DE112011101660T5

DE112011101660T5 - Abgasturbolader

Info

Publication number: DE112011101660T5
Application number: DE112011101660T
Authority: DE
Inventors: Martin Becker; Andre Seiler
Original assignee: BorgWarner Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 2010-05-14
Filing date: 2011-05-09
Publication date: 2013-03-21
Also published as: JP2013526672A; US20130108483A1; WO2011143079A3; KR101829362B1; KR20130079376A; US9638059B2; WO2011143079A2; CN102859122B; CN102859122A

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Abgasturbolader (1) mit einem Verdichter (2); mit einer Turbine (3); mit einem Lagergehäuse (4), das an einem Ende mit dem Verdichter (2) und am anderen turbinenseitigen Ende (5) mit der Turbine (3) verbunden ist, das einen Ölsammelraum (6) am turbinenseitigen Ende (5) aufweist, und das eine Lageranordnung (7) für eine Rotorwelle (8) aufweist, die eine verdichterseitige Lagerung (9') mit einer inneren Lagerfläche und einer Außenumfangsfläche umfasst, und die eine axial zu der verdichterseitigen Lagerung (9') beabstandete turbinenseitige Lagerung (10') umfasst, die eine innere Lagerfläche (11) und eine Außenumfangsfläche (12) aufweist, wobei die verdichterseitige Lagerung (9') und die turbinenseitige Lagerung (10') unterschiedlich aufgebaut sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Beim gattungsgemäßen Abgasturbolader sind die äußeren und inneren Lagerbreiten der turbinenseitigen Radiallagerbuchse axial innerhalb der Lagerbohrung des Lagergehäuses angeordnet. Der Lagerabstand ergibt sich hierbei aus dem Abstand der axialen Mitten der beiden Lagerbuchsen. Dieser Lagerabstand hat einen wesentlichen Einfluss auf die Rotorstabilität, die auch maßgeblich von der Ausbildung der inneren und äußeren Schmierölspalte bestimmt wird.
Andererseits ist aufgrund der Anforderung immer kompakterer Bauräume ein möglichst enger Lagerabstand erforderlich, was sich negativ auf die Stabilität der Lagerung auswirkt.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Abgasturbolader der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art zu schaffen, der eine Verbesserung der Rotorstabilität sowie des akustischen Verhaltens bei zumindest annähernd gleichbleibenden Lagergehäuseabmessungen ermöglicht.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruches 1.
Im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem zumindest im Wesentlichen die verdichterseitige und die turbinenseitige Lagerung identisch aufgebaut sind, geht vorliegende Erfindung von der Erkenntnis aus, dass zur Erzielung einer akustischen und gleichzeitig rotordynamischen Verbesserung der Lageranordnung der Rotorwelle auf der Turbinen- und Verdichterseite unterschiedliche Lagerungen infolge ungleicher Belastungen vorgesehen werden. Aufgrund der unterschiedlichen Massen von Verdichter- und Turbinenrad sowie deren Abstände zur Lagerstelle ergibt sich ein Massenschwerpunkt des gesamten Rotors, der nicht in der geometrischen Mitte zwischen den Lagerstellen liegt und daher zu ungleichen Lagerbelastungen führt.
Das akustische Verhalten der Lagerung wird hierbei durch im Ölfilm generierte subharmonische Schwingungen bestimmt. Die Eigenschaften des Ölfilms wiederum ergeben sich aus den geometrischen Abmessungen der Lagerungen. Grundsätzlich sind die variierbaren Bauteile der Lagerungen die zu lagernde Rotorwelle selbst, die Lagerbuchsen der Lagerungen und das Lagergehäuse bzw. die Lagergehäusebereiche, in denen die Lagerbuchsen der Lageranordnung des erfindungsgemäßen Abgasturboladers angeordnet werden.
Hierzu ist es zunächst grundsätzlich möglich, den Wellendurchmesser der Rotorwelle im Anordnungsbereich der Lagerungsbuchsen zu verändern, insbesondere im Vergleich zu dem Wellenabschnitt zwischen den Lagerungen zu vergrößern. Hierzu kann vom Bereich zwischen den Lagerungen ausgehend eine geringfügige bzw. leichte Schrägfläche vorgesehen werden, die eine allmähliche Vergrößerung des Wellendurchmessers ermöglicht. Alternativ ist es ebenfalls möglich, einen Wellenabsatz vorzusehen, der eine gestufte Wellendurchmesservergrößerung möglich macht.
Die Lagerbuchsen selber können hinsichtlich ihres Außendurchmessers und/oder ihres Innendurchmessers verdichterseitig und turbinenseitig unterschiedlich aufgebaut werden. Dementsprechend ist es möglich, entweder auf der Verdichterseite oder auf der Turbinenseite den Außendurchmesser und/oder den Innendurchmesser gegenüber der jeweils anderen Seite zu vergrößern bzw. zu verkleinern.
Ferner ist es möglich, die Lagerbreite innen und/oder außen unterschiedlich auszuführen.
Schließlich kann die Form der Lagerflächen unterschiedlich ausgestaltet werden. Beispielsweise ist es möglich, in einer der Lagerflächen (z. B. auf der Verdichterseite) Nuten einzuarbeiten, während die andere Lagerfläche (in diesem Fall die turbinenseitige Lagerfläche) ohne Nuten, also glattflächig, ausgestaltet werden kann. Natürlich ist es ebenfalls möglich, die Nuten auf der jeweils anderen Seite vorzusehen bzw. wegzulassen. Ebenfalls denkbar ist es, dass Nuten auf der Außenumfangsfläche der Lagerbuchsen vorgesehen werden. Auch in diesem Falle ist entweder die Verdichterseite oder die Turbinenseite auf der Außenumfangsfläche mit Nuten versehen oder ohne Nuten ausgebildet.
Schließlich können die Aufnahmebohrungen des Lagergehäuses für die Lagerbuchsen unterschiedlich zwischen der Verdichterseite und der Turbinenseite ausgebildet werden. Dies betrifft wiederum die Durchmesser der Aufnahmebohrungen, die Breite der Aufnahmebohrungen und die Form der Aufnahmebohrungen, wobei es wiederum möglich ist, entweder auf der Verdichterseite oder der Turbinenseite Nuten vorzusehen und auf der jeweils anderen Seite eine Ausbildung ohne Nuten vorzunehmen. Hierzu sind vorzugsweise in der Lagergehäusebohrung Sichelnuten in dem Teilumfangsbereich, indem die Ölzuführbohrung mündet, angeordnet.
Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
Dadurch, dass die axiale Erstreckung des turbinenseitigen Ölsammelraums zur Lagerung des Rotors genutzt wird, ist es möglich, den inneren Lagerabstand (zwischen Rotor und Lagerbuchsen) zu vergrößern, ohne die Lagergehäuseabmessungen ändern zu müssen. Hierbei bleibt die innere Gesamtlagerflächenbreite der Lagerbuchse unverändert, wird vorzugsweise jedoch auf zwei Lagerflächenbereiche aufgeteilt. Den dafür erforderlichen Bauraum am Rotor kann durch Änderung der Anlageschulter des Rotors erreicht werden.
Ferner ist es möglich, die bessere Rotorstabilität auch zur Reduzierung der Lagergehäuseabmessungen (Reduzierung des Lagerabstands) zu verwenden.
Ferner ist es möglich, die Lagerbuchse symmetrisch auszuführen, um die Montage der Lageranordnung zu vereinfachen.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnung. Es zeigen:
1 eine schematisch leicht vereinfachte Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers,
2 eine vergrößerte perspektivische Darstellung einer in 1 mit einem Kreis umrandeten turbinenseitigen Lagerbuchse,
3 eine Schnittdarstellung der Lagerbuchse gemäß 2,
4 eine der 1 entsprechende Darstellung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgasturboladers,
5 eine der 2 entsprechende Darstellung einer in 4 mit einem Kreis umrandeten turbinenseitigen Lagerbuchse,
6 eine der 3 entsprechende Schnittdarstellung der Lagerbuchse gemäß 5,
7 eine den 1 und 4 entsprechende Darstellung einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgasturboladers,
8 eine den 2 und 5 entsprechende Darstellung einer alternativen Ausführungsform der turbinenseitigen Lagerbuchse,
9 eine den 3 und 6 entsprechende Schnittdarstellung der Lagerbuchse gemäß 8,
10 eine der 1 entsprechende Darstellung einer vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgasturboladers,
11 eine der 1 entsprechende Darstellung einer fünften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgasturboladers,
12 eine der 1 entsprechende Darstellung einer sechsten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgasturboladers,
13 eine der 1 entsprechende Darstellung einer siebten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgasturboladers,
14 eine der 1 entsprechende Darstellung einer achten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgasturboladers, und
15 eine der 1 entsprechende Darstellung einer neunten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgasturboladers.
Eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgasturboladers 1 wird nachfolgend anhand der 1 bis 3 erläutert. In 1 ist der Abgasturbolader 1 schematisch vereinfacht dargestellt. Er weist einen Verdichter 2, eine Turbine 3 und ein Lagergehäuse 4 auf. Das Lagergehäuse 4 ist an einem Ende mit dem Verdichter 2 und am anderen turbinenseitigen Ende 5 mit der Turbine 3 verbunden. Das Lagergehäuse 4 umfasst einen Ölsammelraum 6 am turbinenseitigen Ende 5 und eine Lageranordnung 7 für eine Rotorwelle 8, wobei die Lageranordnung 7 eine verdichterseitige Lagerbuchse und eine axial zu dieser beabstandete turbinenseitige Lagerbuchse 10 aufweist. Wie aus 2 und 3 ersichtlich, weist die turbinenseitige Lagerbuchse 10 eine innere Lagerfläche 11 und eine Außenumfangsfläche 12 auf.
Wie in dem mit einem Kreis umrandeten Bereich von 1 dargestellt, erstreckt sich die turbinenseitige Lagerbuchse 10 bis in den Bereich des Ölsammelraums 6. Das Ausnutzen des Ölsammelraums 6 für die axiale Erstreckung der Lagerbuchse 10 hat den Vorteil, dass durch die Vergrößerung des inneren Lagerabstands zwischen Rotor und Lagerbuchsen die Rotorstabilität verbessert wird.
Wie in 3 dargestellt, ist die innere Lagerfläche 11 in zwei beabstandete Lagerflächenbereiche 13, 14 unterteilt, wobei die Lagerflächenbereiche 13, 14 durch einen radial nach außen zurückversetzten Freiraum 15 voneinander getrennt sind. Trotz der Aufteilung auf zwei Lagerflächenbereiche 13, 14 bleibt die innere Lagerflächengesamtbreite der Lagerbuchse unverändert. Unter der Definition ”radial nach außen” wird hierbei ein Versatz in Richtung des Pfeils R verstanden, der im rechten Winkel zur Längsachse L des Turboladers 1 steht (siehe 1).
In einer zweiten Ausführungsform ist die turbinenseitige Lagerbuchse 10 symmetrisch mit einer durchgehenden Außenumfangsfläche 12 ausgebildet, wie aus 8 ersichtlich.
Wie die Darstellung in 5 zeigt, ist bei einer weiteren Ausführungsform die turbinenseitige Lagerbuchse 10 mit einer durch einen Absatz 16 in zwei Außenumfangsflächenbereiche 17, 18 unterteilten Außenumfangsfläche 12 ausgebildet.
Bei den nachfolgenden, anhand der 10 bis 15 erläuterten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Abgasturboladers 1 sind die übereinstimmenden technischen Merkmale mit denselben Bezugsziffern wie in den vorangehenden Ausführungsformen bezeichnet, so dass bezüglich dieser Übereinstimmungen auf die vorangehende Beschreibung verwiesen werden kann.
10 zeigt eine Veränderung von Innen- und Außendurchmesser der Lagerbuchse 9 bzw. 10. Durch die Durchmesservergrößerungen auf der Verdichterseite (Lagerbuchse 9) wird der innere Schmierspalt größer und der äußere Spalt kleiner.
11 stellt die Lagerbuchse 9 bzw. 10 mit veränderter Form der inneren Lagerfläche 11 durch Einbringung einer achsparallelen Axialnut oder in Achsrichtung spiralförmig verlaufenden Nut dar.
12 zeigt die Einflussmöglichkeiten der Lagergehäusebohrung auf den Ölfilm. Zum Einen können die Durchmesser an den Lagerstellen 9' bzw. 10' von Verdichterseite und Turbinenseite verschieden gewählt werden und zum Anderen ist die Beeinflussung der äußeren Lagerstellenbreite möglich, wie in 13 dargestellt. In 14 ist die Veränderung der Lagerflächenform mittels Sichelnut 20 abgebildet. Dabei wird in einem Umfangssegment der Lagerstellenbohrung durch exzentrische Bearbeitung eine Nut zur besseren Verteilung des zugeführten Öls im Bereich der Ölzuführbohrung eingebracht.
15 zeigt unterschiedliche Geometrien der Rotorwelle 8 zur Beeinflussung des inneren Schmierspalts. Dabei kann die Welle 8 an den Lagerstellen 9', 10' einen geänderten Durchmesser haben, der entweder durch eine Stufe 21 oder durch einen konischen Übergang 22 entsteht.
Alle dargestellten Variationsmöglichkeiten können ohne Einschränkung kombiniert werden, so dass jeweils unterschiedliche Ausführungen auf der Verdichterseite und der Turbinenseite entstehen.
Ferner werden die Lagerbuchsen 9, 10 durch eine Abstandshalterung 19 entlang der Rotorwelle 8 axial beabstandet gehalten, wie in 1, 4 und 7 dargestellt.
Zur Ergänzung der voranstehenden schriftlichen Offenbarung der Erfindung wird explizit auf die zeichnerische Darstellung in den 1 bis 15 verwiesen.
Bezugszeichenliste

1: Abgasturbolader
2: Verdichter
3: Turbine
4: Lagergehäuse
5: turbinenseitiges Ende
6: Ölsammelraum
7: Lageranordnung/Gleitlageranordnung
8: Rotorwelle
9: verdichterseitige Lagerbuchse
9': verdichterseitige Lagerung/Lagerstelle
9'': verdichterseitige Aufnahmebohrung im Lagergehäuse
10: turbinenseitige Lagerbuchse
10': turbinenseitige Lagerung/Lagerstelle
10'': turbinenseitige Aufnahmebohrung im Lagergehäuse
11: innere Lagerfläche
12: Außenumfangsfläche
13, 14: beabstandete Lagerflächenbereiche
15: zurückgesetzter Freiraum
16: Absatz
17, 18: Außenumfangsflächenbereiche
19: Abstandshalteranordnung
20: Sichelnut
21: Stufe
22: konischer Übergang
R: Richtung des Versatzes des Freiraums 15
L: Längsachse

Claims

Abgasturbolader (1) – mit einem Verdichter (2); – mit einer Turbine (3); – mit einem Lagergehäuse (4), – das an einem Ende mit dem Verdichter (2) und am anderen turbinenseitigen Ende (5) mit der Turbine (3) verbunden ist, – das einen Ölsammelraum (6) am turbinenseitigen Ende (5) aufweist, und – das eine Gleitlageranordnung (7) für eine Rotorwelle (8) aufweist, • die eine verdichterseitige Lagerung (9') mit einer inneren Lagerfläche und einer Außenumfangsfläche umfasst, und • die eine axial zu der verdichterseitigen Lagerung (9') beabstandete turbinenseitige Lagerung (10') umfasst, die eine innere Lagerfläche (11) und eine Außenumfangsfläche (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, – dass die verdichterseitige Lagerung (9') und die turbinenseitige Lagerung (10') unterschiedlich aufgebaut sind.
Abgasturbolader (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser der Rotorwelle (8) im Bereich der verdichterseitigen Lagerung (9') und/oder der Außendurchmesser der Rotorwelle (8) im Bereich der turbinenseitigen Lagerung (10') größer ist als der Rotorwellendurchmesser zwischen den Lagerungen (9', 10').
Abgasturbolader (1) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchmesservergrößerung durch Vorsehen einer geringfügigen Schräge oder durch Vorsehen eines Wellenabsatzes erfolgt.
Abgasturbolader (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die verdichterseitige Lagerung (9') eine Lagerbuchse (9) aufweist, deren Außendurchmesser größer oder kleiner ist als der Außendurchmesser der turbinenseitigen Lagerbuchse (10).
Abgasturbolader (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser der verdichterseitigen Lagerbuchse (9) größer oder kleiner ist als der Innendurchmesser der turbinenseitigen Lagerbuchse (10).
Abgasturbolader (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren und/oder äußeren Lagerbreiten (12, 13, 14, 17) der Lagerbuchsen (9, 10) unterschiedlich sind.
Abgasturbolader (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren Lagerflächen (11) und/oder die äußeren Lagerflächen (17) der Lagerbuchsen (9, 10) unterschiedlich gestaltet, insbesondere verdichterseitig oder turbinenseitig mit Nuten versehen sind.
Abgasturbolader (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Aufnahmebohrungen (9'', 10'') für die Lagerbuchsen (9, 10) im Lagergehäuse (4), insbesondere hinsichtlich Bohrungsdurchmesser und/oder Bohrungsbreite unterschiedlich gestaltet sind.
Abgasturbolader (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Innenflächen der Aufnahmebohrungen des Lagergehäuses (4) unterschiedlich ausgebildet sind, insbesondere mit an Umfangssegmenten angeordneter Sichelnut (20) versehen sind.
Abgasturbolader (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich die turbinenseitige Lagerbuchse (10) bis in den Bereich des Ölsammelraums (6) erstreckt.
Abgasturbolader (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Lagerfläche (11) in zwei beabstandete Lagerflächenbereiche (13, 14) unterteilt ist.
Abgasturbolader (1) gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerflächenbereiche (13, 14) durch einen radial nach außen zurückgesetzten Freiraum (15) voneinander getrennt sind.
Abgasturbolader (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die turbinenseitige Lagerbuchse (10) symmetrisch mit einer durchgehenden Außenumfangsfläche (12) ausgebildet ist.
Abgasturbolader (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die turbinenseitige Lagerbuchse (10) asymmetrisch mit einer durch einen Absatz (16) in zwei Außenumfangsflächenbereiche (17, 18) unterteilten Außenumfangsfläche (12) ausgebildet ist.
Abgasturbolader (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerbuchsen (9, 10) durch eine Abstandshalteranordnung (19) axial beabstandet entlang der Rotorwelle (8) gehalten sind.
Abgasturbolader (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerbuchsen (9, 10) mit einer Abstandshalteranordnung (19) axial beabstandet zu einem Bauteil zusammengefasst sind.