DE112013001189T5

DE112013001189T5 - Turboladerlagergehäuse mit eingegossenen Rohren

Info

Publication number: DE112013001189T5
Application number: DE112013001189.1T
Authority: DE
Inventors: Michael Fischer; Martin Bihy; Sean Rylance; Rob Daniels; James Finley
Original assignee: BorgWarner Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 2012-03-27
Filing date: 2013-03-19
Publication date: 2014-11-06
Also published as: WO2013148411A1; KR20140139551A; US20150330405A1; IN2014DN08351A; KR102002873B1; CN104185729B; CN104185729A; US10006468B2

Abstract

Herkömmlicherweise werden Turboladerlagergehäuse gegossen, und dann werden Öldurchgänge in das Gussteil gebohrt. Infolgedessen sind Bohrungen auf sich von Bohrerzugangspunkten erstreckende Geraden begrenzt. Durch Voranordnen einer Sammlung von Metallrohren in einem Formwerkzeug, die Öl- und/oder Luft- und/oder Wasserkanäle definieren werden, und dann Gießen eines Lagergehäuses um die Rohre herum wird eine höhere Konstruktionsflexibilität bereitgestellt. Dadurch wird eine fast unbegrenzte Freiheit beim Formen und Positionieren der Ölbohrungen und anderer Merkmale bereitgestellt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Turbolader und stellt insbesondere ein Lagergehäuse mit den durch Gießen des Lagergehäusegussmaterials um im Voraus angeordnete Rohre herum gebildeten Öl-, Wasser- und Luftkanälen bereit.
BESCHREIBUNG DER VERWANDTEN TECHNIK
Turbolader gewinnen Energie aus einem Fahrzeugauslass zum Antreiben eines Verdichters zwecks Zuführung von Luft mit hoher Dichte zum Motoreinlass, wodurch eine Verbrennung von mehr Kraftstoff gestattet wird und die Leistung des Motors somit erhöht wird. Die Turbinenrad, Verdichterrad und Welle umfassende Rotationsanordnung des Turboladers kann sich mit 80000 U/min bis 300000 U/min drehen. Die Welle dreht sich auf einem hydrodynamischen Lagersystem. Einer Ölarmatur im oberen Ende des Lagergehäuses wird Öl unter Druck zugeführt, und von dort aus läuft es in Ölbohrungen zu den Zapfenlagern (33, 34) und dem Drucklager (35).
Herkömmlicherweise ist ein Lagergehäuse ohne Ölbohrungen gegossen. Die Bohrungen werden anschließend durch Bohren entlang einer Geraden aus dem Lagergehäuse herausgearbeitet. In der Regel wird eine Bohrerführung verwendet, um einen Bohrer oder Bohrmeißel zu stützen, und Bohrzugang für diese Bohrerführung (94, 95) kann nur durch die axial offenen Enden der einen relativ kleinen Durchmesser aufweisenden Zapfenlagerbohrung (65) des Lagergehäuses erfolgen. Dies ist eine sehr ungünstige Bearbeitungsaufgabe, die oftmals eine komplizierte Werkzeugausstattung erfordert, da der Bohrer zunächst in einem sehr flachen Winkel an der ordnungsgemäßen Stelle in der Zapfenlagerbohrung starten und dann die Ölzufuhrbohrung im Gusszustand durchbrechen muss. Aufgrund des eingeschränkten Zugangs für das Bohrwerkzeug befindet sich die sich ergebende Bohrung für das Zuführen von Öl zum Zapfenlager in einem Winkel zu der Zapfenlagerbohrung und ist nahe dem Ende des Lagergehäuses positioniert.
Die Drucklagerölversorgungsbohrung (69) ist auch eine geradlinige Bohrung, die in der Regel nicht nur die beiden Zapfenlagerölversorgungsbohrungen (67, 68), sondern auch die Versorgungsbohrung (62) vom Öleinlass kreuzen muss. Das Ergebnis dieser Geometrie dieser Bohrungen ist in der Regel, dass sich der Durchbruch der Drucklagerölversorgungsbohrung (69) in der Drucklagerbefestigungsfläche (85) in einem größeren Versatz von der Mittellinie befindet als wünschenswert ist, insbesondere weil dies dazu führt, dass die Leitung des Drucklagers in einem größeren Radius von der Turboladermittellinie als erwünscht verläuft, was dazu führt, dass das Drucklager größer als erwünscht sein muss, wodurch die Materialkosten erhöht werden.
Die meisten Turbolader sind über einen Turbinengehäusefuß an einem Motor angebracht. In einigen Fällen sind statt der Ölzufuhr über einen druckbeaufschlagten Schlauch oder ein druckbeaufschlagtes Rohr zu einer Armatur am oberen Ende des Lagergehäuses die Turbolader über einen Fuß an einem Motor angebracht, wobei sich der Fuß von der Unterseite des Lagergehäuses erstreckt und einen Anschluss, durch den druckbeaufschlagtes Motoröl dem Lagergehäuse zugeführt wird, sowie einen Anschluss zum Entleeren des Lagergehäuses zu einem Hohlraum in der Motorkomponente enthält. Es können auch Anschlüsse zur Wasserkühlung des Lagergehäuses vorgesehen sein.
Bei solch einer Konfiguration besteht ein Problem darin, dass die Ölversorgung vom Lagergehäusefuß (70) vertikal nach oben und in Querrichtung zu einem Punkt über jedem Zapfenlager und dann vertikal nach unten in die Zapfenlager laufen muss. Bei dem aktuellen Stand der Technik sind mehreren Bohrungen erforderlich, um den Ölflussweg zu beschreiben. Dies bedeutet auch, dass einige Ölbohrungsverläufe von außerhalb des Lagergehäuses gebohrt werden müssen, um andere Bohrungen zu kreuzen, und dann muss der unbenutzte Teil der Bohrung mit Stopfen verschlossen werden, um den Ölflusskreislauf zu schließen. Solch ein Herstellungsverfahren bedeutet auch, dass Ecken im Flussweg scharf ohne Abrundung bis mit sehr wenig Abrundung verlaufen, was einem guten Fluidfluss mit geringen Verlusten nicht förderlich ist.
Des Weiteren werden durch dieses metalspanabhebende Herstellungsverfahren und auch infolge des Durchbruchs der Bohrungen ineinander potenziell schädliche Metallgrate erzeugt. Nach der maschinellen Herstellung müssen die Bereiche, in denen die maschinell herausgearbeiteten Ölzufuhrnebenbohrungen in den Hauptkanal durchbrechen, vollständig entgratet werden, um zu verhindern, dass Metallgrate in den Ölfluss in Lagerzwischenräume mit engen Toleranzen gelangen. Werden diese Bereiche nicht ordnungsgemäß entgratet, könnte dies dazu führen, dass ein Metallgrat in das Lager gelangt und es zerstört. Die Herstellung dieser Bohrungen ist somit zeitaufwändig, es besteht immer die Möglichkeit, dass ein Stopfen herausfällt und somit Motoröl unter Druck in die sehr heiße Umgebung um den Motor und den Turbolader herum abgegeben wird.
Somit ist ersichtlich, dass Bedarf für eine bessere Art und Weise der Bereitstellung von Ölversorgungsbohrungen in einem Turbolader zur Minimierung der komplexen und schwierigen Bearbeitungsvorgänge besteht.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung löst die obigen Probleme durch Voranordnen einer Rohrsammlung, die Öl- und/oder Luft- und/oder Wasserkanäle definieren werden, und dann Gießen eines Lagergehäuses um die Rohre herum.
Nicht nur werden die mit geradliniger Herausarbeitung von Merkmalen in das Lagergehäuse im Anschluss an den Gießvorgang verbundenen Probleme beseitigt, die vorliegende Erfindung stellt auch zum ersten Mal fast uneingeschränkte Freiheit beim Formen und Positionieren der Ölbohrungen und anderer Merkmale bereit.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung ist in den beigefügten Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszahlen ähnliche Teile bezeichnen, beispielhaft und nicht einschränkend dargestellt. In den Zeichnungen zeigen:
1 einen Querschnitt einer typischen Turboladerlagergehäuseanordnung;
2 eine Schnittansicht eines typischen Turboladerzapfenlagerölversorgungsbohrschemas;
3A, B zwei Halbschnittansichten, die die erfindungsgemäßen eingegossenen Rohre zeigen;
4 eine Ansicht des Rohrbündels; und
5A, B Schnittansichten, die das Rohrschema für ein von unten gespeistes Lagergehäuse zeigen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird ein vorgefertigtes Rohrbündel im Voraus in einem Formwerkzeug angeordnet, und das Lagergehäuse (60) wird um diese Rohre herum gegossen, wodurch gekrümmte innere Ölkanäle mit glatter Bohrung ohne das Erfordernis des komplizierten, schwierigen, teuren maschinellen Bearbeitens der typischen Lagergehäuseölzufuhrbohrungen bereitgestellt werden. Dies bedeutet auch, dass Druckabfälle aufgrund von akuten Änderungen der Strömungsrichtung und scharfe Kanten auf einem Minimum gehalten werden.
Rohre können miteinander verbunden (in der Regel gegossen oder verschweißt) werden, um das ”Rohrbündel” zu bilden. Die Verbindungen müssen robust genug sein, um während des gesamten Gießprozesses, wenn die Gusseisenschmelze in das Formwerkzeug eingeleitet wird, zusammenzubleiben, so dass die Stücke nicht voneinander gelöst werden, und die Verbindung muss fest genug sein, dass die Gusseisenschmelze nicht in das Rohrbündel leckt.
Die Rohre können aus irgendeinem Metall hergestellt sein, das während des Eisengießvorgangs nicht durchschmilzt und vorzugsweise Stahl ist. Der in dem Rohrbündel verwendete Stahl sollte niedriggekohlt (< 0,1%) sein, wodurch er duktil und recht verformbar ist, so dass er leicht zu der Rohrbündelarchitektur mit sanften Kurven gebildet werden kann. Auf ähnliche Weise wie bei der Verwendung von Kernstützen beim Eisengussprozess muss das Rohrbündel oxidationsfrei sein und kann mit einer dünnen Schicht einer Gussschlichte, Zinn oder Kupfer überzogen sein, um maximales Verschmelzen mit dem zuströmenden Gusseisen zu gewährleisten. Da das Rohrbündel voller Luft ist (da es einfach aus Rohr gefertigt ist, das einen Außenmantel, aber Luft in der Mitte hat), muss das Bündel in den Kernen für das Lagergehäuse sicher gehalten werden, so dass es nicht in der Eisenschmelze in eine unerwünschte Position schwimmt.
Der Schmelzpunkt von Grauguss liegt zwischen 1150°C und 1200°C, und der Schmelzpunkt von duktilem Gusseisen ist 1148°C. Der Schmelzpunkt von niedriggekohltem Stahl liegt zwischen 1371°C und 1410°C; somit gewährleistet niedriggekohlter Stahl eine gute Schmelz- oder Schweißverbindung, wenn geschmolzener Grauguss oder geschmolzenes duktiles Eisen dort herum eingeleitet wird. Zur Herstellung einer guten Verschmelzung muss der Schmelzpunkt des Rohrbündels höher sein als der des zuströmenden Gusseisens; somit sind durch Verwendung von niedriggekohltem Stahl für die Rohre und Gusseisen für das Lagergehäusebasismetall diese Bedingungen erfüllt.
Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung sind, wie in den 1, 3A und 3B dargestellt, die Rohre (74, 77), die dazu geformt sind, eine Strömungsverbindung des Turbinenendenzapfenlagers (33) und des Verdichterendenzapfenlagers (34) mit dem Öleinlass (71) herzustellen, gefertigt und miteinander verbunden. Ein zur Strömungsverbindung des Drucklagers (35) mit dem Öleinlass (71) geformtes Rohr ist auch mit dem Öleinlass verbunden. In 4 ist ein aus den oben genannten Rohren bestehendes Rohrbündel als eine einzige Einheit gezeigt. An jedem der Strömungsverbindungsrohre (71, 74, 77 und 78) ist eine Verschluss- und Positionierkappe (101, 102, 103 bzw. 104) befestigt. Die Funktion der Kappen besteht darin, zu verhindern, dass irgendeine Gusseisenschmelze in das Rohrbündel eintritt, und weiterhin, das Rohrbündel in den Kernen zum Gießen des Lagergehäuses zu positionieren und zu beschränken. Diese Anordnung von Rohren wird physisch in das Formwerkzeug für ein Lagergehäuse platziert, und Gusseisenschmelze wird um das Rohrbündel herum gegossen und kapselt es ein.
Bei der maschinellen Bearbeitung des Lagergehäuses werden die Kappen entfernt und hinterlassen Ölkanäle mit glatter Bohrung, die die verschiedenen Lager mit dem Öleinlass strömungsverbinden.
Bei einer Variation der ersten Ausführungsform der Erfindung weist ein von unten gespeistes Lagergehäuse, wie in den 5A und 5B dargestellt, ein Öldruckversorgungsrohr (83) auf, das den Fuß (70) des unteren Endes des Lagergehäuses mit einem Behältnis (82) nahe dem oberen Ende des Lagergehäuses strömungskoppelt. Das Behältnis (82) ist mit dem Turbinenendenlagergehäuse (33), dem Verdichterendenlagergehäuse (34) und dem Drucklager (35) strömungsgekoppelt. 5B ist ein Querschnitt entlang der Ebene ”B-B”, die das vertikale Rohr von der Unterseite (70) des Lagergehäuses durch ein Behältnis (82) trennt. Der Querschnitt (”B-B”) wird in 5A gezeigt. Die Funktion des Behältnisses besteht darin, einen Teil des Öls zurückzuhalten, wenn der Motor abgeschaltet wird, und Raum für das Kreuzen der verschiedenen Rohre bereitzustellen. Das System eines von unten gespeisten Lagergehäuses braucht nicht das Behältnis (82) aufzuweisen, wobei dann sein Zuleitungsrohr (83) vom unteren Ende des Lagergehäuses direkt mit einem der anderen Rohre (74, 77, 78) strömungsgekoppelt ist, solange das Zuleitungsrohr (83) immer noch mit den drei Lager (33, 34, 35) strömungsgekoppelt ist.
Nach der erfolgten Beschreibung der Erfindung folgen nun die Ansprüche.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Turboladerlagergehäuses, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Vorbereiten eines Rohrbündels (71, 74, 77, 78), das mindestens ein Rohr zur Definition mindestens eines Ölkanals enthält, und Gießen des Lagergehäuses (60) um das Rohrbündel herum, um ein Lagergehäuse mit dem einen Ölkanal definierenden Rohr zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der durch das Rohr definierte Ölkanal ein Turbinenendenzapfenlagerölversorgungskanal ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der durch das Rohr definierte Ölkanal ein Verdichterendenzapfenlagerölversorgungskanal ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der durch das Rohr definierte Ölkanal ein Drucklagerölversorgungskanal ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Rohrbündel einen Turbinenendenzapfenlagerölversorgungskanal, einen Verdichterendenzapfenlagerölversorgungskanal und einen Drucklagerölversorgungskanal definiert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Turboladerlagergehäuse Bohrungen zur Aufnahme der Verdichterseiten- und Turbinenseitenzapfenlager und einen Fuß enthält, der zum Passeingriff mit einer Motorhalterung ausgeführt ist, wobei sich der durch das Rohr definierte Ölkanal vom Fuß zu einem Verbindungspunkt über den Zapfenlagerbohrungen erstreckt, wobei er an dem Verbindungspunkt mit einem Turbinenendenzapfenlagerölversorgungskanal, einem Verdichterendenzapfenlagerölversorgungskanal und einem Drucklagerölversorgungskanal strömungsgekoppelt ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Verbindungspunkt als ein Ölbehältnis dient.
Verfahren nach Anspruch 6, das ferner ein Ablaufrohr zum Entleeren des Lagergehäuses durch den Fuß umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Rohr des Rohrbündels einen Luftkanal oder einen Wasserkanal definiert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Rohr des Rohrbündels einen Luftkanal oder einen Wasserkanal definiert.
Turboladerlagergehäuse, umfassend: ein Rohrbündel (71, 74, 77, 78), das aus einem ersten Metall hergestellt ist und mindestens ein Rohr zur Definition mindestens eines Ölkanals enthält, und eine Lagergehäusestruktur (60), die aus einem zweiten Metall besteht, das um das Rohrbündel herum gegossen ist, um ein Lagergehäuse mit eingegossenen Ölrohren zu bilden.
Turboladerlagergehäuse nach Anspruch 9, wobei der durch das Rohr definierte Ölkanal ein Turbinenendenzapfenlagerölversorgungskanal ist.
Turboladerlagergehäuse nach Anspruch 9, wobei der durch das Rohr definierte Ölkanal ein Verdichterendenzapfenlagerölversorgungskanal ist.
Turboladerlagergehäuse nach Anspruch 9, wobei der durch das Rohr definierte Ölkanal ein Drucklagerölversorgungskanal ist.
Turboladerlagergehäuse nach Anspruch 9, wobei das Rohrbündel einen Turbinenendenzapfenlagerölversorgungskanal, einen Verdichterendenzapfenlagerölversorgungskanal und einen Drucklagerölversorgungskanal definiert.
Turboladerlagergehäuse nach Anspruch 9, wobei das Turboladerlagergehäuse Bohrungen zur Aufnahme der Verdichterseiten- und Turbinenseitenzapfenlager und einen Fuß enthält, der zum Passeingriff mit einer Motorhalterung ausgeführt ist, wobei sich der durch das Rohr definierte Ölkanal vom Fuß zu einem Verbindungspunkt über den Zapfenlagerbohrungen erstreckt, wobei er an dem Verbindungspunkt mit einem Turbinenendenzapfenlagerölversorgungskanal, einem Verdichterendenzapfenlagerölversorgungskanal und einem Drucklagerölversorgungskanal strömungsgekoppelt ist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Verbindungspunkt als ein Ölbehältnis dient.
Verfahren nach Anspruch 9, das ferner ein Ablaufrohr zum Entleeren des Lagergehäuses durch den Fuß umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Rohr des Rohrbündels einen Luftkanal definiert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Rohr des Rohrbündels einen Wasserkanal definiert.