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GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung richtet sich auf einen Turbolader-Wälzkörperlagereinsatz (REB-Einsatz), der aus leicht hergestellten Teilen besteht. Der REB-Einsatz ist dazu ausgelegt, einen Drehschutz der äußeren Hülse oder des äußeren Laufrings des REB-Einsatzes relativ zum Lagergehäuse zu schaffen und dennoch dem REB-Einsatz ausreichend Bewegungsfreiheit zu ermöglichen, so dass natürliche Schwingungen der Drehanordnung auf dem Umfang durch einen Einkapselungsölfilm oder eine Ölströmung unter Druck gedämpft werden können. Der REB-Einsatz ist auch dazu ausgelegt, eine axiale Einschränkung zu schaffen und dennoch ausreichend Freiheit zu ermöglichen, um eine gedämpfte Übertragung von axialen Schublasten auf das Lagergehäuse in beiden axialen Richtungen zu ermöglichen. Die Teile des REB-Einsatzes sind so ausgelegt, dass sie eine leichte und korrekte Montage sicherstellen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Turbolader liefern Luft mit größerer Dichte, als es in der nicht aufgeladenen Konfiguration möglich wäre, zum Motoreinlass, was ermöglicht, dass mehr Kraftstoff verbrannt wird, wobei somit die Leistung des Motors ohne signifikante Erhöhung des Motorgewichts verstärkt wird. Ein kleinerer Motor mit Turbolader kann einen nicht aufgeladenen Motor mit einer größeren physikalischen Größe ersetzen, wobei somit die Masse und aerodynamische Frontfläche des Fahrzeugs verringert werden.
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Turbolader sind ein Typ von Aufladesystem, das die Abgasströmung, die in das Turbinengehäuse vom Motorauslasskrümmer eintritt, verwendet, um ein Turbinenrad (51) anzutreiben. Das Turbinenrad ist im Turbinengehäuse angeordnet und fest an einer Welle befestigt, so dass dies zur Wellen- und Radanordnung wird. Ein Kompressorrad (20) ist am Ende des Wellenstumpfs (56) der Welle und des Rades angebracht und wird durch die Klemmlast von einer Kompressormutter (29) in Position gehalten. Die Hauptfunktion des Turbinenrades ist das Gewinnen von Drehleistung aus dem Abgas, um den Kompressor anzutreiben.
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Die Kompressorstufe besteht aus einem Rad (20) und seinem Gehäuse. Gefilterte Luft wird durch die Drehung des Kompressorrades axial in den Einlass der Kompressorabdeckung gesaugt. Die durch die Turbinenstufe in die Welle und das Rad eingegebene Leistung treibt das Kompressorrad an, um eine Kombination von statischem Druck mit gewisser restlicher kinetischer Energie und Wärme zu erzeugen. Das Druckgas verlässt die Kompressorabdeckung durch den Kompressorauslass und wird gewöhnlich über einen Nachkühler zum Motoreinlas zugeführt.
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In einem Aspekt der Kompressorstufenleistung wird die Effizienz der Kompressorstufe durch die Zwischenräume zwischen der Kompressorradkontur (28) und der entsprechenden Kontur in der Kompressorabdeckung beeinflusst. Je näher die Kompressorradkontur an der Kompressorabdeckungskontur liegt, desto höher ist die Effizienz der Stufe. Je näher das Rad an der Abdeckung liegt, desto höher ist die Chance, dass das Kompressorrad reibt; somit muss ein Kompromiss zwischen der Verbesserung der Effizienz und der Verbesserung der Haltbarkeit bestehen.
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Für das bloße Auge scheint sich die Nase des Kompressorrades in einem typischen Turbolader um die geometrische Längsachse des Lagergehäuses zu drehen; als Spur an einem X,Y-Oszilloskop betrachtet beschreibt jedoch die Nase des Kompressorrades Kreisbahnen mit verschiedenen Formen. Das mittlere Zentroid der Kreisbahnen liegt nahe der geometrischen Längsachse des Turboladers, ist jedoch nicht exakt darauf zentriert. Die geometrische Achse (100) des Turboladers ist in 1 gezeigt.
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Sowohl die radialen als auch axialen dynamischen Abweichungen, die von der Welle und den Rädern durchgeführt werden, werden einer Anzahl von Faktoren zugeschrieben, einschließlich: der Unwucht der Drehanordnung; der Anregung des Gestells (d. h. des Motors und des Auslasskrümmers); Nettodruckschwankungen in einer oder beiden der Kompressor- und der Turbinenstufe; und der Anregung mit niedriger Geschwindigkeit von der Fahrt des Fahrzeugs über unregelmäßigen Boden.
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Der Summeneffekt dieser Abweichungen, die von der Welle und den Rädern durchgeführt werden, besteht darin, dass der typische Turbolader mit Zwischenräumen konstruiert werden muss, die weitaus größer als jene sind, die für aerodynamische Effizienzniveaus erwünscht sind.
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Der typische Turbolader wird mit Öl vom Motor gespeist. Dieses Öl mit einem Druck typischerweise gleich jenem des Motors führt mehrere Funktionen durch. Das Öl wird zu beiden Seiten der Radiallager zugeführt, um einen doppelten hydrodynamischen Pressfilm zu schaffen, dessen Drücke Reaktionskräfte der Welle auf den ID des Lagers und des AD des Lagers auf die Lagergehäusebohrung ausüben. Die Ölfilme schaffen eine Dämpfung der Reaktionskräfte, um die Amplitude der Abweichungen der Welle zu verringern. Das Öl fungiert auch zum Entfernen von Wärme vom Turbolader.
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Eine typische Turboladerkonstruktion weist zwei beabstandete Lagersysteme auf: eines am Kompressorende des Lagergehäuses und eines am Turbinenende des Lagergehäuses. Jedes System weist zwei Schnittstellen auf: die Schnittstelle der Drehwelle mit dem ID des Gleitlagers und die Schnittstelle des AD des Gleitlagers mit der festen Bohrung des Lagergehäuses.
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Die Steifigkeit und Dämpfungskapazitäten der typischen Turboladerlager mit doppeltem hydrodynamischem Pressfilm sind ein Kompromiss zwischen: der Dicke des Ölfilms, die durch die Drehzahl der Lagerelemente erzeugt wird, und dem Zwischenraum zwischen den Elementen. 1 stellt einen typischen Turbolader mit einer Lagerkonfiguration mit doppeltem hydrodynamischem Pressfilm dar. In dieser Konfiguration wird Drucköl am Lagergehäuse (3) durch einen Öleinlass (80) vom Motor empfangen. Das Öl wird mit Druck durch die Ölkanäle (78 und 79) zur Lagergehäuse-Radiallagerbohrung zugeführt. Für sowohl die Turbinenend- als auch Kompressorendlager (30) wird die Ölströmung zu den Wellen- und Radradiallagerzonen zugeführt, wo das Öl um die Welle verteilt wird, um einen Ölfilm zwischen der Wellenoberfläche (52) und der inneren Bohrung der Gleitradiallager (30) zu erzeugen. An der Außenseite der Radiallager (30) wird ein gleicher Ölfilm durch die Drehung des Radiallagers gegen die Lagergehäuse-Radiallagerbohrung erzeugt. Sobald es durch die Radial- und Axiallager hindurch ist, verlässt das Öl das Lagergehäuse über den Ölablass (85) an der Basis des Lagergehäuses und wird zum Kurbelgehäuse des Motors zurückgeführt.
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In dem in 1 dargestellten typischen Turbolader ist das Axiallager (19) auch ein Typ von Lager mit hydrodynamischem oder Fluidfilm. In dieser Konfiguration wird zu dem stationären Axiallager Öl vom Ölkanal (81) zugeführt, um eine Rampen- und Blockkonstruktion des Lagers zu versorgen. Das Öl wird durch die relative Bewegung der Druckbeilagscheibe (40) und der gegenüberliegenden Fläche des Spritzers (44), der an der Welle angebracht ist, gegen die statische Druckrampe und den Block in eine Keilform getrieben. Dieses Lager steuert die axiale Position der Drehanordnung.
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Ein Verfahren zum Erhöhen der Effizienz des Turboladers ist das Übernehmen von Wälzkörperlagern (REBs), um die Drehanordnung abzustützen. Wälzkörperlager können in zwei allgemeine Typen unterteilt werden. Der erste Typ verwendet ein Paar von typischen REB-Anordnungen. Jede REB-Anordnung besteht in diesem Fall aus einem äußeren Laufring, den Kugeln oder Wälzkörpern, einem inneren Laufring, einem Gehäuse und Dichtungen. Dieses Paar von REB-Anordnungen kann in eine Hülse gepresst oder geschrumpft werden, d. h. ein äußeres zylindrisches Gehäuse mit Ölkanälen und Orten für die REB-Anordnungen, um einen REB-Einsatz herzustellen. Beim zweiten Typ ist die Hülse weggelassen. Ein einzelner äußerer Laufring wird verwendet, wobei zwei Bahnen darin definiert sind. Das Metall (oder die Keramik), das den einzelnen äußeren Laufring umgibt, definiert den Außendurchmesser des REB-Einsatzes. Im äußeren Laufring sind mindestens zwei innere Laufring(e) aufgenommen, die mit der Welle des Turboladers in Kontakt stehen. Wenn nicht anders angegeben, soll sich der Begriff ”Laufring” auf das Metallelement (oder Keramikelement) mit einer oder mehreren Bahnen beziehen, die mit den Wälzkörpern in Kontakt stehen, und der hier verwendete Begriff ”REB” umfasst beide Typen von REB-Einsatz.
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Wie in 2 zu sehen, weisen REBs typischerweise einen inneren Laufring (65) oder innere Laufringe auf, die an der Wellen- und Radzapfenoberfläche (52) angebracht sind. Am inneren Laufring oder an den inneren Laufringen (65, 65C und 65T) ist ein Satz von Wälzkörpern montiert, die in Bahnen rollen, die sowohl im inneren Laufring als auch im äußeren Laufring (64) ausgebildet sind (6). Der äußere Laufring ist innerhalb der Bohrung (71) im Lagergehäuse (3) angebracht. Da Wälzkörperlager nicht so viel Öl benötigen wie typische Turbolader-Radiallager, ist ein Öldurchflussbegrenzer/Pfosten (86) in den Öleinlass (80) eingesetzt, um die Strömung zu den REBs zu drosseln.
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Es gibt mehrere Verbesserungen, die mit der Übernahme von Wälzkörperlager-Turboladern einhergehen. Es besteht eine Verbesserung des vorübergehenden Ansprechens aufgrund der Verringerung der Leistungsverluste, insbesondere bei niedrigerer Turboladerdrehzahl, des REB-Systems gegenüber dem typischen Turboladerlagersystem. Die Leistungsverluste in REB-Systemen sind geringer als jene für typische Turboladerlagersysteme vom hydrodynamischen Hülsentyp. REB-Systeme können viel größere Axiallasten abstützen als typische Turboladerlagersysteme, was die Schubkomponente robuster macht.
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Obwohl REB-Systeme diese Effizienz- und Übergangsleistungssteigerungen schaffen, ist die Dämpfungskapazität von REBs nicht so gut wie jene der typischen Turboladerlager mit doppeltem hydrodynamischem Pressfilm. Für eine leichte Montage werden die Lager in einem REB-Einsatz oder einem äußeren REB-Laufring gehalten, der innerhalb des Lagergehäuses durch einen Ölfilm zwischen dem AD des Einsatzes (172) und dem ID der Lagergehäusebohrung (71) aufgehängt ist. Das Öl wird zum Dämpfen der kritischen Wellenereignisse und zum Schmieren der Lager verwendet. Mit dieser Konstruktion ist es entscheidend, dass der Lagereinsatz nicht in einem Metall-Metall-Kontakt mit der Lagergehäusebohrung steht, da die Dämpfungsfunktion verloren geht.
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US 5 145 334 (Gutknecht) und
US 7 214 037 (Mavrosakis) lehren Verfahren für den Rückhalt eines Gleitlagereinsatzes in einem Lagergehäuse. Ein Pfosten, der im Lagergehäuse befestigt ist (z. B. Durchflussbegrenzer (
86) in
2) schränkt den Lagereinsatz ein, so dass der Pfosten gegen die axialen und Drehkräfte reagiert, während eine ansonsten uneingeschränkte Bewegung (Gleiten) des Lagereinsatzes im Lagergehäuse ermöglicht wird. In
US 7 214 037 , wie in
4 gezeigt, unterstützt ein Stift (
460), der durch eine Öffnung (
444) des Gehäuses (
440) aufgenommen ist, wahlweise die Anordnung des Einsatzes azimutal in Bezug auf das Gehäuse (
440). Ein Stift (
72), der zu jenem von
US 5 145 334 ähnlich ist, ist in
3 der vorliegenden Anmeldung gezeigt, der in einer Bohrung (
68) im Einsatz und einer Bohrung (
70) im äußeren Laufring angeordnet ist, um sowohl eine axiale als auch Dreheinschränkung relativ zum Lagergehäuse zu schaffen. Beide von diesen Verfahren erfordern eine maschinelle Bearbeitung von Durchgangsöffnungen im Lagergehäuse und ferner erfordern sie eine komplizierte Montage in einem Bereich, der für den Monteur nicht gut sichtbar ist, was sowohl eine korrekte Montage als auch eine Überprüfung der Montage der Stifte schwierig macht.
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US 7 214 037 lehrt die Verwendung einer Senkbohrung (
442,
4) und einer Platte (
450), um die axialen Lasten zu steuern, die auf den äußeren Laufring des Lagereinsatzes ausgeübt werden. Die maschinelle Bearbeitung dieser Senkbohrung erfordert eine genaue Anordnung des Schneidwerkzeugs, das die Richtung vom Schneiden einer diametralen Oberfläche zu einer Widerlageroberfläche tief innerhalb des Lagergehäuses ändern muss, ohne einen zu großen inbegriffenen Eckenradius zu hinterlassen, was nicht ermöglichen könnte, dass der Lagereinsatz am Widerlager sitzt. Die Ausführung dieses Prozesses fügt Kosten und Komplexität zur maschinellen Bearbeitung des Lagergehäuses hinzu.
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Obwohl Probleme bestehen, die mit den herkömmlichen Verfahren für die Einschränkung der Hülse oder des äußeren Laufrings eines Kugellagereinsatz-REB gegen eine Drehung relativ zum Lagergehäuse, in dem es angebracht ist, verbunden sind, würde das Weglassen einer axialen und Dreheinschränkung ermöglichen, dass die Kompressor- und Turbinenräder der Drehanordnung mit den Gehäusen in Kontakt kommen, und würde ermöglichen, dass die Einsatzhülse oder der äußere Laufring sich frei im Lagergehäuse dreht, von denen jedes die Lebensdauer des Turboladers verkürzen würde. Die Erfinder sahen den Bedarf an Mitteln zum Einschränken eines Einsatzes, die sowohl die Bedürfnisse an (a) einer Dreheinschränkung der REB-Einsatzhülse oder des äußeren REB-Laufrings relativ zum Lagergehäuse, ohne sich auf die radiale Dämpfungsfunktion des REB auszuwirken, und (b) einer gedämpften Einschränkung des REB-Einsatzes sowohl in der radialen als auch axialen Richtung erfüllen würden.
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Somit ist zu sehen, dass der aktuelle Zustand der axialen und Dreheinschränkung des REB-Einsatzes sowohl kostspielig als auch komplex ist. Eine kosten- und technisch effizientere Lösung ist erforderlich. Eine verbesserte Konfiguration sollte den Bedarf daran, dass die Teile für eine visuelle Untersuchung durch das Montagepersonal leicht zu sehen sind, erfüllen, um sicherzustellen, dass die Vorrichtungen tatsächlich in der vollendeten Turboladeranordnung installiert wurden.
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Es existiert ein Bedarf daran, die obigen Probleme der Montage des REB-Einsatzes oder des äußeren REB-Laufrings in einer Weise zu lösen, die eine radiale und axiale Dämpfung durch einen Einkapselungsölfilm (der statisch oder dynamisch sein kann) ermöglichen würde, während gleichzeitig ermöglicht wird, dass der REB-Einsatz axial eingeschränkt wird, um die axialen Lasten auf das Lagergehäuse zu übertragen, und rotatorisch eingeschränkt wird, so dass die REB-Hülse oder der äußere REB-Laufring sich nicht relativ zum Lagergehäuse dreht. Folglich besteht ein Bedarf an einem kosteneffizienten, einfach zu montierenden Drehschutzmerkmal und axialen Dämpfungsmerkmal unter Verwendung eines Dämpfungsölfilms um die REB-Hülse oder den äußeren REB-Laufring, um das axiale Einschränkungsmerkmal, das dennoch verhindert, dass sich der äußere REB-Laufring oder die REB-Hülse relativ zum Lagergehäuse dreht.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die Erfinder lösten die Probleme durch Entwickeln eines Turboladers mit einem Wälzkörperlagereinsatz (REB-Einsatz), der in einer Lagerbohrung im Lagergehäuse abgestützt ist, wobei der REB-Einsatz mindestens einen inneren Laufring, mindestens einen äußeren Laufring und eine Reihe von Wälzkörpern, wobei jeder Wälzkörper mit einer Bahn in einem inneren Laufring und einer Bahn in einem äußeren Laufring in Kontakt steht, und wahlweise eine äußere Hülse in Reibungskontakt mit dem mindestens einen äußeren Laufring umfasst. Ein Drehschutzring und ein Dämpfungsring sind vorgesehen. Der Drehschutzring umfasst mindestens ein Drehschutzmerkmal zum Eingriff mit dem Lagergehäuse und mindestens ein Drehschutzmerkmal zum Eingriff mit dem REB-Einsatz, was eine Drehung der REB-Einsatzhülse oder des äußeren REB-Laufrings verhindert. Der Dämpfungsring ordnet den REB-Einsatz axial an, dämpft eine axiale Bewegung und federt einen axialen Schub ab.
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Das axiale und radiale Einschränkungssystem schafft sowohl eine radiale als auch axiale Dämpfung. Das System schafft auch ein einfaches, hinsichtlich der Montage kinderleichtes, kostengünstiges, leicht maschinell zu bearbeitendes gedämpftes Drehschutzmerkmal, das ermöglicht, dass ein Dämpfungsölfilm um den REB-Einsatz oder den äußeren REB-Laufring strömt, falls erforderlich, und dennoch verhindert, dass sich der äußere Laufring oder die Hülse eines Lagereinsatzes einer Wälzkörperlageranordnung relativ zum Lagergehäuse dreht.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die vorliegende Erfindung wird als Beispiel und nicht zur Begrenzung in den begleitenden Zeichnungen dargestellt, in denen gleiche Bezugszeichen ähnliche Teile angeben und in denen:
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1 eine Schnittansicht einer Turboladeranordnung darstellt;
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2 einen Schnitt einer typischen Kugellager-Turboladerlagergehäuse-Anordnung darstellt;
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3 ein Wälzlager des Standes der Technik darstellt;
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4 ein weiteres Wälzlager des Standes der Technik darstellt;
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5A, B Ansichten des Drehschutzrings darstellen;
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6A, B Ansichten des Dämpfungsrings darstellen;
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7A, B Schnittansichten des an einem Lagergehäuse montierten Drehschutzrings darstellen;
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8A, B weitere vergrößerte Ansichten von 7A, 7B darstellen; 9A, B Schnittansichten des an einem Lagergehäuse montierten Dämpfungsrings darstellen; und
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10A, 10B weitere vergrößerte Ansichten von 9A, 9B darstellen.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Um sowohl axiale als auch Dreheinschränkungsprobleme in Turboladern mit Wälzkörperlagern (REBs) zu lösen, wird eine REB-Hülse oder ein äußerer REB-Laufring am Lagergehäuse in einer Weise angebracht, die nicht axial oder radial starr ist, was folglich Öldämpfungsfilme sowohl radial als auch axial ermöglicht. Gleichzeitig wird die REB-Hülse oder der äußere REB-Laufring so gehalten, dass die REB-Hülse oder der äußere REB-Laufring sich nicht relativ zum Lagergehäuse dreht. Dieser doppelte Zweck wird unter Verwendung eines Drehschutzrings und eines Dämpfungsrings erreicht, wobei der Drehschutzring mindestens ein Drehschutzmerkmal zum Eingriff mit dem Lagergehäuse und mindestens ein Drehschutzmerkmal zum Eingriff mit dem REB-Einsatz umfasst, was eine Drehung der REB-Einsatzhülse oder des äußeren REB-Laufrings verhindert, und wobei der Dämpfungsring den REB-Einsatz axial anordnet und die axiale Bewegung dämpft und den axialen Schub sowie Schublasten und Umkehrungen abfedert.
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Für die Dreheinschränkung entwarfen die Erfinder eine Schnittstelle zwischen der REB-Einsatzhülse oder dem äußeren REB-Laufring und dem Lagergehäuse, die eine leichte maschinelle Bearbeitung der Bohrung im Lagergehäuse und eine leichte Montage der Teile ermöglichte und dennoch ein Drehschutzmerkmal schaffte, das immer noch eine axiale und radiale Dämpfung ermöglichte.
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Gemäß der Erfindung ist das axiale Turbinenendwiderlager (73), das in 2 gezeigt ist, das ein Merkmal einer herkömmlichen Einschränkung war, nicht mehr erforderlich, was ermöglicht, dass die Lagergehäusebohrung (71) mit einem konstanten Durchmesser maschinell bearbeitet wird, wo sie in den Ölspritzerhohlraum (170) mündet. Obwohl dies nur eine geringfügige Modifikation zu sein scheint, stellt dies tatsächlich eine beträchtliche Verbesserung der Herstellbarkeit dar. Die Beseitigung des axialen Turbinenendwiderlagers (73) ermöglicht, dass die Lagergehäusebohrung gehont wird, um die Oberflächengüte zu verbessern, und ermöglicht genauere Abmessungen, wohingegen, wenn ein Widerlager vorhanden ist, der Prozess des Honens einer zylindrischen Oberfläche in einem Blindloch ziemlich schwierig ist.
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Der Drehschutzteil des zweiteiligen Einschränkungssystems, wie in 5A, 7A, 7B, 8A und 8B gezeigt, weist eine innere Umfangsoberfläche und eine äußere Umfangsoberfläche auf. Der Drehschutzring (121) weist einen oder mehrere nicht runde, z. B. flache Abschnitte (124) oder Formen zum allgemeinen Schaffen einer Dreheinschränkung zwischen dem REB-Einsatz und dem Drehschutzring auf, die in der ansonsten im Allgemeinen runden oder kreisförmigen inneren Oberfläche des Drehschutzrings (121) hergestellt sind, so dass, wenn er am REB-Einsatz oder am äußeren REB-Laufring (64) montiert ist, die flachen Abschnitte (124) im Drehschutzring (121) in die entsprechenden flachen Abschnitte (126) passen, die im REB-Einsatz oder im äußeren REB-Laufring (64) hergestellt sind. Die nicht runden Abschnitte sind natürlich nicht auf die dargestellte flache Form begrenzt. Der Begriff ”nicht rund” bezieht sich auf irgendeinen Teil des Umfangs, der kein Teil eines einzigen Kreises ist. Ein Bogen mit demselben Zentrum, aber einem anderen Radius wäre ”nicht rund”. Ein Bogen mit demselben Radius, aber einem anderen Zentrum wäre ”nicht rund”, wie der Begriff hier verwendet wird. Alternativ könnten die Drehschutzmerkmale rund, aber einfach exzentrisch sein.
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Die im Allgemeinen zylindrische äußere Oberfläche des vorstehend erörterten Drehschutzrings (121) passt in eine entsprechende Senkbohrung im Kompressorende des Lagergehäuses. In einer Form der ersten Ausführungsform der Erfindung wird der Drehung des Drehschutzrings (121) relativ zum Lagergehäuse (3) durch einen Stift, der in einer Bohrung (119) im Drehschutzring angeordnet ist, und eine entsprechende Bohrung im Lagergehäuse (3) Widerstand geleistet. Die Dreheinschränkung aufgrund des Stifts schafft eine eindeutige Ausrichtung, so dass der Ölablass im REB-Einsatz mit einer Ölablassbohrung (85) im Lagergehäuse in Verbindung steht. Diese Drehblockieranordnung des Drehschutzrings am Lagergehäuse und Drehblockieranordnung der REB-Einsatzhülse oder des äußeren REB-Laufrings am Drehschutzring schränkt folglich die Drehung der REB-Einsatzhülse oder des äußeren REB-Laufrings relativ zum Lagergehäuse ein.
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In einer ersten Variation an diesem Teil der Erfindung sind die Details der Drehblockiermerkmale zwischen der REB-Einsatzhülse oder dem äußeren REB-Laufring (64) und dem Drehschutzring (121) wie im ersten Teil der Erfindung. Wie in 5B dargestellt, ist in einer Variation an diesem Teil der Erfindung eine auf dem Umfang im Allgemeinen zylindrische äußere Oberfläche des Drehschutzrings (121) durch drei flache Oberflächen (123) unterbrochen. Der Begriff ”im Allgemeinen zylindrische äußere Oberfläche”, wie hier mit Bezug auf den REB-Einsatz oder den Drehschutzring verwendet, bedeutet, dass die Oberfläche um den äußeren Umfang keinen einzelnen Kreis bildet und teilweise oder ganz nicht zylindrisch, z. B. oktogonal, sein könnte. Es könnte eine beliebige Anzahl, die größer ist als eine flache Oberfläche, vorhanden sein und die nicht runde Oberfläche könnte frei ausgewählt werden und muss nicht flach sein und verriegelt vorzugsweise mit derselben Anzahl von entsprechend geformten Oberflächen in der REB-Einsatzhülse oder im äußeren REB-Laufring, so dass, wenn er am Lagergehäuse (3) montiert ist, die flachen Abschnitte (123) im Drehschutzring (121) in entsprechende flache Abschnitte passen, die im Lagergehäuse (3) hergestellt sind, um sowohl die Dreheinschränkung als auch eine eindeutige Winkelausrichtung vorzusehen, so dass der Ölablass im REB-Einsatz mit einer Ölablassbohrung (85) im Lagergehäuse in Verbindung steht.
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In einer zweiten Variation an diesem Teil der Erfindung sind die Drehblockierdetails des Drehschutzrings an der REB-Einsatzhülse oder am äußeren REB-Laufring dieselben, aber anstatt dass die Dreheinschränkung ein Stift oder eine Reihe von zusammenpassenden Abflachungen zwischen dem Drehschutzring und dem Lagergehäuse ist, sind die Drehschutzelemente zwischen dem Drehschutzring und der REB-Einsatzhülse oder dem äußeren REB-Laufring am Lagergehäuseverschluss (6) hergestellt. Da der Lagergehäuseverschluss eine eindeutige Orientierung zum Lagergehäuse aufweist, wird dann die eindeutige Orientierung der REB-Einsatzhülse oder des äußeren REB-Laufrings zum Lagergehäuse aufrechterhalten.
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Um die gewünschte aerodynamische Leistung des Turboladers zu erreichen, muss die Aerodynamik sowohl des Turbinen- als auch des Kompressorrades auf die entsprechenden aerodynamischen Merkmale in ihren jeweiligen Gehäusen ausrichten.
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Die axiale Ausrichtung der kritischen aerodynamischen Merkmale beider Räder relativ zu beiden Gehäusen wird typischerweise gesteuert durch: die Position des inneren REB-Laufrings (65) relativ zum Ringnabenabsatz (58); die axiale Position der REB-Einsatzhülse oder des äußeren REB-Laufrings relativ zum Lagergehäuse, die durch die Position der Dämpfungsringflächen (105, 106) und ihre Positionen relativ zu den Passoberflächen (96, 97) am Lagergehäuse und Drehschutzring festgelegt ist (wobei der letztere Satz von Einschränkungen durch den zwischen ihnen enthaltenen Ölfilm sowohl gedämpft als auch eingeschränkt wird).
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Für den Zweck dieser Erläuterung wird die axiale Position des inneren REB-Laufrings relativ zum äußeren REB-Laufring als fest angenommen, da die inneren Toleranzen der REB-Anordnung sehr eng sind. Die Steuerung der relativen Position des Turbinengehäuses zum Lagergehäuse und der Kompressorabdeckung zum Lagergehäuse sollen für den Zweck dieser Erörterung auch als fest betrachtet werden.
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Im axialen Dämpfungsteil der Erfindung ist eine Dämpfungsringkomponente der Erfindung ein Ring (91), der an der REB-Einsatzhülse oder am äußeren REB-Laufring angebracht ist und durch einen Haltering (98) axial eingeschränkt ist, so dass in der axialen Richtung der Dämpfungsring sich einteilig mit dem REB-Einsatz bewegt. Wenn er am Turbolader montiert ist, liegen die Flächen des Dämpfungsrings in unmittelbarer Nähe zu ihren Passflächen im Lagergehäuse, wenn auch durch einen hydraulischen Film getrennt, näher am Lagergehäuse oder Drehschutzring. Wie dargestellt, kann der Dämpfungsring wie eine Beilagscheibe flach sein, aber in alternativen Ausführungsformen der Erfindung können die axialen Schubflächen des Dämpfungsrings konisch oder kugelförmig oder irgendeine andere Form sein, um die Dämpfungseigenschaften zu modifizieren.
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In einer bevorzugten Art des Dämpfungsteils der Erfindung, wie in 6A, 6B, 9A, 9B, 10A und 10B dargestellt, ist die innere im Allgemeinen zylindrische Oberfläche (101) des Dämpfungsrings (91) radial an einer äußeren im Allgemeinen zylindrischen Oberfläche (102) der REB-Einsatzhülse oder des äußeren REB-Laufrings (64) angeordnet. Der Dämpfungsring ist axial eingeschränkt einerseits durch einen Haltering (98), vorzugsweise einen abgeschrägten äußeren (d. h. Kompressorseite) Haltering, der in einer Nut angeordnet ist, die in der im Allgemeinen zylindrischen äußeren Oberfläche (102) der REB-Einsatzhülse oder des äußeren REB-Laufrings (64) hergestellt ist, und andererseits ein Widerlager. Der Dämpfungsring könnte auch axial durch zwei Halteringe eingeschränkt sein. Der Dämpfungsring ist in dieser Ausführungsform einfach ein Ring mit gewöhnlich flachen, axialen oder ”Wangen”-Flächen auf der Kompressorseite (105) und der Turbinenseite (106), die derart zusammengefügt sind, dass sie zur Turboladermittellinie senkrecht sind. Wenn er montiert ist, ist die Seite, die dem Turbinenende (106) des Dämpfungsring zugewandt ist, in unmittelbarer Nähe zu einer Seite, die dem Kompressorende (97) im Lagergehäuse zugewandt ist. Die Kompressorseitenfläche (105) des Dämpfungsrings liegt in unmittelbarer Nähe zu einer Turbinenseitenfläche (96) im Drehschutzring. Die zwei Paare von Flächen sind durch einen Ölfilm getrennt, der als Dämpfungsmedium dient. Mit einem axialen Schub vom REB-Einsatz in der Richtung der Turbine übt die Turbinenseitenwangenfläche (106) des Dämpfungsrings eine Kraft auf den Ölfilm an der Kompressorseitenfläche (97) des Lagergehäuses aus. Der Durch die vorstehend erwähnte Kraft in der Richtung des Turbinenrades erzeugte Druck wird durch den Ölfilm gedämpft, während der REB-Einsatz in der Position durch den lokalen Öldruck eingeschränkt wird.
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Mit einem axialen Schub von der REB-Einsatzhülse oder vom äußeren REB-Laufring in der Richtung des Kompressors übt ebenso die Kompressorseitenwangenfläche (105) des Dämpfungsrings eine Kraft auf den Ölfilm an der Turbinenseitenfläche (96) des Drehschutzrings (121) aus. Der durch diese Kraft ausgeübte Druck drückt auf die Turbinenseitenfläche (106) des Drehschutzrings (121). Der durch die vorstehend erwähnte Kraft in der Richtung des Kompressorrades erzeugte Druck wird durch den Ölfilm gedämpft, während der REB-Einsatz in der Position durch den lokalen Öldruck eingeschränkt wird.
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Der Grad der Dämpfung, der erforderlich ist, kann durch mehrere Verfahren eingestellt werden. Die relative Oberfläche der Paare (Turbinenseite oder Kompressorseite) der Dämpfungsflächen kann durch Herstellen eines Rings mit kleinerem oder größerem Durchmesser oder durch Herstellen von Löchern oder Einkerbungen in den Flächen (105, 106) des Dämpfungsrings eingestellt werden. Der Grad der Dämpfung kann auch durch Ändern der Form der Schuboberflächen in planare Oberflächen eingestellt werden, wie vorstehend erörtert.
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Der Hohlraum für den Dämpfungsring ist durch das Volumen definiert, das durch den REB-Einsatz (64); die äußere, im Allgemeinen zylindrische Senkbohrung (94) im Lagergehäuse; und die zwei axialen Einschränkungsflächen (96, 97), die durch die äußere im Allgemeinen zylindrische Oberfläche (103) des Dämpfungsrings, im Drehschutzring und Lagergehäuse miteinander verbunden sind, eingeschlossen ist. Öl wird dem Dämpfungsringhohlraum über einen Ölzufuhrkanal (82) in eine Senkbohrung (83) und von dort zum aktiven Dämpfungsringhohlraum zugeführt.
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In einer Variation am Dämpfungsteil der Erfindung bleiben die Konfiguration des Dämpfungsring und die Beziehung zwischen den Wangenflächen (105, 106) und ihren entsprechenden Reaktionskräften (96, 97) gleich, aber die Schnittstelle zwischen dem Dämpfungsring und dem Hohlraum, in der er sich befindet, ist am Turbinenende der REB-Einsatzhülse oder des äußeren REB-Laufrings angeordnet. Ebenso könnte die Schnittstelle zwischen dem Dämpfungsring und dem Hohlraum, in dem er sich befindet, in irgendeiner axialen Position entlang der REB-Einsatzhülse oder des äußeren REB-Laufrings angeordnet sein.
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Um den REB-Einsatz, den Dämpfungsring und den Drehschutzring zusammenzufügen, wie vorstehend erörtert: wird der Dämpfungsring (91) an der REB-Einsatzhülse oder am äußeren REB-Laufring mit einem Sicherungsring oder Haltering (98) montiert; ein Wärmeabstandhalter (90) wird am Turbinenende des inneren Laufrings angeordnet; und die Anordnung wird in die Bohrung im Lagergehäuse geschoben. Die Welle und das Rad werden durch den Wärmeabstandhalter; durch den (die) inneren Laufring(e) gegen ein Werkzeug, das gegen das Kompressorende des inneren Laufrings gepresst wird, geführt. Sobald der Wärmeabstandhalter und die inneren Laufringe gegen den Kolbenringnabenabsatz (58) der Welle und des Rades gepresst werden, wird der Drehschutzring sowohl an dem (den) Drehschutzmerkmal(en) an der REB-Einsatzhülse oder am äußeren REB-Laufring als auch am Lagergehäuse montiert. Der Rest des Turboladers wird wie normal montiert.
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In einer ersten Ausführungsform der Erfindung wirkt die Konstruktion der Drehschutzanordnung oder ihrer Variationen mit der Konstruktion der Dämpfungsanordnung oder ihrer Variationen zusammen, um eine Dreheinschränkung zu schaffen, während ein axiales und radiales Dämpfungssystem für den REB-Einsatz am Lagergehäuse abgestützt wird.
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In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird die Konstruktion der Drehschutzanordnung oder ihrer Variationen verwendet, um eine Dreheinschränkung zwischen der REB-Einsatzhülse oder dem äußeren REB-Laufring und dem Lagergehäuse zu schaffen.
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In einer dritten Ausführungsform der Erfindung wird die Konstruktion der Drehschutzanordnung oder ihrer Variationen verwendet, um eine axiale Dämpfung zwischen der REB-Einsatzhülse oder dem äußeren REB-Laufring und dem Lagergehäuse zu verleihen.
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In derselben Weise, in der die Aufgaben der Erfindung unter Verwendung eines nicht runden Drehschutzsitzes erfüllt wurden, können die Aufgaben auch unter Verwendung eines kreisförmigen oder halbkreisförmigen, aber nicht konzentrischen (nicht koaxialen) Drehschutzsitzes erreicht werden. Eine kreisförmige Form (Aussparung oder Vorsprung) ist leicht herzustellen. Die Nicht-Konzentrizität (Versatz von der Drehachse des inneren Laufrings) stellt eine korrekte Orientierung der REB-Hülse oder des äußeren REB-Laufrings relativ zum Lagergehäuse sowie einen Drehschutz sicher.
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In einer Ausführungsform ist die Drehschutzoberfläche an einem Ende der REB-Hülse oder des äußeren REB-Laufrings (64) um ihren ganzen Umfang zylindrisch (mit einem Durchmesser, der derselbe wie, kleiner als oder größer als jener des REB-Einsatzes ist), wobei diese zylindrische äußere Oberfläche durch eine Achse definiert ist, die von der Drehachse des inneren Laufrings versetzt ist. Eine solche nicht konzentrische äußere Oberfläche des REB-Einsatzes in Kontakt mit einer entsprechenden inneren Oberfläche eines Drehschutzrings, die von der Achse des inneren Laufrings versetzt angebracht ist, ist eindeutig orientiert sowie gegen eine Drehung gesichert. In einer weiteren Ausführungsform ist die innere Oberfläche des Drehschutzrings ein Vollzylinder, aber nur ein Teil des äußeren Umfangs eines Endes des REB-Einsatzes (z. B. 90°, 120° oder 180°) weist eine bogenförmige Drehschutzkontaktoberfläche auf, die durch eine Achse definiert ist, die von der Drehachse des inneren Laufrings versetzt ist. Die innere Oberfläche des Drehschutzrings kann beispielsweise zylindrisch sein und einen Durchmesser aufweisen, der derselbe wie der Durchmesser der äußeren REB-Oberfläche ist. Dieser Drehschutzring wird am Lagergehäuse derart angebracht, dass die Mittelachse der inneren Oberfläche des Drehschutzrings 1 mm niedriger liegt als die Drehachse des inneren Laufrings. Damit das REB mit dieser inneren Oberfläche des Drehschutzrings in Eingriff kommt, ist es erforderlich, eine Mondsichel von der Oberseite des REB-Einsatzes weg zu bearbeiten, so dass die obere Oberfläche (z. B. 90°, 120° oder 180°) durch denselben Durchmesser wie die innere Oberfläche des Drehschutzrings definiert ist, und mit einer Mittelachse, die 1 mm niedriger liegt als die Drehachse des inneren Laufrings. Solange der kreisförmige Innendurchmesser des Drehschutzrings von der Drehachse des inneren Laufrings versetzt ist und solange mindestens ein Segment des Außendurchmessers eines Endes des REB so konturiert ist, dass es diesem Innendurchmesser des Drehschutzrings entspricht, wird dann der äußere REB-Laufring oder die REB-Hülse gegen eine Drehung gesichert und mit einer korrekten Orientierung durch den Drehschutzring gehalten. Für den Drehschutz reicht es aus, dass der Kreis oder zumindest ein Bogen der Kontaktoberflächen des äußeren REB-Laufrings oder der REB-Hülse und des Drehschutzrings eine Mitte oder Achse aufweist, die ausreichend von der Drehachse des inneren Laufrings versetzt ist, dass der Versatzkontakt zwischen dem Drehschutzring und dem äußeren REB-Laufring oder der REB-Hülse den äußeren REB-Laufring oder die REB-Hülse gegen eine Drehung sichert.
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Somit ist zu sehen, dass in irgendeiner der Ausführungsformen der Erfindung eine einfache, kosteneffiziente Konstruktion die gewünschte Positionssteuerung der REB-Einsatzhülse oder des äußeren REB-Laufrings mit entweder einer Dämpfung, Dreheinschränkung oder sowohl Dämpfung als auch Dreheinschränkung erreicht.
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Nachdem die Erfindung nun beschrieben wurde, wird Folgendes beansprucht:
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5145334 [0017, 0017]
- US 7214037 [0017, 0017, 0018]
