehen. Es gibt eine Verbesserung bei der instationären Antwort aufgrund der Reduktion bei Leistungsverlusten, insbesondere bei niedrigen Turboladerdrehzahlen, des REB-Systems gegenüber dem typischen Turboladerlagersystem. Die Leistungsverluste bei REB-Systemen sind geringer als jene für typische Turboladerlagersysteme vom Buchsentyp, und eine verbesserte instationäre Antwort (wobei beides kritische Aspekte von Emissionen beim Abschalten des Motors sind). REB-Systeme können viel größere Schublasten tragen als typische Turboladerlagersysteme, wodurch die Schubkomponente robuster wird. Da typische Rampen- und Kissen-Schublager einen größeren Prozentsatz des dem Tubolader zugeführten Ölflusses erfordern und REB-Systeme einen geringeren Ölfluss erfordern (als ein typisches Turboladerlagersystem), wird dann weniger Ölfluss für ein REB-System mit der positiven Konsequenz benötigt, dass es weniger Neigung für eine Ölpassage zu den Verdichter- oder Turbinenstufen gibt, wo dieses Öl den Katalysator vergiften kann.
Während Kugellagersysteme diese Gewinne bezüglich Effizienz und instationärer Leistung liefern, ist die Dämpfkapazität von Kugellagern nicht so gut wie die der typischen Turboladerlager mit doppeltem hydrodynamischem Squeeze-Film, so dass die Kugellager in einer Stahlpatrone festgehalten werden, der durch einen Ölfilm zwischen dem Außendurchmesser der Patrone und dem Innendurchmesser der Lagergehäusebohrung innerhalb des Lagergehäuses aufgehängt ist. Das Öl wird zum Dämpfen von kritischen Ereignissen der Welle und zur Schmierung der Lager verwendet.
US-Patent 5,145,334 (Gutknecht) und US-Patent 7,214,037 (Mavrosakis) lehren Verfahren für das Festhalten der Lagerpatrone in dem Lagergehäuse. Diese Verfahren gestatten eine Schwimmlagerpatrone, bei der auf die axialen und Drehkräfte ein Pfosten reagiert, der in dem Lagergehäuse befestigt ist, während eine ansonsten uneingeschränkte Bewegung der Lagerpatrone in dem Lagergehäuse gestattet ist.
Für ein Turboladerlagersystem ist das Erreichen der erforderlichen Drehzahl ein kritischer Faktor. Das Erzielen dieser Drehzahl mit einer akzeptablen Lebensdauer für das System ist der nächstwichtige Faktor. Bei jedem Turbolader ist das Reduzieren des Ölflusses zu dem Turbolader und durch Leckage aus dem Turbolader heraus, um Emissionsanforderungen in dem Motor zu erfüllen, auf den der Turbolader angewendet wird, ein Hauptfaktor. Die Ölpassage von dem Turbolader durch die Kolbenringdichtungen ist ein Hauptfaktor bei der die löslichen organischen Fraktionen (SOF – Soluable Organic Fractions) betreffenden Komponente von Partikelmaterieemissionen. Das einzige Verfahren zum Reduzieren der Ölpassage durch Turboladerkolbenringdichtungen besteht darin, entweder die Druckdifferenz an den Dichtungen zu steuern (so dass keine Luft von dem Turboladerlagergehäuse entweder zu dem Verdichter oder den Turbinenstufen fließt), die Barriere zu diesem ölbeladenen Luftfluss durch die Dichtungen zu steuern oder die Ölmenge in dem Turbolader zu begrenzen. Letzteres Verfahren ist sehr effektiv und ist ein Verfahren, das den Einsatz von REB-Turboladern populär macht, da der mittlere Ölfluss durch das typische REB-Turboladerbeispiel oben etwa 1400 g/min beträgt. Im Gegensatz dazu beträgt der mittlere Ölfluss durch den Turbolader mit einem Lager mit gleicher Buchsengröße etwa 3000 g/min oder 218% mehr.
Bei der Hochgeschwindigkeitskugellagerentwicklung wurde viel Arbeit darauf verwendet, die Drehzahl und die Lebensdauer des Lagersystems insbesondere im Bereich der Beziehung zwischen Lagerleistungsverlusten und Ölfluss zu verbessern. In NASA 2001-210462 lehren die Schreiber, dass: herkömmliche Strahlschmierung den Innenlaufringkontakt nicht adäquat kühlt und schmiert, weil Schmiermittel zentrifugal nach außen geschleudert wird, und zwar führt das Erhöhen der Flussrate zu dem Wegtragen von mehr Wärme, doch erhöht es auch die durch das Ölpanschen erzeugte Wärme. Die Schreiber merken auch an, dass der Lagerleistungsverlust eine direkte Funktion des Ölflusses zu dem Lager ist. Die Lagerlebensdauer ist eine umgekehrte Funktion der Temperatur, der Temperaturdifferenz zwischen den individuellen Lagerringkomponenten und der resultierenden elastohydrodynamischen Filmdicke.
5 zeigt den Wärmefluss von dem Turbinengehäuse durch das Lagergehäuse zu den Lagern. Der Abgasfluss von dem Motor fließt in den Turbinengehäusefuß und durch die Spirale. Der Fluss (110) wird durch die Spirale an dem Turbinenrad (51) gelenkt, wo der größte Teil der Wärmeenergie in Drehmoment zum Antreiben des Turbinenrads umgewandelt wird. Die verbleibende Wärmeenergie verbleibt in dem Abgasfluss (111) aus dem Turbinengehäuse heraus und in dem Turbinenrad und dem Turbinengehäusematerial. Ein Teil der Wärmeenergie fließt die Welle hoch, wo sie auf den Luftdamm (58) trifft, der als Wärmeblock für einen Teil des Wärmeflusses die Welle hoch dient. Ein Teil der Wärmeenergie von dem Turbinengehäuse wird durch die Verbindungsstelle zwischen dem Turbinengehäuse und dem Lagergehäuse geleitet. Ein Teil der Wärmeenergie wird zu der Atmosphäre abgestrahlt.
Der Wärmefluss von dem Turbinengehäuse zu dem Lagergehäuse (3) wird durch Leitung zu der Lagerpatrone eines REB-Turboladers übertragen. Bei Buchsenlagerturboladern führt das Schmieröl für die Lager einen großen Teil dieser Wärme aus dem Turbolader zu dem Motorölwärmeabgabesystem. Bei REB-Turboladern ist die Fähigkeit der Wärmeabgabe durch das Öl weit niedriger, da der Ölfluss weniger als die Hälfte der eines Buchsenlagerturboladers beträgt.
Bei maximaler Drehzahl und reduziertem Ölfluss als gegebene Anforderungen bleibt dadurch nur die Temperatur als eine Variable bei der Berechnung der Turboladerlebensdauer.
Temperaturbegrenzungen bei Kugellagern werden ausgedrückt als die ankommende Temperatur zu den Lagerlaufringen, die von den Lagerlaufringen generierte Wärmeenergie als Funktion der von dem Lager erfolgten Arbeit und die Wärmeabgabe von der Lagerbaugruppe. Im Fall eines Turboladers gibt es eine Wärmeeingabe zu dem Innenlaufring durch die Welle an das Rad und eine Wärmeeingabe von dem Lagergehäuse zu der Patrone und zu dem Außenlaufring. Die Abgabe von Wärme von dem Turbolader erfolgt über das Schmieröl zu dem unteren Teil des Lagergehäuses und dann zu dem Motorölablaufsystem, wo es Teil des Fahrzeugwärmeabgabesystems wird.
Ein teures und relativ kompliziertes Verfahren zum Steuern des Wärmeeintrags zu dem Lagersystem ist die Verwendung von wassergekühlten Lagersystemen. Diese Lagergehäuse verwenden das Motorkühlmittel, um vom Lagergehäuse Wärme zu dem Motorkühlmittelsystem zu entziehen. Die Gussteile für diese wassergekühlten Lagergehäuse sind mehrkernig, um Hohlräume beizubehalten, durch die das Motorkühlmittel fließt, um dem Abgasfluss Wärme zu entziehen. Dies macht die Gussteile teuer, da die Anzahl von Kernen viel höher ist als jene für luftgekühlte Turbinengehäuse. Die Komplexität der Mehrfachkerne erhöht die Zeit und die Kosten der Produktion des Gussteils, und weil sie dem Turbinengehäuse über das Lagergehäuse Wärme entziehen, ist die dem Turbinenrad zur Verfügung stehende Gesamtwärmeenergie reduziert. Wassergekühlte Lagergehäuse stellen jedoch eine sehr wichtige Funktion dar, und diese besteht darin, dass sie nach dem Motorabschalten Durchwärmungsprobleme verhindern, wenn die Wärme von dem Motor, dem Abgaskrümmer und dem Turbinengehäuse zurück in den Turbolader fließt. Diese Durchwärmungsprobleme können durch das Ergebnis von verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten und Toleranzen der internen Komponenten die Lager in einen Metall-zu-Metall-Kontakt mit dem Potential des Nachgebens bei den Komponenten zwingen.
Somit ist ersichtlich, dass die Temperatur des Innen- und Außenkugellaufrings für die Lagerlebensdauer kritisch ist. Die Durchwärmungsprobleme für Turbolader-REBs sind gegenüber jenen für Lager vom Buchsentyp verschärft. Es besteht immer ein Bedarf bei REB-Turboladern, die gewünschte Drehzahl und Lebensdauer zu den geringsten Kosten zu erzielen.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft den Austausch des typischen äußeren Wälzelementölfilms durch eine Isolierbuchse mit niedrigem Wärmeleitfähigkeits- und guten Schwingungsdämpfungseigenschaften für eine Turboladerwälzelementlagerbaugruppe, um den Wärmefluss von dem Lagergehäuse zu den Lagern zu blockieren und um die Schwingungen, die Turbolader gemeinsam haben, zu dämpfen, damit sie nicht die Lager beeinflussen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird beispielhaft und nicht als Beschränkung in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt, in denen gleiche Bezugszahlen ähnliche Teile anzeigen. Es zeigen:
1 eine Sektion einer Turboladerbaugruppe;
2 eine Sektion einer typischen Kugellagerturboladerlagergehäusebaugruppe;
3 eine vergrößerte Ansicht von 2;
4 eine Wellen- und Rad-Sektion, mit der Temperatur überlagert;
5 die Wärmeflüsse durch REB-Turbolader;
6 einen Vergleich von Ölflüssen durch REB- und Buchsenlagerturbolader;
7 die erste Ausführungsform der Erfindung;
8 eine vergrößerte Ansicht von 7;
9A, 9B zwei Ansichten der ersten Ausführungsform der Erfindung;
10 Schnittansichten der zweiten Ausführungsform der Erfindung mit einer vergrößerten Ansicht und
11 eine vergrößerte Schnittansicht der dritten Ausführungsform der Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfinder haben erkannt, dass die Temperatur der Innenlaufringe (65C und 65T) einer Wälzelementlagerbaugruppe (REB – Rolling Element Bearing) ein kritischer bestimmender Faktor sowohl dabei war, dass das Lagersystem die gewünschte Drehzahl erreicht, und dass es eine entsprechende Lebensdauer erreicht. Nachdem das Problem durch Einsetzen eines Abstandshalters (90) mit niedriger Wärmeleitfähigkeit gelöst wurde, wie in 7 und 8 zu sehen ist, bestand das nächste Problem darin, den Wärmefluss durch das Lagergehäuse zu dem Lageraußenlaufring zu reduzieren.
Durch Verwenden einer thermoplastischen Buchse als Wärmeblock wird der Wärmefluss von dem Lagergehäuse zu der Lagerpatrone reduziert. Die thermoplastische Buchse wird auch dazu verwendet, die abgegebenen Resonanzschwingungen der sich drehenden Baugruppe bei kritischer Drehzahl auf das Lagergehäuse zusätzlich zu den von den Turboladerereignissen generierten normalen Schublasten zu dämpfen. Einige der von dem Motorsockel, der Straße und Randereignissen abgeleiteten eingegebenen Anregungen werden von der Buchse ebenfalls gedämpft.
Einige REB-Systeme verwenden eine Patrone, um das Lagersystem festzuhalten, während einige den Außenlaufring als die Patrone verwenden. Aus Zwecken der Klarheit wird angenommen, dass es sich bei der hierin erwähnten Patrone um eine der beiden Konfigurationen handeln kann.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die kapselnde Buchse (77) ein dauerhafter, chemisch beständiger, hochtemperaturbeständiger, nichtmetallischer, reibungsarmer technischer Kunststoff mit niedriger Wärmeleitfähigkeit. Es könnte sich dabei beispielsweise um einen der folgenden handeln: (1) ein Polyetheretherketon (PEEK) wie etwa KETRON PEEK 1000 oder KETRON PEEK GF30, (2) eine Polytetrafluorethylenverbindung wie etwa die von Dupont hergestellte und unter dem Warenzeichen TEFLON vertriebene, (3) ein Polimidmaterial wie etwa das von Dupont hergestellte und unter dem Warenzeichen VESPEL vertriebene, (4) eine Acetalverbindung wie etwa die von Dupont hergestellte und unter dem Warenzeichen DELRIN vertriebene, (5) ein amorphes thermoplastisches Polyetherimidmaterial wie etwa das von General Electric hergestellte und unter dem Warenzeichen ULTEM vertriebene, (6) ein Polyamidimidmaterial wie etwa das von Amoco hergestellte und unter dem Warenzeichen TORLON vertriebene, (7) ein Polybenzamidazolmaterial wie etwa das von Hoechst hergestellte und unter dem Warenzeichen CELAZOLE vertriebene, (8) ein Verbundmaterial wie etwa das, das hergestellt wird durch den chemischen Dampf in Miks et al US-Patent Nr. 5,645,219 , an Thiokol Corp. in Ogden, Utah, USA, abgetreten und hierin durch Bezugnahme in seiner Gänze aufgenommen, oder (9) andere hochfeste Polymere.
In den 7 und 8 fängt die kapselnde Buchse (77) den Lagerpatronenaußenlaufring (64) und stellt einen radialen Ort für die Lagerpatrone in dem Lagergehäuse bereit. Dieser Ort stellt die axiale und radiale Position des Turbinenende-Innenlaufrings (65T) und des Verdichterende-Innenlaufrings (65C) ein, was die Position der Räder von Turbine (51) und Verdichter (20) relativ zu ihren Gehäusen einstellt. Zusätzlich zu diesem Ortsmerkmal liefert die kapselnde Buchse auch eine Wärmebarriere für den Wärmefluss von dem Lagergehäuse zu dem Außenlaufring. Die Wärmeleitfähigkeit von Polyimidharzen wie etwa VESPEL hegt im Bereich von 0,29 bis 0,35 J/Kg-°C. Die Wärmeleitfähigkeit von typischen Tuboladermaterialien wie etwa Gusseisen mit einer Wärmeleitfähigkeit von 33 J/Kg-°C und Stahl mit einer Wärmeleitfähigkeit von 46 J/Kg-°C sind um Faktoren um das Hundertfache größer; so ist ersichtlich, dass diese Polyimidmaterialien einen ausgezeichneten Widerstand für den Wärmefluss liefern.
Die kapselnde Buchse (77) weist einen Innendurchmesser (79) auf, der mechanisch oder chemisch an der äußeren Oberfläche (72) der REB-Patrone oder dem Außenlagerlaufring angebracht ist.
Während die kapselnde Buchse die gleiche Länge wie die Lagerkapsel aufweisen kann, bedeckt die kapselnde Buchse bei dem Ausführungsbeispiel der Erfindung je nach der Konfiguration auch das Ende der Patrone oder den Außenlaufring (64). In den 9A und 9B weist die kapselnde Buchse zwei Enden (78) auf, die eine thermische Einschränkung für den Wärmefluss liefern, der in den Außenlaufring (64) von seinen axialen Enden (67 und 68) eintreten könnte.
Bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung, wie in 10A und 10B dargestellt, dient die kapselnde Buchse (77) nur als ein thermischer Block. Die Baugruppe aus Lagerpatrone oder Außenlaufring (64) und der kapselnden Buchse (77) werden durch einen Ölfilm (75) zwischen der kapselnden Buchse (77) und der Lagergehäuseinnenbohrung (71) gestützt und gedämpft.
Bei der dritten Ausführungsform der Erfindung ist die Lagerpatrone oder der Außenlaufring (64) teilweise von einer Verbundbuchsenbaugruppe gekapselt, die ein die Lagerpatrone umgebendes viskoelastisches Dämpfungsmedium (106) enthält. Eine Funktion des viskoelastischen Mediums besteht darin, von dem Lagersystem emittierte Schwingungen zu dämpfen, um schädliche Resonanzen daran zu hindern, die Lager zu zerstören. Eine weitere Funktion des viskoelastischen Mediums besteht darin, Motor- und Fahrzeugschwingungen zu dämpfen und zu isolieren, um zu verhindern, dass jene Schwingungen das Lagersystem stören.
Die innere Buchse weist einen im Wesentlichen zylindrischen Innendurchmesser (104) auf, der die äußere Oberfläche (72) der Lagerpatrone oder den Außenlaufring (64) des REB umgibt. Die äußere Oberfläche (105) der inneren Buchse ist chemisch oder mechanisch an dem Dämpfmedium (106) angebracht. Die Verbundbuchse enthält ein Dämpfmedium (106), das zum Dämpfen von Schwingungen in das REB hinein und aus diesem heraus verwendet wird. Die innere Oberfläche (107) der äußeren Buchse ist gleichermaßen an dem Dämpfungsmedium (106) angebracht. Durch die im Wesentlichen zylindrische äußere Oberfläche (108) der äußeren Buchse ist die Baugruppe an einer im Wesentlichen zylindrischen inneren Oberfläche (71) des Lagergehäuses montiert. Das Dämpfungsmedium kann ein viskoelastisches Material wie etwa Vamac oder Viton sein, oder es kann sich dabei um andere viskoelastische Materialien handeln, die Kraftfahrzeugflüssigkeiten und Temperatur standhalten können.
Wie bei den oben erörterten anderen Ausführungsformen breitet sich der Wärmefluss von dem Turbinenrad (51) um den Luftdamm (58) zu dem Kolbenringvorsprung (56) aus, wo ein thermischer Abstandshalter (90) den Wärmefluss zu dem Innenlaufring (65T) und der Welle (50) blockiert.
Die Verbindung des Dämpfungsmediums (106) mit der inneren oder äußeren Buchse kann auf die Weise an die jeweilige innere oder äußere Buchse mold-gebondet oder post-gebondet sein, wie Elemente von typischen Motorkurbelwellentorsionsdämpfern miteinander gebondet werden.
Bei den obigen Ausführungsformen kann die Buchse die Patrone radial abdecken oder kann Teile der Patrone sowohl radial als auch axial abdecken (d. h. axiales Turbinenende und axiales Verdichterende des Außenlagerlaufrings). Bei jeder der Ausführungsformen kann ein thermischer Abstandshalter (90) mit niedriger Wärmeleitfähigkeit an der Welle zwischen dem Turbinenrad und der Kassette bereitgestellt werden. Die Buchse könnte an die Patrone gebondet sein oder sie könnte auf die Weise auf die Patrone „geklippt” sein, dass zwei Hälften aneinander geklippt sein könnten, oder die Buchse könnte auf die Patrone gepresst sein.
Die Oberfläche (104) des Innendurchmessers der inneren Buchse ist bevorzugt mechanisch oder chemisch an der äußeren Oberfläche (72) der Lagerpatrone oder dem Außenlaufring (64) befestigt. Das Dämpfungsmedium (106) muss gleichermaßen sowohl an der inneren Oberfläche (107) der äußeren Buchse als auch der äußeren Oberfläche (105) der inneren Buchse angebracht sein. Die äußere Oberfläche (108) der Außenschicht muss mechanisch (oder chemisch) an der Innenbohrung (71) des Lagergehäuses angebracht sein. Diese Grenzfläche könnte beispielsweise hexagonal sein, sie könnte als eine Zylindergestalt eingepresst sein. Idealerweise würde die Baugruppe aus den Lagerdämpfungsteilen eingepresst sein und mechanisch gehalten werden, da die Baugruppe die axialen Schublasten des Turboladers verarbeiten muss. Um effektiv als ein Dämpfungsglied zu arbeiten, muss sie in mechanischem Kontakt stehen, so dass die durch das Dämpfungsmedium zu dämpfende Schwingungsenergie tatsächlich auf das Dämpfungsmedium übertragen wird.
Aus diesen Gründen wird bevorzugt, dass die Verbindung des Dämpfungsmediums mit den inneren und äußeren Komponenten der Verbundbuchse chemisch oder mechanisch sein sollte. Die Verbindung aus innerer Komponente der Dämpfungsbuchse zu der Patrone sollte mechanisch oder chemisch sein. Die Verbindung der Buchsenbaugruppe zu dem Lagergehäuse kann bevorzugt verschieden sein, da sie sowohl die Montage als auch das Demontieren erleichtern sollte. Die Verbindung kann über einen wärmeaktivierten Kleber erfolgen, so dass die jeweiligen Teile aneinander gequetscht werden, wobei der Kleber als ein Schmiermittel wirkt, und wird durch Wärme aktiviert, nachdem sich die Elemente an ihrem Platz befinden.
Das Material der inneren und äußeren Buchse bei dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht aus einem dauerhaften, chemisch beständigen, hochtemperaturbeständigen, nichtmetallischen, reibungsarmen technischen Kunststoff mit niedriger Wärmeleitfähigkeit. Um jedoch die Steifheit zu erhöhen, damit die Verbundbuchsenbaugruppe leichter in das Lagergehäuse gepresst wird, oder damit die Verbundbuchsenbaugruppe leichter auf die Welle gepresst wird, kann das Material von einem oder beiden der Buchsen Stahl sein, da das viskoelastische Material etwas Wärmeisolation der Lager gegenüber dem Wärmefluss von dem Turbinengehäuse durch das Lagergehäuse bereitstellen wird.
Bei einer Variation der dritten Ausführungsform der Erfindung ist das Dämpfungsmedium eine Flüssigkeit mit kontrollierbarer Viskosität, anstatt dass das Dämpfungselement ein viskoelastisches Material ist. Die innere und äußere Buchse zum Eindämmen dieses Fluids sind wie oben beschrieben, doch wird ein flexible Dichtung an den axialen Enden der obenerwähnten Buchsen angewendet, um das Fluid abgedichtet einzuschließen. Das Fluid kann ähnlich dem sein, das in Viskodämpfern verwendet wird, wie bei Verbrennungsmotoren verwendet, oder das Fluid kann ein magnetisch-rheologisches Fluid sein, wie es bei Fahrzeugstoßdämpfern verwendet wird, wobei die Viskosität des Fluids durch die Stärke eines Magnetfelds um das magnetisch-rheologische Fluid gesteuert wird.
Im Anschluss an die Beschreibung der Erfindung folgen nun die Ansprüche.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5145334 [0018]
US 7214037 [0018]
US 5645219 [0043]

Claims

Wälzelementlager, das Folgendes umfasst: mindestens einen Innenlaufring (65, 65C, 65T) und mindestens einen Außenlaufring (64), wobei jeder Laufring mit mindestens einer Laufbahn versehen ist, wobei jeder Laufring eine Verdichterendfläche und eine Turbinenendfläche aufweist, eine Reihe von Wälzelementen, wobei jedes Wälzelement mit einer inneren und einer äußeren Laufbahn in Kontakt steht, und eine kapselnde Buchse (77) mit einem Innendurchmesser (79) angepasst an die äußere Oberfläche (72) mindestens eines Teils des Außenumfangs des Außenlaufrings.
Wälzelement nach Anspruch 1, wobei die kapselnde Buchse aus einem Material besteht ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyetheretherketon, einem Polytetrafluorethylen, einem Polyimid, einem Acetal, einem amorphen thermoplastischen Polyetherimid, einem Polyamidimid, einem Polybenzamidazol oder einem nichtmetallischen Verbundmaterial, das eine Hochtemperaturbeständigkeit und niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Wälzelement nach Anspruch 1, wobei die Wärmeleitfähigkeit der kapselnden Buchse zwischen 0,22 und 0,5 J/Kg-°C beträgt.
Wälzelement nach Anspruch 1, wobei die Wärmeleitfähigkeit der kapselnden Buchse zwischen 0,29 und 0,35 J/Kg-°C beträgt.
Wälzelement nach Anspruch 1, wobei der Innendurchmesser (79) der kapselnden Buchse (77) mechanisch oder chemisch an der äußeren Oberfläche (72) des Außenlaufrings (64) angebracht ist.
Wälzelement nach Anspruch 1, wobei die kapselnde Buchse (77) mechanisch oder chemisch an der radial äußeren Oberfläche (72) des Außenlaufrings (64) angebracht ist.
Wälzelement nach Anspruch 1, wobei die kapselnde Buchse (77) mechanisch oder chemisch an der axialen Verdichterendfläche oder der axialen Turbinenendfläche des Innenlaufrings (65, 65C, 65T) oder des Außenlaufrings (64) angebracht ist.
Turbolader, der Folgendes enthält: eine sich drehende Baugruppe, die eine Welle (52) und ein fest an einem Ende der Welle befestigtes Turbinenrad (51) enthält, und ein Lagergehäuse, das eine Lagerbohrung mit einem Innendurchmesser enthält, eine in dem Lagergehäuse gestützte Wälzelementlagerpatrone, wobei die Patrone Folgendes umfasst: mindestens einen Innenlaufring (65, 65C, 65T) und mindestens einen Außenlaufring (64), wobei jeder Laufring mit mindestens einer Laufbahn versehen ist, eine Reihe von Wälzelementen, wobei jedes Wälzelement mit einer inneren und einer äußeren Laufbahn in Kontakt steht, und eine kapselnde Buchse (77) mit einem Innendurchmesser (79) angepasst an die äußere Oberfläche (72) des Außenlaufrings, wobei der Außendurchmesser der kapselnden Buchse (77) dem Innendurchmesser der Lagerbohrung entspricht und wobei die sich drehende Baugruppe zur Drehung durch das Wälzelementlager gestützt wird.
Turbolader, der Folgendes enthält: eine sich drehende Baugruppe, die eine Welle (52) und ein fest an einem Ende der Welle befestigtes Turbinenrad (51) enthält; ein Lagergehäuse, das eine Lagerbohrung mit einem Innendurchmesser enthält; und eine Wälzelementlagerpatrone, die in dem Lagergehäuse gestützt ist, wobei die Patrone Folgendes umfasst: mindestens einen Innenlaufring (65, 65C, 65T) und mindestens einen Außenlaufring (64), wobei jeder Laufring mit mindestens einer Laufbahn versehen ist, eine Reihe von Wälzelementen, wobei jedes Wälzelement mit einer inneren und einer äußeren Laufbahn in Kontakt steht, und eine kapselnde Buchse (77) mit einem Innendurchmesser (79) angebracht an die äußere Oberfläche (72) des Außenlaufrings; wobei der Außendurchmesser der kapselnden Buchse (77) kleiner ist als der Innendurchmesser der Lagerbohrung; wobei die Baugruppe der Lagerpatrone, die die kapselnde Buchse (77) enthält, von einem Ölfilm (75) zwischen der kapselnden Buchse (77) und der Lagergehäuseinnenbohrung (77) gestützt und gedämpft wird; und wobei die sich drehende Baugruppe zur Drehung durch das Wälzelementlager gestützt wird.
Turbolader, der Folgendes enthält: eine sich drehende Baugruppe, die eine Welle (52) und ein fest an einem Ende der Welle befestigtes Turbinenrad (51) enthält; ein Lagergehäuse, das eine Lagerbohrung mit einem Innendurchmesser enthält; und eine Wälzelementlagerpatrone, die in dem Lagergehäuse gestützt ist, wobei die Patrone Folgendes umfasst: mindestens einen Innenlaufring (65, 65C, 65T) und mindestens einen Außenlaufring (64), wobei jeder Laufring mit mindestens einer Laufbahn versehen ist, eine Reihe von Wälzelementen, wobei jedes Wälzelement mit einer inneren und einer äußeren Laufbahn in Kontakt steht, und eine kapselnde Buchse (77) mit einem Innendurchmesser (79) angebracht an die äußere Oberfläche (72) des Außenlaufrings; wobei der Außenlaufring (64) mindestens teilweise von einer Verbundbuchsenbaugruppe gekapselt wird, die eine Innenschicht, ein viskoelastisches Dämpfungsmedium (106) und eine Außenschicht umfasst, wobei die Innenschicht einen im Wesentlichen zylindrischen Innendurchmesser (104) aufweist, der den Außenlaufring (64) der Lagerpatrone umgibt, wobei die äußere Oberfläche (105) der Innenschicht chemisch oder mechanisch an einem Dämpfungsmedium (106) angebracht ist, wobei die innere Oberfläche (107) der Außenschicht gleichermaßen an dem Dämpfungsmedium (106) angebracht ist und wobei die im Wesentlichen zylindrische äußere Oberfläche (108) der Außenschicht die Baugruppe an einer im Wesentlichen zylindrischen inneren Oberfläche (71) des Lagergehäuses montiert; und wobei die sich drehende Baugruppe zur Drehung durch das Wälzelementlager gestützt wird.
Turbolader nach Anspruch 10, wobei das Dämpfungsmedium ein viskoelastisches Material ist.
Turbolader nach Anspruch 10, wobei das Dämpfungsmedium ein magnetisch-rheologisches Fluid ist, bei dem die Dämpfungsfähigkeit durch eine Änderung beim Magnetfeld geändert werden kann.