DE112010001913T5 - Federclipverfahren zur Verdrehsicherung und Schittbegrenzung einer Wälzelementlagerpatrone - Google Patents

Federclipverfahren zur Verdrehsicherung und Schittbegrenzung einer Wälzelementlagerpatrone Download PDF

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Abstract

Zum Lösen der Probleme hinsichtlich axialer als auch drehmäßiger Begrenzung bei Turboladern mit Wälzelementlagern (REB – Rolling Element Bearings) wird eine REB-Patrone derart an dem Lagergehäuse montiert, dass sie nicht starr ist, was einen Öldämpfungsfilm gestattet. Gleichzeitig wird die REB-Patrone sowohl axial als auch drehmäßig gehalten, sodass sich die Außenlaufbahn relativ zu dem Lagergehäuse nicht dreht. Dieser Doppelzweck wird unter Einsatz eines speziellen Doppelmodus-Federclips mit mindestens einem Verdrehsicherungsmerkmal zur Ineingriffnahme des Lagergehäuses und mindestens einem Verdrehsicherungsmerkmal zur Ineingriffnahme der REB-Patrone erreicht, wodurch die REB-Patrone axial lokalisiert und eine Drehung der Außenlaufbahn verhindert wird.

Description

  • ERFINDUNGSGEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Begrenzung einer Turboladerwälzelementlagerpatrone und insbesondere ein System, das mit einfacher Bearbeitung und preiswerten Teilen eine korrekte Montage sicherstellt und eine Verdrehsicherung sowie eine Begrenzung gegenüber Schublasten in beiden axialen Richtungen liefert. Die Erfindung liefert ein einfaches System zum Montieren der REB-Patrone mit ausreichendem Spiel, um ein Dämpfen durch einen kapselnden Ölfilm oder einen Ölfluss unter Druck zu gestatten, wobei aber gleichzeitig die REB-Patrone axial gehalten werden kann, um die axialen Lasten auf das Lagergehäuse zu übertragen, und rotationsmäßig, sodass sich die REB-Patrone nicht relativ zu dem Lagergehäuse dreht.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Turbolader führen Luft mit einer größeren Dichte, als dies bei der normal angesaugten Konfiguration möglich wäre, dem Motoreinlass zu, 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 Dichte ersetzt, wodurch die Masse und der aerodynamische Frontbereich des Fahrzeugs reduziert werden.
  • Turbolader sind eine Art von Zwangsbeatmungssystem, das mit dem 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. Ein Verdichterrad (20) ist an dem Flanschwellen-(56)-Ende der Welle und des Rads montiert und durch die Klemmlast von einer Verdichtermutter (29) festgehalten. Die primäre Funktion des Turbinenrads besteht in dem Extrahieren von Drehleistung aus dem Abgas, um den Verdichter anzutreiben.
  • 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 in das Rad und die Welle eingegebene 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 durch den Verdichteraustritt aus der Verdichterabdeckung 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 Verdichterabdeckungskontur befindet, umso höher ist die Effizienz der Stufe. Bei einer typischen Verdichterstufe mit einem 76-mm-Verdichterrad liegt der Spielraum der Spitze im Bereich von 0,31 mm bis 0,38 mm. 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.
  • Für das bloße Auge scheint sich die Nase des Verdichterrads bei einem typischen Turbolader um die geometrische Längsachse des Lagergehäuses zu drehen; bei Betrachtung als eine Spur auf einem X-Y-Oszilloskop beschreibt die Nase des Verdichterrads jedoch Umlaufbahnen von unterschiedlichen Gestalten. Der mittlere Zentroid der Umlaufbahnen liegt nahe bei der geometrischen Längsachse des Turboladers, ist aber nicht präzise darauf zentriert. Die geometrische Achse (100) des Turboladers ist in 1 gezeigt.
  • Die von der Welle und den Rädern 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 Auslenkungen, die von der Welle und den Rädern genommen werden, 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 an beiden Seiten der Drehlager 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.
  • 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 des Hangs von Turboladung, Öl durch die Kolbenringdichtungen an beiden Enden der Welle zu schicken.
  • Die Verwendung von REB-Lagern in einem Turbolader löst mehrere Probleme, einschließlich: hohe Ölflussraten, Lagerdämpfung und Leistungsverluste durch das Lagersystem.
  • 1 zeigt eine typische Turboladerkonfiguration mit doppeltem hydrodynamischen Squeeze-Film. Bei dieser Konfiguration wird unter Druck stehendes Öl durch einen Öleinlass (80) von dem Motor zu dem Lagergehäuse (3) empfangen. Das Öl wird unter Druck durch die Ölgalerien (82 und 83) der Lagergehäuse-Drehlagerbohrung (4) zugeführt. Sowohl für das Lager (39) an dem Turbinenende als auch 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. Nachdem das Öl durch die Dreh- und Schublager hindurch getreten ist, tritt es aus dem Lagergehäuse über den Ölabfluss (85) an der Basis des Lagergehäuses aus und wird zu dem Kurbelgehäuse des Motors zurückgeführt.
  • 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 Ölgalerie (81) zugeführt, um ein Rampen- und Kissen-Design des Lagers zu speisen. Das Öl wird durch die Relativbewegung der Anlaufscheiben (40) und die gegenüberliegende Fläche 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.
  • Ein Verfahren zum Erhöhen der Effizienz des Turboladers war der Einsatz von Wälzelementlagern (REB – Rolling Element Bearings), um die sich drehende Baugruppe zu stützen. Wälzelementlager können in zwei allgemeine Arten unterteilt werden. Die erste Art verwendet ein Paar von typischen REB-Baugruppen. Jede REB-Baugruppe besteht in diesem Fall aus einer Außenlaufbahn, den Kugeln oder Wälzelementen, einer Innenlaufbahn, einem Käfig und Dichtungen. Dieses Paar von REB-Baugruppen kann in eine Buchse gepresst oder geschrumpft werden, d. h. ein äußeres zylindrisches Gehäuse mit Ölgalerien und Orten für die REB-Baugruppen, um die REB-Patrone herzustellen. Bei der zweiten Art entfällt die Buchse, und die Außenlaufbahn der REB-Baugruppe definiert den Außendurchmesser der REB-Patrone. Sofern nichts anderes angegeben ist, bezieht sich der hierin verwendete Ausdruck „REB” auf die REB-Patrone.
  • Wie in 2 zu sehen ist, weisen REBs in der Regel eine Innenlaufbahn (65) auf, die an der Drehlageroberfläche (52) von Welle und Rad montiert ist. An der Innenlaufbahn oder den Laufbahnen (65, 65C und 65T) ist ein Satz von Wälzelementen montiert, die die Innenlaufbahn mit der Außenlaufbahn (64) verbinden (6A). Die Außenlaufbahn ist innerhalb der Bohrung (71) in dem Lagergehäuse (3) montiert. Da Wälzelementlager nicht so viel Öl wie typische Turboladerdrehlager erfordern, ist ein Ölbegrenzer (86) an dem Öleinlass (80) angebracht, um den Ölfluss zu den REBs zu begrenzen.
  • Es gibt mehrere Verbesserungen, die mit der Verwendung 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 Turbolader-Lagersystem. Die Leistungsverluste bei REB-Systemen sind geringer als jene für typische Turbolader-Lagersysteme vom Buchsentyp. REB-Systeme können viel größere Schublasten tragen als typische Turbolader-Lagersysteme, wodurch die Schubkomponente robuster wird. Da typische Rampen- und Kissen-Schublager einen großen Prozentsatz des dem Turbolader zugeführten Ölflusses erfordern und REB-Systeme einen geringeren Ölfluss erfordern (als ein typisches Turbolader-Lagersystem), wird dann weniger Ölfluss für ein REB-System mit der positiven Konsequenz benötigt, das es weniger Neigung für eine Ölpassage zu den Verdichter- oder Turbinenstufen gibt, wo dieses Öl den Katalysator verdichten kann.
  • Während Kugellagersysteme diese Gewinne bezüglich Effizienz und instationärer Leistung liefern, ist die Dämpfkapazität von Kugellagern nicht so gut wie die der typischen Turbolader-Lager mit doppeltem hydrodynamischen Squeeze-Film. Zur Erleichterung der Montage werden die Kugellager in einer REB-Stahlpatrone festgehalten, die durch einen Ölfilm zwischen dem Außendurchmesser der Patrone und dem Innendurchmesser der Lagergehäusebohrung in dem Lagergehäuse aufgehängt ist. Das Öl wird zum Dämpfen von kritischen Ereignissen der Welle und zur Schmierung der Lager verwendet. Bei diesem Design ist es kritisch, dass die Lagerpatrone nicht in einem Metall-Metall-Kontakt mit der Lagergehäusebohrung steht, da die Dämpfungsfunktion verloren geht.
  • US 5,145,334 (Gutknecht) und US 7,214,037 (Mavrosakis) lehren Verfahren für das Festhalten einer Patrone eines schwimmenden Lagers in einem Lagergehäuse. Ein in dem Lagergehäuse befestigter Pfosten (zum Beispiel Drossel 86) schränkt die Lagerpatrone derart ein, dass der Pfosten gegen die axialen und Drehkräfte reagiert, während eine ansonsten uneingeschränkte Bewegung (Schwimmen) der Lagerpatrone in dem Lagergehäuse gestattet ist. In US 7,214,037 unterstützt, wie in 4 gezeigt, ein von einer Öffnung (444) des Gehäuses (440) aufgenommener Stift (460) optional das azimutale Lokalisieren der Patrone bezüglich des Gehäuses (440). Ein Stift (72) ähnlich dem von US 5,145,334 ist in 3 der vorliegenden Anmeldung gezeigt, der eine Bohrung (68) in der Patrone und eine Bohrung (70) in dem Außenlaufring lokalisiert, um sowohl eine axiale als auch eine Dreheinschränkung relativ zu dem Lagergehäuse bereitzustellen. Diese beiden Verfahren erfordern eine maschinelle Verarbeitung durch Öffnungen in dem Lagergehäuse, und sie erfordern weiterhin eine umständliche Montage in einem für den Monteur nicht gut sichtbaren Bereich, wodurch sowohl eine korrekte Montage als auch Verifikation der Montage der Stifte erschwert wird.
  • US 7,214,037 lehrt die Verwendung eines Senkers (442, 4) und einer Platte (450), um die auf die Außenlaufbahn der Lagerpatrone ausgeübten axialen Lasten zu kontrollieren. Die maschinelle Bearbeitung dieses Senkers erfordert eine präzise Platzierung des Schneidwerkzeugs, das die Richtung vom Schneiden einer diametralen Oberfläche zu einer Anschlagsoberfläche tief in dem Lagergehäuse ändern muss, ohne dass ein zu großer einschließender Eckradius zurückbleibt, der möglicherweise nicht gestattet, dass die Lagerpatrone auf dem Anschlag sitzt. Die Ausführung dieses Prozesses erhöht die Kosten und Komplexität der maschinellen Bearbeitung des Lagergehäuses.
  • So ist ersichtlich, dass der aktuelle Zustand der axialen und Drehbegrenzung der REB-Patrone sowohl teuer als auch komplex ist. Eine kosten- und technisch effektivere Lösung wird benötigt.
  • KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Die Erfinder der vorliegenden Erfindung überlegten sich, dass eine Notwendigkeit zum Lösen der obigen Probleme bestand, die REB-Patrone auf eine Weise zu montieren, die das Dämpfen eines kapselnden Ölfilms gestattet, aber gleichzeitig gestattet, dass die REB-Patrone axial zum Übertragen der axialen Lasten auf das Lagergehäuse und rotationsmäßig, sodass sich die REB-Patrone nicht relativ zu dem Lagergehäuse dreht, gehalten wird. Es besteht somit eine Notwendigkeit für ein kosteneffektives, einfach zu montierendes Verdrehsicherungsmerkmal, um einen dämpfenden Ölfilm um die REB-Patrone herum zu gestatten und doch zu verhindern, dass sich die REB-Baugruppe relativ zu dem Lagergehäuse dreht.
  • Die Erfinder lösten die Probleme, indem sie einen Doppelmodus-Sicherungsring entwickelten, der ein einfaches, montageidiotensicheres, preiswertes, leicht maschinell herzustellendes Verdrehsicherungsmerkmal bereitstellt, gegebenenfalls einen dämpfenden Ölfilmfluss um die REB-Patrone herum gestattet und dennoch verhindert, dass sich die Lagerpatrone einer Wälzelementlagerbaugruppe relativ zu dem Lagergehäuse dreht.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die vorliegende Erfindung wird beispielhaft und nicht als Beschränkung in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt, in denen gleiche Bezugszahlen ähnliche Teile bezeichnen. Es zeigen:
  • 1 einen Schnitt durch eine Turboladerbaugruppe;
  • 2 einen Schnitt durch eine Turbolader-Lagergehäusebaugruppe mit typischem Kugellager;
  • 3 ein Wälzlager nach dem Stand der Technik;
  • 4 ein anderes Wälzlager nach dem Stand der Technik;
  • 5 eine Ansicht einer geschnittenen Lagergehäusebaugruppe mit einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
  • 6A, 6B Schnittansichten der ersten Ausführungsform der Erfindung;
  • 7 eine weitere vergrößerte Ansicht von 6A;
  • 8A, 8B eine Vorderansicht und Rückansichten der Erfindung;
  • 9 einen vergrößerten Schnitt durch eine erste Variation der ersten Ausführungsformen der Erfindung;
  • 10A, 10B vergrößerte Schnitte durch eine zweite Variation der ersten Ausführungsformen der Erfindung;
  • 11A, 11B eine Montagereihenfolge der ersten Ausführungsform der Erfindung;
  • 12A, 12B vergrößerte Schnitte der zweiten Variation der ersten Ausführungsform der Erfindung;
  • 13A, 13B Schnittansichten einer zweiten Ausführungsform der Erfindung und
  • 14 einen vergrößerten Schnitt der zweiten Ausführungsform der Erfindung.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Wenngleich mit den herkömmlichen Verfahren zum Begrenzen einer Kugellagerpatrone gegenüber einer Drehung relativ zu dem Lagergehäuse, in der sie montiert ist, Probleme assoziiert sind, würde das Weglassen einer axialen und radialen Begrenzung den Rädern gestatten, die Gehäuse zu kontaktieren, und würde der Patrone gestatten, sich in dem Lagergehäuse zu drehen, was alles die Lebensdauer des Turboladers verkürzen würde.
  • Die Erfindung stellt einen Doppelmodus-Sicherungsring und ein Begrenzungssystem unter Verwendung des Doppelmodus-Sicherungsrings bereit. Während Sicherungsringe herkömmlicherweise allgemein kreisförmige radial innere Oberflächen und allgemein kreisförmige radial äußere Oberflächen aufweisen, enthalten die Doppelmodus-Sicherungsringe der vorliegenden Erfindung
    • – mindestens eine unrunde radial innere Oberfläche zur Ineingriffnahme in eine komplementäre unrunde Oberfläche der REB-Patrone, bevorzugt in Form einer Nut ausgebildet,
    • – mindestens eine unrunde radial äußere Oberfläche zur Ineingriffnahme in eine komplementäre unrunde Oberfläche des Lagergehäuses, wobei die radial innere und äußere Ineingriffnahme eine Verdrehsicherungsbegrenzung der REB-Patrone erzeugen, und
    • – erste und zweite axiale Oberflächen, ausgelegt, um radial nach außen in einer Nut in dem Lagergehäuse zu sitzen oder zwischen dem Lagergehäuse und der Lagergehäuseverschlussplatte und radial nach innen in einer Nut in der REB-Patrone definiert zu werden, und Verhindern einer axialen Bewegung der REB-Patrone in der Verdichterrichtung sowie in der Turbinenrichtung.
  • Dieser Doppelmodus-Sicherungsring und das REB-Patronenbegrenzungssystem erfüllen die Erfordernisse für eine Begrenzung der REB-Patrone in sowohl axialer als auch Drehrichtung sowie das Erfordernis für die leichte Bewältigung der Montageaufgabe durch das Montagepersonal sowie das Erfordernis zum leichten visuellen Verifizieren, dass die Begrenzungseinrichtung in der fertiggestellten Turboladerbaugruppe tatsächlich korrekt installiert wurde. Der Doppelmodus-Sicherungsring liefert ein einfaches, montageidiotensicheres, preiswertes, maschinell leicht zu bearbeitendes Verdrehsicherungsmerkmal, um einen dämpfenden Olfilmfluss um die REB-Patrone herum zu gestatten und dennoch zu verhindern, dass sich die Lagerpatrone einer Wälzelementlagerbaugruppe relativ zu dem Lagergehäuse dreht.
  • Gemäß der Erfindung ist der in 2 gezeigte axiale Anschlag (73) am Turbinenende, der ein Merkmal herkömmlicher Einschränkung war, nicht länger erforderlich, wodurch die Lagergehäusebohrung (71) dort mit konstantem Durchmesser bearbeitet werden kann, wo sie in den Ölschleuderscheibenhohlraum (170) mündet. Wenngleich dies möglicherweise nur eine geringfügige Modifikation zu sein scheint, stellt dies tatsächlich eine substantielle Verbesserung bei der Herstellbarkeit dar. Die Eliminierung des axialen Anschlags (73) am Turbinenende gestattet das Honen der Lagergehäusebohrung, um das Oberflächenfinish zu verbessern, während, wenn ein Anschlag vorliegt, der Prozess des Honens einer zylindrischen Oberfläche in einem Sackloch recht schwierig ist.
  • Eine erste Ausführungsform des Doppelmodus-Sicherungsrings (102), wie in 8A und 8B gezeigt, weist eine radial innere Oberfläche (112) und eine radial äußere Oberfläche (111) auf. Zusätzlich zu den Merkmalen eines herkömmlichen Sicherungsrings weist der Doppelmodus-Sicherungsring (102) eine oder mehrere unrunde, zum Beispiel flache Sektionen oder Gestalten auf, die allgemein eine Drehbegrenzung (107) bereitstellen, in die allgemein runde oder kreisförmige innere Oberfläche (112) des Rings derart eingearbeitet, dass die flachen Sektionen (107) in dem Doppelmodus-Sicherungsring, wenn sich der Doppelmodus-Sicherungsring in dem entspannten Zustand befindet, an entsprechende, in die REB-Patrone eingearbeitete flache innere Sektionen (106) von Nuten (94) oder eine Außenlaufbahn passen.
  • An der radial äußeren Oberfläche (111) weist der Doppelmodus-Sicherungsring (102) der ersten Ausführungsform eine radial nach außen vorstehende positive Fahne (104) auf, die in einen umgekehrt abgebildeten Zacken (103) in dem Lagergehäuse passt, um eine Drehung des Sicherungsrings bezüglich des Lagergehäuses zu verhindern. Diese drehmäßig arretierende Anordnung des Doppelmodus-Sicherungsrings am Lagergehäuse und drehmäßig arretierende Anordnung der REB-Patrone an dem Doppelmodus-Sicherungsring begrenzt somit eine Drehung der REB-Patrone relativ zu dem Lagergehäuse. Dieses drehmäßig arretierende Merkmal könnte je nach den Herstellungstechniken auch ein Stift (in dem Lagergehäuse) und ein entsprechendes Loch (in dem Doppelmodus-Sicherungsring) sein.
  • Der Doppelmodus-Sicherungsring (102) weist auch zwei üblicherweise flache axiale oder „Wangen”-Flächen auf. Das Lagergehäuse weist radial eine Ausnehmung auf, die ausgelegt ist zum Aufnehmen des Sicherungsrings, und die REB-Patrone weist radial eine Nut auf, die ausgelegt ist zum Aufnehmen des Sicherungsrings, sodass bei axialem Schub von der REB-Patrone in der Richtung der Turbine die turbinenseitige Sicherungsring-Wangenfläche (109) an der Turbinenseite der Ausnehmung (67) in dem Lagergehäuse (3) anliegt und bei axialem Schub in der Richtung des Verdichters die verdichterseitige Wangenfläche (108) des Doppelmodus-Sicherungsrings an der turbinenseitigen Fläche (168) des Lagergehäuseverschlusses (6) anliegt.
  • Der Doppelmodus-Sicherungsring (102) kann unterschiedlich ausgelegt werden, solange er in Verbindung mit dem Lagergehäuse sowohl eine axiale als auch eine Drehbegrenzung der REB-Patrone in dem Lagergehäuse bereitstellt.
  • Während bei dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung die Drehbegrenzung der REB-Patrone zu dem Doppelmodus-Sicherungsring die Form von drei flachen Oberflächen in dem Sicherungsring annimmt, die mit drei flachen Oberflächen in der REB-Patrone sperren, könnte es eine beliebige Anzahl größer als eine flache Oberfläche geben, die mit der gleichen Anzahl an flachen Oberflächen in der REB-Patrone sperrt, um sowohl die Drehbegrenzung als auch eine einzigartige Winkelausrichtung bereitzustellen, sodass ein etwaiger, in das Lagergehäuse eingearbeiteter Ölkanal mit einem in die Außenlaufbahn eingearbeiteten entsprechenden Ölkanal kommuniziert.
  • Während bei dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung die Drehbegrenzung der REB-Patrone zu dem Doppelmodus-Sicherungsring die Form von drei linearen oder flachen Oberflächen in dem Sicherungsring annimmt, die mit drei flachen Oberflächen in der REB-Patrone sperren, könnte es andere drehmäßig begrenzende Geometrien wie etwa Kurven oder Fahnen entweder in dem Doppelmodus-Sicherungsring oder der REB-Patrone geben, die die gleiche Funktion erfüllen. Die rotationsmäßig arretierende Begrenzung zwischen dem Doppelmodus-Sicherungsring und der REB-Patrone könnte auch ein Stift und eine Nut/ein Loch/eine Keilnut sein, die oder das die REB-Patrone auf dem Doppelmodus-Sicherungsring ausrichtet.
  • Wie in 5, 6A und B gezeigt und der Übersichtlichkeit halber in 7 vergrößert, ist bei der kompressorseitigen Fläche (8) des Lagergehäuses (3) Material bewegt oder davon entfernt, um die axiale Dicke und/oder Gestalt aufzunehmen (beispielsweise ein axiales Sackloch, ausgelegt zum Aufnehmen einer axialen Kugel oder eines axialen Stifts, die oder der sich aus der kompressorseitigen Wangenfläche heraus erstreckt, um eine Drehung des Sicherungsrings (102) zu verhindern). Die Gestalt (96) des von der kompressorseitigen Fläche (8) des Lagergehäuses (3) entfernten Materials ist ein umgekehrtes Bild, mit Spielraum, des Doppelmodus-Sicherungsrings (102) einschließlich Verdrehsicherungsmerkmal, wobei sich der Doppelmodus-Sicherungsring in dem an die REB-Patrone montierten Zustand befindet.
  • Wie bei herkömmlichen Sicherungsringen weist der Doppelmodus-Sicherungsring ein Paar von Ösen (110) auf, damit der Doppelmodus-Sicherungsring mit typischen Sicherungsringzangen ausgedehnt und zusammengezogen werden kann. Damit der Dorn der Sicherungsringzangen in die Ösen passt, ist eine Erhöhungszone (105) vorgesehen. Diese Zone ist tiefer als die Erhöhung (96), damit der Dorn der Sicherungsringzange durch den Sicherungsring vorsteht, und die Zone ist ausreichend breit, damit der Doppelmodus-Sicherungsring expandiert werden kann, um das Entfernen oder die Installation des Doppelmodus-Sicherungsrings auf der REB-Patrone zu gestatten.
  • Während dieses Design auf einer Öse zum Montieren und Demontieren des Doppelmodus-Sicherungsrings an der Baugruppe basiert, könnte der Sicherungsring ein Sicherungsring nicht vom Ösentyp sein, solange er Verdrehsicherungseinrichtungen sowohl zu dem Lagergehäuse als auch zu der REB-Patrone aufweist.
  • Zum Montieren der ersten Ausführungsform der Erfindung, wie in 11A und B zu sehen, muss die Montage der Reihe nach durchgeführt werden. In Stadium „A” wird der Doppelmodus-Sicherungsring (102) ausgedehnt, damit er über den Außendurchmesser der REB-Patrone (64) gleiten kann, bis er auf die Nut (94) in der REB-Patrone ausgerichtet ist. Der Doppelmodus-Sicherungsring kann sich dann in die Nut (94) in der REB-Patrone derart zusammenziehen, dass die Abflachungen (107) auf dem Doppelmodus-Sicherungsring (102) auf die entsprechenden Abflachungen (106) in der REB-Patrone ausgerichtet sind. In Stadium „B” wird diese Teilbaugruppe dann zu der Turbinenseite in der Bohrung (71) in dem Lagergehäuse (3) geschoben und gedreht, bis die Fahne (104) des Doppelmodus-Sicherungsrings auf den entsprechenden Zacken (96) in dem Lagergehäuse ausgerichtet ist, wodurch die REB-Patrone in der korrekten, einzigartigen Orientierung präsentiert wird, damit der Öleinlass und der Ölablauf den entsprechenden Ports in dem Lagergehäuse entsprechen. Die Dicke zwischen den Wangenoberflächen (108 und 109) des Doppelmodus-Sicherungsrings ist kleiner als die Tiefe des Zackens (96), sodass sich bei korrekter Montage die Oberfläche (108) des Doppelmodus-Sicherungsrings unter der Oberfläche (8) des Lagergehäuses befindet.
  • Bei dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wie in 5 bis 7 gezeigt, weist ein Lagergehäuseverschluss (6) einen positiven Absatz oder Anschlag (98) mit einer allgemein kreisförmigen radialen Gestalt auf, wenngleich geringfügig kleiner, um eine Montage des umgekehrten Bilds der äußeren Oberfläche und Gestalt (111) des Sicherungsrings zu gestatten, und wobei eine Tiefe des Anschlags so dimensioniert ist, dass sie in die Baugruppe aus der REB-Patrone und dem Sicherungsring passt, die zuvor in das Lagergehäuse eingeführt wurde, sodass der Doppelmodus-Sicherungsring von der turbinenseitigen Anschlagoberfläche (168) des Lagergehäuseverschlusses und der kompressorseitigen Oberfläche (67) des Lagergehäuses axial gefangen wird. Der Lagergehäuseverschluss (6) ist bei dem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit dem Lagergehäuse verschraubt; er kann jedoch durch eines der üblichen Verfahren an dem Lagergehäuse montiert sein, die dazu verwendet werden, diese Baugruppe typischerweise zusammenzuhalten, einschließlich Vee-Bänder, Schrauben und Muttern oder Zapfen und Muttern.
  • Somit wird bei dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung die REB-Patrone durch die Baugruppe aus Lagergehäuse, Lagergehäuseverschluss und Doppelmodus-Sicherungsring (102) gefangen. Auf diese Weise werden (axiale) aerodynamische Schublasten des Turboladers durch den Doppelmodus-Sicherungsring auf das Lagergehäuse in beiden Richtungen oder das Lagergehäuse in einer axialen Richtung und die Lagergehäuseverschlussplatte in der anderen axialen Richtung übertragen, wodurch die REB-Patrone eingeschränkt wird und somit die axiale Position der sich drehenden Baugruppe kontrolliert wird. Da der Doppelmodus-Sicherungsring (102) ein Verdrehsicherungsmerkmal (194) aufweist, das drehmäßig durch den umgekehrt abgebildeten Zacken (103) in dem Lagergehäuse eingeschränkt wird, ist zu sehen, dass sowohl Axial- als auch Drehbegrenzungsfunktionen durch ein einzelnes kosteneffektives Teil geliefert werden: den Doppelmodus-Sicherungsring.
  • Bei dem oben erörterten ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung war die Gestalt des vorstehenden Materials ein radial geringfügig kleineres Umkehrbild der Gestalt des entfernten Materials an der Kompressorseite des Sicherungsrings in dem Lagergehäuse, damit der Anschlag oder das vorstehende Material den Sicherungsring axial in der Richtung des Verdichters begrenzen kann. Die Gestalt des vorstehenden Materials könnte ein Kreissegment sein, oder es könnte eine derartige Gestalt sein, dass es den gesamten Sicherungsring auf der Kompressorseite des Sicherungsrings nicht bedeckt. Die Gestalt des vorstehenden Materials muss ausreichend sein, um den Sicherungsring in der Richtung des Verdichters zu begrenzen. Alternativ könnte das Lagergehäuse in mindestens der ersten Ausführungsform eine Bohrung aufweisen, und der Sicherungsring könnte eine sich axial erstreckende Kugel oder einen sich axial erstreckenden Stift aufweisen.
  • Bei einer ersten Variation der ersten Ausführungsform der Erfindung ist die Tiefe der Ausnehmung (96) (durch die Tiefe der Ausnehmungsoberfläche (67) ab der Lagergehäuseoberfläche (8) ausgebildet) in der Verdichterseite des Lagergehäuses gleich der Summe aus der Dicke des Sicherungsrings (auf der Oberfläche (109) zu der Oberfläche (108)) plus dem Vorsprung des Anschlags (98) (ab der Oberfläche (7) des Lagergehäuseverschlusses zu der Oberfläche (168) des Anschlagvorsprungs) in dem Lagergehäuseverschluss. Zu Zwecken der Übersichtlichkeit soll der Hohlraum für die Sicherungsringdicke, wie oben definiert, als „die Tiefe des Sicherungsringaxialhohlraums” bekannt sein.
  • Bei dem Design des REB-Festhaltesystems muss das thermische Ausdehnen und Zusammenziehen der verschiedenen Teile berücksichtigt werden. Im schlimmsten thermischen/Toleranzstapelzustand kann die Sicherungsringdicke höchstens gleich der Tiefe des Sicherungsringaxialhohlraums sein, und in dem schlimmsten thermischen/Toleranzstapelbedingungsfall darf der Sicherungsring in dem Sicherungsringaxialhohlraum nicht lose sein.
  • Bei einer zweiten Variation der ersten Ausführungsform der Erfindung, wie in 9 und 10 gezeigt, ist die kompressorseitige Fläche (8) des Lagergehäuses flach (ohne Ausnehmung (96)) in dem Gebiet des Doppelmodus-Sicherungsrings, und die Ausnehmung (97) befindet sich in der turbinenseitigen Fläche (7) des Lagergehäuseverschlusses (6).
  • Bei der ersten Ausführungsform der Erfindung, wie in 5, 6, 7, 9, 10, 12 gezeigt, ist die Verdrehsicherungsfahne (104) ein geometrisches Merkmal, das in den Umkehrbildzacken (103) in dem Lagergehäuse (3) passt. Bei einer Variation der ersten Ausführungsform der Erfindung, wie in 12A und 12B gezeigt, umfasst das Verdrehsicherungsmerkmal (114) des Doppelmodus-Sicherungsrings (107) mehr von der äußeren Oberfläche (111) des Sicherungsrings als die Fahne (104), und das Verdrehsicherungsmerkmal in dieser Variation der ersten Ausführungsform der Erfindung passt in einen Umkehrbildzacken (113) in dem Lagergehäuse, sodass die Winkelorientierung des Sicherungsrings in dem Zacken in dem Lagergehäuse einzigartig ist. Das Anpassen der flachen Oberflächen (107) auf der inneren Oberfläche des Doppelmodus-Sicherungsrings (102) an die entsprechenden flachen Oberflächen 106 in der REB-Patrone oder der Außenlaufbahn (64) bleibt das gleiche wie jenes der ersten Ausführungsform der Erfindung.
  • Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung befindet sich ein Doppelmodus-Sicherungsring (102) in einer Sicherungsnut (95) in dem Lagergehäuse (3). Wie in 8, 13 und 14 ersichtlich, weist die Sicherungsringnut eine Turbinengehäuseseite (67) und eine Verdichterseite (168) auf. Es existiert eine Sicherungsringnut (94) in der äußeren Oberfläche (172) der Außenlaufbahn oder der Patrone (64).
  • Bei der ersten Ausführungsform der Erfindung verwendete die Drehbegrenzung des Doppelmodus-Sicherungsrings eine vorstehende positive Fahne (104), die in eine Umkehrbildausnehmung (103) auf die Weise von „Schloss und Schlüssel” passt. Die Fahne und die Ausnehmung befanden sich entweder in dem Lagergehäuse (3) oder dem Lagergehäuseverschluss (6). Bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung wird die Begrenzung, sowohl axial als auch drehmäßig, der REB-Patrone nur durch einen Doppelmodus-Sicherungsring und das Lagergehäuse bereitgestellt.
  • Da die Sicherungsringnut ganz in dem Lagergehäuse enthalten ist, muss die Verdrehsicherungsmerkmalsausnehmung „blind” eingearbeitet werden, damit sie die Wangenflächen (67 und 168) der Sicherungsringnut schneidet. In 14 schneiden sich ein Loch mit einem Außendurchmesser (83), der ausreicht, dass die Verdrehsicherungsfahne (104) des Doppelmodus-Sicherungsrings in den verbleibenden Abschnitt des Lochs in der Zone fällt, dort, wo sich das Loch mit einer Mittellinie (82) und die Sicherungsringnut (95) schneidet. Der radial äußere Abschnitt des Außendurchmessers (83) des Lochs ist unschattiert in 14 zu sehen. Der radial innere Abschnitt des Lochs wird durch die Herstellung der Lagergehäusebohrung (7) weg gearbeitet.
  • Bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung muss die Montagereihenfolge gegenüber der der ersten Ausführungsform der Erfindung verändert werden. Bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung wird der Doppelmodus-Sicherungsring (102) für ein Einsetzen in die Nut (95) kollabiert, die die Lagergehäusebohrung (71) in dem Lagergehäuse umgibt. Der Sicherungsring kann nur mit dem positiven Verdrehsicherungsmerkmal (104), das in den negativen Zacken eingepasst ist eingesetzt werden, ausgebildet durch die Kreuzung des Lochs (83) und die Sicherungsringnut (95) in dem Lagergehäuse. Der Sicherungsring wird dann innerhalb der Nut (94) in dem Lagergehäuse so expandiert, dass die REB-Patrone (64) durch den expandierten Sicherungsring geschoben werden kann. Der Sicherungsring kann zu seiner „Ausgangs” Gestalt zurückkehren, wobei die flachen Abschnitte (107) auf der inneren Oberfläche (112) des Sicherungsrings die flachen Oberflächen (106) an der Basis der Nut (94) in der REB-Patrone lokalisieren. Die REB-Patrone (64) muss möglicherweise gedreht werden, damit die Abflachungen in der inneren Oberfläche des Sicherungsrings auf Abflachungen an der Basis der Nut (94) in der REB-Patrone oder der Außenlaufbahn ausgerichtet sind. Somit besitzt die REB-Patrone eine einzigartige Winkelorientierung zu dem Sicherungsring, und der Sicherungsring besitzt eine einzigartige Winkelorientierung zu dem Lagergehäuse.
  • Wie bei der ersten Ausführungsform der Erfindung ist der turbinenseitige Anschlag (73), in 2 zu sehen, nicht länger erforderlich, wodurch die Bearbeitung der Lagergehäusebohrung (71) in einem Durchbruch in den Ölschleuderringhohlraum (170) enden kann.
  • Somit ist ersichtlich, dass bei beiden Ausführungsformen der Erfindung ein singulärer kosteneffektiver Doppelmodus-Sicherungsring sowohl die axiale Position als auch die Drehung der REB-Patrone bezüglich des Lagergehäuses begrenzt.
  • Nachdem die Erfindung nun beschrieben worden ist, folgen die Ansprüche.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 5145334 [0019, 0019]
    • US 7214037 [0019, 0019, 0020]

Claims (11)

  1. Turbolader, der Folgendes enthält: eine Welle mit einem Verdichterende und einem Turbinenende; ein Lagergehäuse (3), das eine Lagerbohrung enthält und eine Verdichterseite und eine Turbinenseite aufweist; eine Wälzelementlager-(REB – Rolling Element Bearing)Patrone, die in dem Lagerloch getragen wird, wobei die REB-Patrone mindestens eine Innenlaufbahn (65, 65C, 65T), mindestens eine Außenlaufbahn (64) und eine Reihe von Wälzelementen umfasst, wobei jedes Wälzelement mit einer Innenlaufbahn und einer Außenlaufbahn in Kontakt steht, wobei die REB-Patrone eine Mittelachse, ein Verdichterende und ein Turbinenende aufweist und wobei eine Umfangsnut (94) in dem Außenumfang der REB-Patrone ausgebildet ist, senkrecht zu der Mittelachse und nahe dem Verdichterende oder Turbinenende der REB-Patrone; eine Lagergehäuseverschlussplatte (6), die an der Verdichterseite des Lagergehäuses montiert ist; und einen Sicherungsring, wobei sich die REB-Patrone in der Lagergehäusebohrung befindet, wobei die Welle drehmäßig von der REB-Patrone gestützt wird, wobei der Sicherungsring teilweise in der Nut (94) in der REB-Patrone sitzt und axial zwischen dem Lagergehäuse (3) und der Lagergehäuseverschlussplatte (6) begrenzt ist, wodurch die REB-Patrone axial lokalisiert wird, und wobei der Sicherungsring mindestens ein Verdrehsicherungsmerkmal in Eingriff mit einem kooperierenden Verdrehsicherungsmerkmal in der Nut (94) und mindestens ein Verdrehsicherungsmerkmal in Eingriff mit einem kooperierenden Verdrehsicherungsmerkmal in dem Lagergehäuse (3) und/oder der Lagergehäuseverschlussplatte (6) aufweist, sodass der Sicherungsring eine Drehung der Außenlaufbahn verhindert.
  2. Turbolader nach Anspruch 1, wobei die radial innere Oberfläche des Sicherungsrings allgemein kreisförmig ist und wobei das Verdrehsicherungsmerkmal eine gerade oder gekrümmte Abweichung von der allgemein kreisförmigen, radial inneren Oberfläche ist.
  3. Turbolader nach Anspruch 1, wobei der Außendurchmesser der Außenlaufbahn dem Außendurchmesser der REB-Patrone entspricht.
  4. Turbolader nach Anspruch 1, wobei die REB-Patrone eine Buchse umfasst, die mindestens zwei REB-Baugruppen enthält, wobei jede REB-Baugruppe mindestens eine Innenlaufbahn (65, 65C, 65T), mindestens eine Außenlaufbahn (64) und eine Reihe von Wälzelementen umfasst, wobei jedes Wälzelement mit einer Innenlaufbahn und einer Außenlaufbahn in Kontakt steht, wobei die Buchse den Außendurchmesser der REB-Patrone definiert.
  5. Turbolader nach Anspruch 1, wobei die radial äußere Oberfläche des Sicherungsrings allgemein kreisförmig ist und wobei das Verdrehsicherungsmerkmal eine gerade, konvexe oder konkave Abweichung von der allgemein kreisförmigen, radial äußeren Oberfläche ist.
  6. Turbolader nach Anspruch 5, wobei das Verdrehsicherungsmerkmal mindestens einen konkaven Vorsprung von der allgemein kreisförmigen, radial äußeren Oberfläche umfasst.
  7. Turbolader nach Anspruch 5, wobei das Verdrehsicherungsmerkmal mindestens eine konvexe Ausnehmung von der allgemein kreisförmigen, radial äußeren Oberfläche umfasst.
  8. Turbolader nach Anspruch 1, wobei sich die in dem Außenumfang der REB-Patrone ausgebildete Umfangsnut (94) nahe dem Verdichterende der REB-Patrone befindet.
  9. Turbolader nach Anspruch 1, wobei der Sicherungsring allgemein planar ist und wobei mindestens eines der Verdrehsicherungsmerkmale ein axialer Vorsprung von der allgemein planaren Oberfläche des Sicherungsrings ist.
  10. Turbolader nach Anspruch 1, wobei die Bohrung frei von irgendeinem turbinenseitigen axialen Anschlag (73) ist.
  11. Turbolader, der Folgendes enthält: eine Welle mit einem Verdichterende und einem Turbinenende; ein Lagergehäuse (3), das eine Lagerbohrung enthält; eine Wälzelementlager-(REB – Rolling Element Bearing)Patrone, die in dem Lagerloch getragen wird, wobei die REB-Patrone mindestens eine Innenlaufbahn (65, 65C, 65T), mindestens eine Außenlaufbahn (64) und eine Reihe von Wälzelementen umfasst, wobei jedes Wälzelement mit einer Innenlaufbahn und einer Außenlaufbahn in Kontakt steht, wobei die REB-Patrone eine Mittelachse, ein Verdichterende und ein Turbinenende aufweist und wobei eine Umfangsnut (94) in dem Außenumfang der REB-Patrone ausgebildet ist, senkrecht zu der Mittelachse und nahe dem Verdichterende oder Turbinenende der REB-Patrone; und einen Sicherungsring, wobei sich die REB-Patrone in der Lagergehäusebohrung befindet, wobei die Welle drehmäßig von der REB-Patrone gestützt wird, wobei der Sicherungsring teilweise in der REB-Patronennut (94) sitzt und axial durch das Lagergehäuse (3) begrenzt ist, wodurch die REB-Patrone axial lokalisiert wird, und wobei der Sicherungsring mindestens ein Verdrehsicherungsmerkmal in Eingriff mit einem kooperierenden Verdrehsicherungsmerkmal in der REB-Patronennut (94) und mindestens ein Verdrehsicherungsmerkmal in Eingriff mit einem kooperierenden Verdrehsicherungsmerkmal in dem Lagergehäuse (3) aufweist, sodass der Sicherungsring eine Drehung der Außenlaufbahn verhindert.
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