DE112015001775T5

DE112015001775T5 - Mehrteiliges Radiallager

Info

Publication number: DE112015001775T5
Application number: DE112015001775.5T
Authority: DE
Inventors: Daniel PRUITT; Evan Lucas; David Prater
Original assignee: BorgWarner Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 2014-04-11
Filing date: 2015-04-01
Publication date: 2017-01-05
Anticipated expiration: 2035-04-02
Also published as: DE112015001775B4; US20170175808A1; WO2015157053A1

Abstract

Ein zweiteiliges Kippsegmentradiallager (50a) wird zum Lagern einer rotierenden Baugruppe eines Turboladers (1) verwendet. Das Kippsegmentradiallager (50a) enthält eine hohle, zylindrische Lagerschale (52) und eine innerhalb der Lagerschale (52) angeordnete Lagerauskleidung (72). Die Lagerauskleidung (72) enthält einen Mittelbereich (74), Lagersegmente (100) und einen sich axial erstreckenden Arm (86), der jedes Lagersegment (100) mit dem Mittelbereich (74) verbindet.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE PATENTANMELDUNGEN
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität und alle Nutzen der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 61/978,359, eingereicht am 11. April 2014, mit dem Titel „Multi-Piece Journal Bearing“, die durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft einen Turbolader mit einem verbesserten Radiallager, das eine Schale und eine Auskleidung, die konzentrisch innerhalb der Schale angeordnet ist, umfasst, wobei die Lagerauskleidung Lagersegmente enthält.
HINTERGRUND
Ein Abgasturbolader ist eine Art Zwangsbeatmungssystem, in der Motorabgase ein Turbinenrad antreiben. Das Turbinenrad ist über eine Welle mit einem Verdichterrad verbunden. Umgebungsluft wird durch das Verdichterrad komprimiert und wird in den Einlasskrümmer des Motors eingeführt, wodurch der Motor mehr Kraftstoff verbrennen kann und somit mehr Leistung für einen gegebenen Hubraum produzieren kann. Wenn man die volumetrischen Gaseinlasserfordernisse eines Motors, der mit Maximalleistungsvermögen betrieben wird, und die verhältnismäßig kleine Größe eines Turboladers bedenkt, versteht es sich, dass von einem Turbolader erwartet werden darf, dass er mit Drehzahlen von 300.000 U/Min oder mehr dreht. Des Weiteren können die Motorabgase, die das Turbinenrad antreiben, eine Temperatur von etwa 700 °C aufweisen. Somit arbeiten Turbolader im Wesentlichen mit äußerst hohen Drehgeschwindigkeiten und unter Hochtemperatur- und Wechsellastbedingungen.
Die Welle wird durch ein Lagersystem gelagert, das zwei voneinander beabstandete Radiallager enthält, die dazu dienen, die Welle zu stabilisieren und Schwingungen zu dämpfen. Das Lagersystem wird unter Verwendung eines Schmiersystems, in dem ein Fluid, wie etwa Öl, durch das Lagersystem zum Abführen der Wärme geleitet wird, geschmiert und gekühlt.
KURZFASSUNG
In einigen Aspekten enthält ein Radiallager eine hohle, zylindrische Lagerschale und eine in der Lagerschale angeordnete Lagerauskleidung, so dass eine Außenoberfläche der Lagerauskleidung von einer Innenoberfläche der Lagerschale radial beabstandet ist. Die Lagerauskleidung enthält einen hohlen, zylindrischen Mittelbereich, wobei der Mittelbereich ein erstes Mittelbereichsende und ein zweites, dem ersten Mittelbereichsende entgegengesetztes Mittelbereichsende aufweist. Die Lagerauskleidung enthält Arme, die sich von dem ersten Mittelbereichsende und von dem zweiten Mittelbereichsende axial nach außen erstrecken, wobei jeder Arm ein mit dem Mittelbereich verbundenes proximales Ende und ein dem proximalen Ende entgegengesetztes distales Ende enthält. Die Lagerauskleidung enthält auch ein auf dem distalen Ende eines jeden Arms angeordnetes Lagersegment.
Das Radiallager kann eines oder mehrere der folgenden Merkmale enthalten: Das Radiallager ist eine Baugruppe aus zwei separaten Teilen, so dass die Lagerschale ein erstes Teil der zwei Teile und die Lagerauskleidung ein zweites Teil der zwei Teile ist. Jeder Arm enthält eine Armachse, die sich zwischen dem proximalen Ende und dem distalen Ende erstreckt, und die Arme sind dazu konfiguriert, sich elastisch um die Armachse zu verdrehen. Jeder Arm enthält eine Armachse, die sich zwischen dem proximalen Ende und dem distalen Ende erstreckt, und die Arme sind dazu konfiguriert, sich um eine Achse senkrecht zur Armachse elastisch zu biegen. Jeder Arm ist vom Mittelbereich ausgekragt. Die Dicke des Lagersegments ist entlang einer Umfangsrichtung uneinheitlich. Das Lagersegment ist so geformt, dass die Umfangsmitte des Lagersegments relativ zu einem vorderen Ende und einem hinterem Ende des Lagersegments dick ist. Das Lagersegment ist so geformt, dass eine Lagersegmentaußenoberfläche einen sich radial erstreckenden Vorsprung enthält. Jedes Lagersegment umfasst eine Umfangsdimension, die größer ist als eine Umfangsdimension des entsprechenden Arms. Das Radiallager enthält ein Antirotationsmerkmal, das eine Bewegung der Lagerauskleidung relativ zur Lagerschale verhindert. Das Antirotationsmerkmal umfasst eine flache Oberfläche, die auf einer Innenoberfläche der Lagerschale gebildet ist, die an einer entsprechenden auf einer Außenoberfläche der Lagerauskleidung gebildeten flachen Oberfläche zusammenwirkend angreift.
In einigen Aspekten enthält ein Turbolader einen Turbinenabschnitt, der ein Turbinenrad enthält; einen Verdichterabschnitt, der ein Verdichterrad enthält; ein Lagergehäuse, das eine Bohrung und eine in der Bohrung angeordnete Welle enthält, wobei die Welle das Turbinenrad mit dem Verdichterrad verbindet und ein Kippsegmentradiallager in der Bohrung angeordnet ist. Das Kippsegmentradiallager lagert die Welle für eine Rotation relativ zum Lagergehäuse und enthält eine hohle, zylindrische Lagerschale und eine Lagerauskleidung, die innerhalb der Lagerschale angeordnet ist, wobei die Lagerauskleidung einen Mittelbereich, Lagersegmente und einen sich axial erstreckenden Arm, der jedes Lagersegment mit dem Mittelbereich verbindet, enthält.
Der Turbolader kann eines oder mehrere der folgenden Merkmalen enthalten: Jeder Lagerungsarm enthält ein proximales Ende, das mit dem Mittelbereich verbunden ist, und ein dem proximalen Ende entgegengesetztes distales Ende, wobei eines der Lagersegmente mit dem distalen Ende verbunden ist und die Lagerauskleidung dazu konfiguriert ist, eine Rotation des Lagerarms um eine Armachse, die sich zwischen dem proximalen und dem distalen Ende erstreckt, zu erlauben. Die Dicke der Lagersegmente ist entlang einer Umfangsrichtung uneinheitlich. Der Turbolader enthält ein Antirotationsmerkmal, das eine Bewegung der Lagerauskleidung relativ zur Lagerschale verhindert.
Radiallager, manchmal auch hydrodynamische Lager oder hydrodynamische Fluidfilmlager genannt, sind weit verbreitet, um rotierende Wellen zu lagern. Radiallager enthalten ein Lagersegment und werden in Kombination mit einem druckbeaufschlagten Fluid verwendet. Das druckbeaufschlagte Fluid erzeugt einen Film zwischen der rotierenden Welle und dem Lagersegment, was eine ruhige Rotation der Welle ohne nennenswerte Reibungsverluste erlaubt. Das Lagersegment kann ganz einfach ein Rohr sein, das konzentrisch um die rotierende Welle passt, oder so kompliziert wie eine Reihe von Lagersegmenten sein, die jeweils unabhängig an einer Innenoberfläche einer rohrförmigen Lagerschale gelagert werden. Letztere Lagersegmente werden häufig als Kippsegmentlager gekennzeichnet.
In einigen Aspekten ist ein Kippsegmentradiallager eine zweiteilige Struktur, die eine Lagerschale und eine Auskleidung, die koaxial innerhalb der Lagerschale angeordnet ist, enthält. Die Auskleidung enthält Lagersegmente, die auf sich axial erstreckenden Armen gelagert werden. Dies ist vergleichbar mit einigen herkömmlichen Kippsegmentlagern, die Lagersegmente enthalten, die auf sich radial erstreckenden Armen gelagert sind. Die sich axial erstreckenden Arme sind dazu konfiguriert, sich zu biegen und/oder sich zu verdrehen, wodurch die Lagersegmente der rotierenden Welle eine Radial- und Biegegelenk-Lagerung bereitstellen. Da sich die Last der rotierenden Welle während des Betriebs verändert, lenken die Lagersegmente relativ zur Lagerschaleninnenoberfläche aus und verändern die Fluidströmung und optimieren die Lastverteilung auf den Lagersegmenten und der Welle. Form und Dimensionen der Arme können abgestimmt werden, um deren Steifigkeitseigenschaften zu verändern.
In einigen Aspekten ist die Lagerauskleidung als ein von der Lagerschale separates Element ausgebildet und wird dann mit der Lagerschale zusammengesetzt, um das Kippsegmentradiallager zu bilden. Dadurch, dass die Lagerauskleidung als separates Element ausgebildet ist, wird die maschinelle Herstellung der relativ komplizierten Form, die einen ringförmigen Mittelbereich, sich axial erstreckende, vom Mittelbereich ausgekragte Arme und auf den freien Enden der Arme angeordnete Lagersegmente enthält, einfach und günstig verglichen mit einigen einteiligen Kippsegmentradiallagern, wie etwa diejenigen, die durch einen Funkenerosions- oder EDM-Prozess (EDM, electrical discharge machining) ausgebildet werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Querschnittsansicht eines Abgasturboladers, der ein Paar Kippsegmentradiallager enthält.
2 ist eine perspektivische Ansicht eines zweiteiligen Kippsegmentradiallagers, das eine Lagerschale und eine in der Schale angeordnete Lagerauskleidung enthält.
3 ist eine perspektivische Ansicht der Lagerschale aus 2.
4 ist eine perspektivische Ansicht der Lagerauskleidung aus 2.
5 ist eine Seitenquerschnittsansicht des Radiallagers aus 2.
6–9 veranschaulichen beispielhafte Querschnittsansichten des Arms entlang der Linie 6-6 in 10 gesehen.
10–18 veranschaulichen beispielhafte Profile des Lagersegments in Draufsicht.
19–20 veranschaulichen beispielhafte Querschnittsansichten des Lagersegments entlang der Linie 19-19 in 10 gesehen.
21 ist eine schematische Ansicht eines Bereichs des Turbolader-Lagergehäuses.
22 ist eine Querschnittsansicht eines Bereichs des Turbolader-Lagergehäuses entlang der Linie 22-22 in 21 gesehen.
23 ist eine perspektivische Ansicht eines alternativen Kippsegmentradiallagers.
24 ist eine perspektivische Querschnittsansicht des Kippsegmentradiallagers aus 23 entlang der Linie 24-24 in 25 gesehen.
25 ist eine Querschnittsansicht des Endes des Kippsegmentradiallagers aus 23.
26 ist eine Querschnittsansicht des Kippsegmentradiallagers aus 23 entlang der Linie 26-26 in 25 gesehen.
27 ist eine Seitenquerschnittsansicht der Lagerschale des Kippsegmentradiallagers aus 23.
28 ist eine Ansicht des Endes der Lagerschale des Kippsegmentradiallagers aus 23.
29 ist eine perspektivische Ansicht der Lagerauskleidung des Kippsegmentradiallagers aus 23.
30 ist eine Seitenansicht der Lagerauskleidung des Kippsegmentradiallagers aus 23.
31 ist eine Ansicht des Endes der Lagerauskleidung des Kippsegmentradiallagers aus 23.
32 ist eine Querschnittsansicht der Lagerauskleidung des Kippsegmentradiallagers aus 23 entlang der Linie 32-32 in 30 gesehen.
33 ist eine perspektivische Ansicht eines weiteren alternativen Kippsegmentradiallagers.
34 ist eine perspektivische Querschnittsansicht des Kippsegmentradiallagers aus 33.
35 ist eine Ansicht des Endes des Kippsegmentradiallagers aus 33.
36 ist eine perspektivische Ansicht der Lagerschale des Kippsegmentradiallagers aus 33.
37 ist eine Seitenquerschnittsansicht der Lagerschale des Kippsegmentradiallagers aus 33.
38 ist eine Seitenansicht der Lagerauskleidung des Kippsegmentradiallagers aus 33.
39 ist eine perspektivische Ansicht der Lagerauskleidung des Kippsegmentradiallagers aus 33.
40 ist eine Ansicht des Endes der Lagerauskleidung des Kippsegmentradiallagers aus 33.
41 ist eine Seitenquerschnittsansicht einer alternativen Lagerschale.
42 ist eine perspektivische Ansicht eines Bereichs einer alternativen Lagerauskleidung.
43 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer alternativen Lagerbaugruppe.
44 ist eine Querschnittsansicht der Lagerbaugruppe aus 43 entlang der Ebene P1 in 43 gesehen.
45 ist eine Querschnittsansicht der Lagerbaugruppe aus 43 entlang der Ebene P2 in 43 gesehen.
46 ist eine Seitenquerschnittsansicht einer alternativen Lagerschale, die auf deren Innenoberfläche gebildete Nuten enthält.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Mit Bezug auf 1 enthält ein Abgasturbolader 1 einen Turbinenabschnitt 2, einen Verdichterabschnitt 6 und ein zentrales Lagergehäuse 10, das dazwischen angeordnet ist und den Verdichterabschnitt 6 mit dem Turbinenabschnitt 2 verbindet. Der Turbinenabschnitt 2 enthält ein Turbinengehäuse (nicht gezeigt) und ein Turbinenrad 4, das im Turbinengehäuse angeordnet ist. Der Verdichterabschnitt 6 enthält ein Verdichtergehäuse (nicht gezeigt) und ein Verdichterrad 8, das im Verdichtergehäuse angeordnet ist. Das Turbinenrad 4 ist mit dem Verdichterrad 8 über eine Welle 14 verbunden.
Die Welle 14 ist zur Rotation um eine Rotationsachse 20 innerhalb einer Bohrung 12, die im Lagergehäuse 10 gebildet ist, über ein Paar axial beabstandete Kippsegmentradiallager 50a, 50b gelagert. Zum Beispiel lagert ein verdichterseitiges Radiallager 50a die Welle 14 neben dem Verdichterabschnitt 6, und ein turbinenseitiges Radiallager 50b lagert die Welle 14 neben dem Turbinenabschnitt 2. Die Radiallager 50a, 50b sind schwimmende Ringlager, die einen inneren Ölfilm und einen äußeren Ölfilm verwenden, um Geräusche (d. h. Unwuchtpfeifen und konstanter Ton, ausgelöst durch Rotorunwucht und innere Ölwirbel im Lager) und Rotoramplitude bei Resonanzfrequenzen zu reduzieren. Der innere Ölfilm dient dazu, die Welle 14 entgegen den externen Kräften, die auf die Welle 14 wirken, zu tragen, wohingegen der äußere Ölfilm, der verglichen mit dem inneren Ölfilm dick ist, der Welle 14 einen hohen Dämpfungskoeffizienten bereitstellt, um Wellenauslenkung bei Resonanzen zu reduzieren und Geräusche zu unterdrücken.
Der axiale Abstand zwischen dem verdichterseitigen Radiallager 50a und dem turbinenseitigen Radiallager 50b wird durch einen zylindrischen Radiallager-Abstandshalter 22 beibehalten. Der Lagerabstandshalter 22 ist für eine präzise axiale Lage und das Halten der Radiallager 50a, 50b innerhalb der Bohrung 12 zwischen den Radiallagern 50a, 50b angeordnet. Des Weiteren ist eine Drucklagerbaugruppe 26 im Lagergehäuse 10 angeordnet, um eine axiale Lagerung für die Welle 14 bereitzustellen. Die Welle 14 ist auf der Verdichterseite des verdichterseitigen Radiallagers 50a im Durchmesser reduziert, und eine Schulter 15 ist am Übergang zwischen den Durchmessern ausgebildet. Das Verdichterrad 8 und die Drucklagerbaugruppe 26, das ein Drucklager 28, eine Druckscheibenbaugruppe 30 und einen Ölschleuderring 32 enthält, werden alle auf der Welle 14 in dem Bereich mit reduziertem Durchmesser gelagert. Das äußerste Ende 14a der Welle 14 erstreckt sich axial über das Verdichterrad 8 hinaus und enthält ein Außengewinde. Eine Mutter 34 greift an dem Gewinde an und wird ausreichend festgezogen, um das Verdichterrad 8 und die Drucklagerbaugruppe 26 gegen die Schulter 15 zu klemmen.
Im Gebrauch wird das Turbinenrad 4 in dem Turbinengehäuse durch einen Zustrom von Abgas, der vom Abgaskrümmer eines Motors zugeführt wird, drehbar angetrieben. Da die Welle 14 das Turbinenrad 4 mit dem Verdichterrad 8 im Verdichtergehäuse verbindet, verursacht die Rotation des Turbinenrads 4 eine Rotation des Verdichterrads 8. Wenn sich das Verdichterrad 8 dreht, vergrößert es die Luftmassendurchsatzrate, die Luftströmungsdichte und den Luftdruck, der an die Zylinder des Motors über eine Abströmung aus dem Verdichterabschnitt 6 abgegeben wird, der mit dem Lufteinlasskrümmer des Motors (nicht gezeigt) verbunden ist.
Das Turbolader-Lagersystem wird durch Öl aus dem Motor geschmiert. Das Öl wird unter Druck über einen Ölzufuhranschluss 36 in das Lagergehäuse 10 eingeführt, um die Lagerflächen innerhalb und um die Radiallager 50a, 50b herum zu schmieren. Insbesondere durchläuft das Öl individuelle Lagerversorgungskanäle 38, 40, um die Radiallager 50a, 50b zu schmieren. Die Versorgungskanäle 38, 40 öffnen sich an im Wesentlichen axial mittigen Positionen in Bezug auf die zwei Radiallager 50a, 50b, so dass eine Ölströmung axial in beiden Richtungen geschehen kann, um die Lagerflächen zu schmieren. Die Radiallager 50a, 50b weisen axial mittige Schmierölströmungsbohrungen 64 auf, die Öl von den jeweiligen Versorgungskanälen 38, 40 empfangen. Öl, das über und durch die Radiallager 50a, 50b fließt, wird schließlich innerhalb einer Lagergehäusesumpfkammer 42 für die Rückzirkulierung durch einen Auslassanschluss 44 gesammelt.
Bezug nehmend auf 2 sind sich die Kippsegmentradiallager 50a, 50b strukturell im Wesentlichen ähnlich, es wird jedoch nur das verdichterseitige Radiallager 50a im Einzelnen beschrieben. Das Kippsegmentradiallager 50a ist eine zweiteilige Struktur, die eine Lagerschale 52 und eine innerhalb der Lagerschale 52 angeordnete Lagerauskleidung 72 enthält. Die Lagerauskleidung 72 enthält Lagersegmente 100, die dazu konfiguriert sind, sich relativ zur Lagerschale 52 zu bewegen (zum Beispiel kippen), wie weiter unten erörtert.
Bezug nehmend auf 3 und 5 besitzt die Lagerschale 52 im Wesentlichen die Form eines Hohlzylinders, der ein erstes Ende 54 und ein zweites Ende 56, das dem ersten Ende 54 entgegengesetzt ist, aufweist. Eine Lagerschalenlängsachse 58 erstreckt sich zwischen dem ersten Ende 54 und dem zweiten Ende 56. Die Lagerschale 52 enthält eine axial mittig angeordnete Ölströmungsbohrung 64. Die Ölströmungsbohrung 64 ist eine sich radial erstreckende durchgehende Öffnung, wodurch Schmieröl von einer Außenoberfläche 62 der Lagerschale 52 zu einer Innenoberfläche 60 davon strömen kann. Die Lagerschale 52 enthält eine Seitenwand, die vom ersten Lagerschalenende 54 zum zweiten Lagerschalenende 56 eine einheitliche Dicke aufweist. Die Außenoberfläche 62 definiert einen äußeren Lagerbereich 59, der so geformt und dimensioniert ist, dass er mit einer relativ engen Toleranz in eine Bohrung 12 passt, die im zentralen Lagergehäuse 10 ausgebildet ist, mit einem ausreichenden Zwischenraum für den äußeren Ölfilm. Die Lagerschale 52 kann durch verschiedene Produktionstechniken unter Verwendung einer Vielfalt bekannter Lagermaterialien, wie etwa Bleibronze oder unverbleite Bronze, Aluminium, usw. ausgebildet werden.
Bezug nehmend auf 4 und 5 enthält die Lagerauskleidung 72 einen ringförmigen Mittelbereich 74, die Lagersegmente 100 und Arme 86, die die Lagersegmente 100 mit dem Mittelbereich 74 verbinden. Die Lagerauskleidung 72 enthält eine Außenoberfläche 80, die der Innenoberfläche 60 der Lagerschale 52 zugewandt ist, eine Innenoberfläche 82, die im Gebrauch der Welle 14 zugewandt ist, und eine Längsachse 84.
Der Mittelbereich 74 weist eine axiale Dimension auf, die in Bezug auf die axiale Dimension der Lagerschale (z.B. der Abstand zwischen dem ersten Lagerschalenende 54 und dem zweiten Lagerschalenende 56) klein ist. Zum Beispiel kann die axiale Dimension des Mittelbereichs etwa 10 bis 35 Prozent der axialen Dimension der Lagerschale betragen. Der Mittelbereich 74 weist eine Wanddicke auf (z.B. der Abstand zwischen der Auskleidungsinnenoberfläche 82 und der Auskleidungsaußenoberfläche 80), die geringer als oder gleich der Lagerschalenwanddicke ist (z.B. der Abstand zwischen der Lagerschaleninnenoberfläche 60 und der Lagerschalenaußenoberfläche 62). Zum Beispiel kann die Mittelbereichswanddicke etwa 30 bis 100 Prozent der Lagerschalenwanddicke betragen. Der Mittelbereich 74 enthält eine erste axiale Endfläche 76 und eine entgegengesetzte, zweite axiale Endfläche 78.
Die Arme 86 erstrecken sich von jeder einzelnen axialen Endfläche 76, 78 des Mittelbereichs 74 axial nach außen, um so davon ausgekragt zu sein. Jeder Arm 86 enthält ein festes proximales Ende 88, das mit dem Mittelbereich 74 einstückig ausgebildet ist (z.B. als ein einziges Teil), und ein freies distales Ende 90, das dem proximalen Ende 88 entgegengesetzt ist. Jeder Arm 86 enthält eine Armlängsachse, die sich zwischen dem jeweiligen proximalen und distalen Ende 88, 90 erstreckt. Jeder Arm 86 ist axial länglich und weist eine im Wesentlichen rechteckige Form auf, in einem Querschnitt quer zur Lagerauskleidungslängsachse 84 gesehen. Zum Beispiel ist in der Querschnittsansicht die Umfangsdimension des Arms 86 größer als die radiale Dimension des Arms 86. In einigen Ausführungsformen bezieht sich der Begriff „im Wesentlichen rechteckig“ darauf, dass etwas geradlinig ist, wohingegen in anderen Ausführungsformen der Begriff „im Wesentlichen rechteckig“ sich darauf beziehen kann, dass etwas die Form eines Kreisringsektors aufweist, und somit leicht bogenförmig ist, um der Krümmung der Lagerschaleninnenoberfläche 60 und der Außenoberfläche der Welle 14 zu entsprechen. Die axiale Dimension der Arme 86 ist so eingestellt, dass die Lagersegmente 100 innerhalb der Lagerschale 52 untergebracht und benachbart zum entsprechenden ersten oder zweiten Lagerschalenende 54, 56 positioniert sind. Die Arme 86 sind entlang eines Umfangs, der durch die entsprechende axiale Endfläche 76, 78 definiert ist, gleich weit voneinander entfernt beabstandet.
In der veranschaulichten Ausführungsform enthält die Lagerauskleidung 72 acht Arme 86, die sich von jeder axialen Endfläche 76, 78 erstrecken. Die Anzahl der Arme 86, die sich von jeder einzelnen axialen Endfläche 76, 78 erstrecken, ist jedoch durch die Erfordernisse der spezifischen Anwendung bestimmt und kann auch nur zwei Arme 86 oder sogar zwölf Arme 86 oder mehr enthalten. Jeder Lagerungsarm 86 ist axial starr und weist ausreichend Flexibilität und Elastizität auf, um ein federndes Biegen (Rotation um eine Achse quer zur Längsachse 96 des Arms) und/oder verdrehende (Rotation um die Längsachse 96 des Arms) Auslenkungen des distalen Endes 90 relativ zum proximalen Ende 88 zu erlauben.
Ein Lagersegment 100 ist mit dem distalen Ende 90 eines jeden Arms 86 verbunden, wodurch jedes Lagersegment 100 axial vom Mittelbereich 74 beabstandet ist. Jedes Lagersegment 100 weist eine axiale Dimension auf, die etwa 10 bis 25 Prozent der axialen Dimension der Lagerschale betragen kann, und eine Umfangsdimension, die gleich oder größer als eine Umfangsdimension des entsprechenden Arms 86 ist. Das Lagersegment 100 weist eine Wanddicke auf (z.B. der Abstand zwischen der Auskleidungsinnenoberfläche 82 und der Auskleidungsaußenoberfläche 80), die der Dicke des entsprechenden Arms 86 entspricht. Die Lagersegmente 100 sind entlang eines Umfangs der Lagerschaleninnenoberfläche 60 gleich weit voneinander beabstandet, so dass jedes Lagersegment 100 von benachbarten Lagersegmenten 100 beabstandet ist.
Die Lagerauskleidung 72 kann durch verschiedene Produktionstechniken unter Verwendung einer Vielfalt bekannter Lagermaterialien, wie etwa Bleibronze oder unverbleite Bronze, Aluminium, usw. ausgebildet werden. Zum Beispiel wird in einigen Ausführungsformen die Lagerauskleidung 72 aus einem zylindrischen Rohling unter Verwendung herkömmlicher Techniken maschinell hergestellt und dann mit der Lagerschale 52 zusammengesetzt. Da die Lagerauskleidung 72 separat von der Lagerschale 52 ausgebildet ist, ist es einfach und günstig, den Rohling maschinell zu bearbeiten, um die Arme 86 und Lagersegmente 100 auszubilden im Vergleich zur Herstellung von einigen einteiligen Kippsegment-Radiallager-Systemen wie etwa u.a. diejenigen, bei denen die einzelnen Lagersegmente unter Verwendung von EDM-Prozessen aus einer Innenoberfläche herausgeschnitten werden. Die Lagerauskleidung 72 und die Lagerschale 52 können aus demselben Material gebildet sein, sind aber nicht auf diese Konfiguration beschränkt.
Die Lagerauskleidung 72 ist koaxial (z.B. konzentrisch) innerhalb der Lagerschale 52 so angeordnet, dass die Lagerauskleidungslängsachse 84 koaxial mit der Lagerschalenlängsachse 58 ist, und so, dass die Lagersegmente 100 der Lagerschaleninnenoberfläche 60 benachbart zu den jeweiligen axialen Enden 54, 56 der Lagerschale 52 zugewandt sind. Des Weiteren ist jedes Lagersegment 100 durch einen sich axial erstreckenden Arm 86 derart gelagert, dass eine Lücke zwischen einer radial nach außen gewandten (z.B. äußeren) Oberfläche 80 des Lagersegments 100 und einer radial nach innen gewandten (z.B. inneren) Oberfläche 60 der Lagerschale 52 vorhanden ist. Benachbart zu jedem der axialen Enden der Lagerschale 54, 56 definiert die Lagersegmentinnenoberfläche 82 eine innere Lageroberfläche, die so geformt und dimensioniert ist, dass sie mit relativ enger Toleranz um die Welle 14 passt, mit ausreichendem Zwischenraum für den inneren Ölfilm. Diese Konfiguration stellt eine verbesserte Kontrolle von radialen Lagerkräften bereit.
Die axiale Position und Winkelorientierung des Lagerauskleidungsmittelbereichs 74 relativ zur Lagerschale 52 wird zum Beispiel durch einen Stift 70 beibehalten, der sich durch bündige radiale Öffnungen 65, 85, die in der Lagerschale 52 und dem Lagerauskleidungsmittelbereich 74 bereitgestellt sind, erstreckt (5). Somit schwimmt die Lagerauskleidung 72 in Bezug auf die Lagerschale 52 nicht, auch wenn das Kippsegmentradiallager 50 innerhalb der Bohrung 12 schwimmt.
Da jeder Lagerungsarm 86 axial starr ist und ausreichend Flexibilität und Elastizität aufweist, um ein federndes Biegen und/oder verdrehende Auslenkungen des Lagersegments 100 relativ zum proximalen Ende 88 zu erlauben, lenken die Lagersegmente 100 aus, verändern die Schmierfluidströmung und optimieren die Lastverteilung auf Lagersegment 100 und Welle 14, wenn sich Wellenlasten während des Betriebs des Turboladers 1 ändern. Da sich die Arme 86 axial erstrecken, stellt das Kippsegmentradiallager 50 des Weiteren eine Radial- und Biegegelenk-Lagerung der Welle 14 bereit.
Bezug nehmend auf 6–10 können Form und Dimensionen der Arme 86 abgestimmt werden, um die Armsteifigkeitseigenschaften zu verändern, so dass den Erfordernissen einer spezifischen Anwendung entsprochen wird. Mehrere nicht einschränkende beispielhafte Ausführungsformen der Querschnittsform der Arme 86, entlang der Linie 6-6 in 10 gesehen, sind wie folgt: rechteckig (6); quadratisch (7); kreisförmig (8); und ein Kreisringsektor (9).
Bezug nehmend auf 10–18 kann das Profil der Lagersegmente 100 so abgestimmt werden, dass es zum Beispiel die Steifigkeitseigenschaften des Lagersegments, die Toleranz des Lagersegments 100 relativ zur Innenoberfläche der Lagerschale 52 und die Ölströmungseigenschaften verändert, um den Erfordernissen einer spezifischen Anwendung gerecht zu werden. Mehrere nicht einschränkende beispielhafte Ausführungsformen des Profils eines isolierten Lagersegments, in Draufsicht gesehen, werden nachfolgend beschrieben.
Mit Bezug auf 10 weist das Lagersegment 100, in einigen Ausführungsformen, ein rechteckiges Profil auf und ist mit dem Arm 86 verbunden, um eine Struktur zu bilden, die im Wesentlichen L-förmig ist. Das Lagersegment 100 ist innerhalb der Lagerschale 52 so ausgerichtet, dass das Unterteil 102 des Lagersegments 100 umlaufend relativ zum Arm 86 in eine Richtung vorsteht, die entgegen der Richtung der Lagerrotation ist.
Bezug nehmend auf 11 und 12 weist das Lagersegment 200, 300, in einigen Ausführungsformen, ein rechteckiges Profil auf und ist mit dem Arm 86 verbunden, um eine Struktur zu bilden, die im Wesentlichen T-förmig ist. Das Lagersegment 200, 300 ist innerhalb der Lagerschale 52 so ausgerichtet, dass das Lagersegment 200, 300 umlaufend relativ zum Arm 86 in beiden Umfangsrichtungen vorsteht. Obgleich in einigen Ausführungsformen der Arm 86 mittig auf dem Lagersegment 200 (11) angeordnet sein mag, kann der Arm 86 in anderen Ausführungsformen auch nicht mittig auf dem Lagersegment 300 angeordnet sein (12).
Mit Bezug auf weist 13 weist das Lagersegment 400, in einigen Ausführungsformen, ein kreisförmiges Profil auf und der Arm 86 ist mit dem Lagersegment 400 entlang eines Durchmessers des Lagersegments 400 verbunden. In anderen Ausführungsformen kann der Arm 86 mit dem Lagersegment 400 jedoch entlang einer vom Durchmesser des Lagersegments 400 abweichenden Sehne (nicht gezeigt) verbunden sein.
Mit Bezug auf 14 weist das Lagersegment 500, in einigen Ausführungsformen, ein ovales Profil auf und der Arm 86 ist mit dem Lagersegment 500 entlang einer langen Achse des Ovals verbunden. In anderen Ausführungsformen (nicht gezeigt) kann der Arm 86 mit dem Lagersegment 500 jedoch auch entlang einer kurzen Achse des Ovals verbunden sein, oder entlang einer Sehne parallel oder in einem Winkel relativ zu der langen oder kurzen Achse.
Bezug nehmend auf 15–17 weist das Lagersegment 600, 700, 800, in einigen Ausführungsformen, ein unregelmäßig geformtes Profil auf. Zum Beispiel kann das Lagersegment 600 sowohl lineare als auch gebogene periphere Randbereiche enthalten, die dazu eingerichtet sind, eine im Wesentlichen rautenförmige Struktur zu bilden (15). In diesem Beispiel wird der Arm 86 mit dem Lagersegment 600 entlang einer Achse der Raute verbunden. In anderen Ausführungsformen (nicht gezeigt) kann der Arm 86 mit dem Lagersegment 600 jedoch auch entlang einer Achse parallel zu oder in einem Winkel zu den Achsen der Raute verbunden sein. In einem weiteren Beispiel enthält das Lagersegment 700 drei Nasen, und der Arm 86 ist mit dem Lagersegment 700 entlang einer Symmetrieachse verbunden (16). In noch einem weiteren Beispiel ist das Lagersegment 900 im Wesentlichen rechteckig und enthält umlaufend bündige Schlitze 802, die in einem vorderen Rand 803 relativ zur Rotationsrichtung ausgebildet sind (17).
Mit Bezug auf 18 ist das Lagersegment 900, in einigen Ausführungsformen, von einem im Wesentlichen rechteckigen Profil und enthält eine durchgehende Öffnung 902. Obgleich die durchgehende Öffnung 902 rechteckig gezeigt wird, ist sie nicht auf diese Form beschränkt. Obgleich die durchgehende Öffnung 902 als im Wesentlichen mittig auf dem Lagersegment 900 angeordnet gezeigt wird, ist sie nicht auf diese Lage beschränkt.
Bezug nehmend auf 10, 19 und 20, obgleich die Querschnittsform der Lagersegmente 100 so gezeigt wird, dass sie die Form eines Kreisringsektors aufweisen, ist die Querschnittsform nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Zum Beispiel kann die Querschnittsform des Lagersegmentes 100 so abgestimmt sein, dass sie zum Beispiel die Steifigkeitseigenschaften des Lagersegments, Toleranz des Lagersegments 100 relativ zur Innenoberfläche der Lagerschale 52 und Ölströmungseigenschaften verändert, um den Erfordernissen einer spezifischen Anwendung gerecht zu werden. Zwei nicht einschränkende beispielhafte Ausführungsformen der Form eines isolierten Lagersegments, im Querschnitt entlang der Linie 19-19 in 10 gesehen, werden nachfolgend beschrieben.
Mit Bezug auf 19 weist ein Lagersegment 1000, in einigen Ausführungsformen, eine Innenoberfläche 82a auf, die kreisförmig ist, um der Form der Außenoberfläche der Welle 14 zu entsprechen. Des Weiteren ist die Dicke des Lagersegments 1000 entlang einer Umfangsrichtung uneinheitlich, so dass die Umfangsmitte 120 des Lagersegments 1000 relativ zu den vorderen und hinteren Enden 122, 124 des Lagersegments 1000 dick ist. Infolgedessen steht die Lagersegmentaußenoberfläche 80a leicht radial nach außen zur Lagerschaleninnenoberfläche 60 hin vor.
Mit Bezug auf 20 weist ein Lagersegment 1100, in einigen Ausführungsformen, eine Innenoberfläche 82a auf, die kreisförmig ist, um der Form der Außenoberfläche der Welle 14 zu entsprechen. Des Weiteren enthält das Lagersegment 1100 eine Außenoberfläche, einen vorstehenden Abschnitt (d. h. eine Erhöhung) 126, der radial nach außen zur Lagerschaleninnenoberfläche 60 hin vorsteht. Der vorstehende Abschnitt 126 weist eine halbkreisförmige Form auf. In der veranschaulichten Ausführungsform ist der vorstehende Abschnitt 126 nicht entlang eines Umfangs des Lagersegments 1100 mittig angeordnet, und ist näher am vorderen Ende 122 des Lagersegments 1100 als am hinteren Ende 124 positioniert; der vorstehende Abschnitt 126 ist jedoch nicht auf diese Position beschränkt.
Bezug nehmend auf 21 und 22 ist der Turbolader 1 nicht auf die Verwendung von vollständig schwimmenden Ringlagern beschränkt, auch wenn das Kippsegmentradiallager 50a ein vollständig schwimmendes Ringlager ist. Zum Beispiel kann der Turbolader 1, in einigen Ausführungsformen, ein Kippsegmentradiallager 150 verwenden, das ein halbschwimmendes Ringlager ist. Das Kippsegmentradiallager 150 ist dem oben beschriebenen Kippsegmentradiallager 50a ähnlich, und gleiche Bezugszeichen beziehen sich auf gemeinsame Elemente. Des Weiteren enthält das Kippsegmentradiallager 150 ein Lagerschalen-Antirotationsmerkmal, das eine Rotation der Lagerschale 52 relativ zur Bohrung 12 verhindert. Im veranschaulichten Beispiel ist das Antirotationsmerkmal ein Stift 170, der aus einer Innenoberfläche der Bohrung 12 vorsteht und sich durch die durchgehenden bündigen radialen Öffnungen 65, 85, die in der Lagerschale 52 und dem Lagerauskleidungsmittelbereich 74 bereitgestellt sind, erstreckt. In einem weiteren Beispiel (nicht gezeigt) ist eine Raste auf einer axialen Endfläche der Lagerschale 52 ausgebildet, die an dem Lagergehäuse 10 angreift, um eine relative Rotation zwischen der Lagerschale 52 und der Bohrung 12 zu verhindern. In diesem Beispiel wird der Stift 70 dazu verwendet, um die relative Position der Lagerschale 52 und der Lagerauskleidung 72 beizubehalten, wie in 5 gezeigt. In noch einem weiteren Beispiel (nicht gezeigt) kann eine Antirotationsklammer zwischen der Lagerschale 52 und der Bohrung 12 eingeschoben sein. Eine äußere Peripherie der Klammer kann so ausgebildet sein, dass sie flache Regionen aufweist, die nach entsprechenden flachen Bereichen, die auf dem Lagergehäuse 10 bereitgestellt sind, ausgerichtet sind, und eine innere Peripherie der Klammer kann so ausgebildet sein, dass sie flache Regionen aufweist, die nach entsprechenden flachen Bereichen, die auf der Lagerschale 52 bereitgestellt sind, ausgerichtet sind.
Bezug nehmend auf 23–26 ist eine alternative Ausführungsform des Kippsegmentradiallagers 250 ein halbschwimmendes Ringlager. Das Kippsegmentradiallager 250 ist eine zweiteilige Struktur, die eine Lagerschale 252 und eine innerhalb der Lagerschale 252 angeordnete Lagerauskleidung 272 enthält. Die Lagerauskleidung 272 enthält Lagersegmente 1000, die dazu konfiguriert sind, sich relativ zur Lagerschale 252 zu bewegen (zum Beispiel kippen und/oder biegen), wie weiter unten erörtert.
Bezug nehmend auch auf 27 und 28 besitzt die Lagerschale 252 im Wesentlichen die Form eines Hohlzylinders, der ein erstes Ende 254 und ein zweites Ende 256, das dem ersten Ende 254 entgegengesetzt ist, aufweist. Eine Längsachse 258 erstreckt sich zwischen dem ersten Ende 254 und dem zweiten Ende 256. Ein mittlerer Abschnitt der Lagerschale 252 enthält mehrere Ölströmungsbohrungen 264, wodurch das Schmieröl von einer Außenoberfläche 262 der Lagerschale 252 zu einer Innenoberfläche 260 davon strömen kann. Die Lagerschaleninnenoberfläche 260 enthält einen Vorsprung 240, der sich radial nach innen erstreckt und eine flache Fläche 242 (z.B. die flache Fläche der Schale) aufweist. Die flache Fläche der Schale 242 ist in einer Seitenquerschnittsansicht (27) gesehen parallel zur Lagerlängsachse 258, und ist in einer Querschnittsansicht des Endes gesehen (28) senkrecht zu einer Achse 246, die quer zur Längsachse 258 verläuft. Die flache Fläche der Schale 242 ist ein Antirotationsmerkmal und ist dazu konfiguriert, an einer entsprechenden flachen Fläche der Auskleidung 292, die auf der Außenoberfläche der Lagerauskleidung 272 bereitgestellt ist, anzugreifen, wie weiter unten erörtert. Der Vorsprung 240 ist auf halbem Weg zwischen dem ersten Lagerschalenende 254 und dem zweiten Lagerschalenende 256 positioniert.
Der äußere Durchmesser der Lagerschale 252 ist uneinheitlich. Insbesondere ist der äußere Schalendurchmesser benachbart zu den axialen Enden 254, 256 relativ zum mittleren Schalenabschnitt größer, wodurch die Schalenaußenoberfläche 262 einen äußeren Lagerbereich 259 benachbart zu den axialen Enden 254, 256 definiert, der so geformt und dimensioniert ist, dass er mit relativ enger Toleranz in die Lagergehäusebohrung 12 passt, mit ausreichend Zwischenraum für den äußeren Ölfilm.
Bezug nehmend auch auf 29–32 enthält die Lagerauskleidung 272 einen ringförmigen Mittelbereich 274, die Lagersegmente 1000 und Arme 286, die die Lagersegmente 1000 mit dem Mittelbereich 274 verbinden. Die Lagerauskleidung 272 enthält eine Außenoberfläche 280, die der Innenoberfläche 260 der Lagerschale 252 zugewandt ist, eine Innenoberfläche 282, die im Gebrauch der Welle 14 zugewandt ist, und eine Längsachse 284.
Der Mittelbereich 274 weist eine axiale Dimension auf, die relativ zur axialen Dimension der Lagerschale klein ist. Zum Beispiel kann die axiale Dimension des Mittelbereichs etwa 10 bis 35 Prozent der axialen Dimension der Lagerschale betragen. Der Mittelbereich 274 weist eine Wanddicke auf, die geringer als oder gleich der Lagerschalenwanddicke ist. Zum Beispiel kann die Mittelbereichswanddicke etwa 30 bis 100 Prozent der Lagerschalenwanddicke betragen. Der Mittelbereich 274 enthält eine erste axiale Endfläche 276 und eine entgegengesetzte, zweite axiale Endfläche 278. Des Weiteren ist die flache Fläche der Auskleidung 292 eine flache Fläche, die auf der Außenoberfläche 280 des Mittelbereichs 274 ausgebildet ist. Die flache Fläche der Auskleidung 292 erstreckt sich axial von der zweiten axialen Endfläche 278 zur ersten axialen Endfläche 276 hin und endet in einer Schulter 294, die näher an der ersten axialen Endfläche 276 als an der zweiten axialen Endfläche 278 angeordnet ist.
Die Arme 286 erstrecken sich von jeder einzelnen axialen Endfläche 276, 278 des Mittelbereichs 274 axial nach außen, um so davon ausgekragt zu sein. Jeder Arm 286 enthält ein festes proximales Ende 288, das mit dem Mittelbereich 274 einstückig ausgebildet ist (z.B. als ein einziges Teil), und ein freies distales Ende 290, das dem proximalen Ende 288 entgegengesetzt ist. Jeder Arm 286 ist länglich und weist in einem Querschnitt quer zur Lagerauskleidungslängsachse 84 gesehen die Form eines Kreisringsektors auf und ist somit leicht bogenförmig, um der Krümmung der Lagerschaleninnenoberfläche 260 zu entsprechen. Die axiale Dimension der Arme 286 ist so eingestellt, dass die Lagersegmente 1000 innerhalb der Lagerschale 252 untergebracht und benachbart zum entsprechenden ersten oder zweiten Lagerschalenende 254, 256 positioniert sind. Die Arme 286 sind entlang eines Umfangs, der durch die entsprechende axiale Endfläche 276, 278 definiert ist, gleich weit voneinander entfernt beabstandet. In der veranschaulichten Ausführungsform enthält die Lagerauskleidung 272 vier Arme 286, die sich von jeder axialen Endfläche 276, 278 erstrecken. Jeder Lagerungsarm 286 ist axial starr und weist ausreichend Flexibilität und Elastizität auf, um ein federndes Biegen (Rotation um eine Achse quer zur Längsachse 284 der Lagerauskleidung) und/oder verdrehende (Rotation um eine Achse parallel zur Längsachse 284 der Lagerauskleidung) Auslenkungen des distalen Endes 290 relativ zum proximalen Ende 288 zu erlauben.
Das Lagersegment 1000 ist mit dem distalen Ende 290 eines jeden Arms 286 verbunden, wodurch jedes Lagersegment 1000 axial vom Mittelbereich 274 beabstandet ist. In der veranschaulichten Ausführungsform weist das Lagersegment 1000 die oben mit Bezug auf 19 beschriebene Querschnittsform auf, ist aber nicht darauf beschränkt. Jedes Lagersegment 1000 weist eine axiale Dimension auf, die etwa 10 bis 25 Prozent der axialen Dimension der Lagerschale betragen kann, und eine Umfangsdimension, die größer als eine Umfangsdimension des entsprechenden Arms 286 ist. Das Lagersegment 1000 weist eine Wanddicke auf (z.B. der Abstand zwischen der Auskleidungsinnenoberfläche 282 und der Auskleidungsaußenoberfläche 280), die größer ist als die Dicke des entsprechenden Arms 286. Die Lagersegmente 1000 sind entlang eines Umfangs der Lagerschaleninnenoberfläche 260 gleich weit voneinander beabstandet, so dass jedes Lagersegment 1000 von benachbarten Lagersegmenten 1000 beabstandet ist.
Die Lagerauskleidung 272 ist koaxial (z.B. konzentrisch) innerhalb der Lagerschale 252 so angeordnet, dass die Lagerauskleidungslängsachse 284 koaxial mit der Lagerschalenlängsachse 258 ist, und so, dass die Lagersegmente 1000 der Lagerschaleninnenoberfläche 260 benachbart zu den jeweiligen axialen Enden 254, 256 der Lagerschale 252 zugewandt sind. Des Weiteren ist jedes Lagersegment 1000 durch einen sich axial erstreckenden Arm 286 derart gelagert, dass eine Lücke zwischen einer radial nach außen gewandten Oberfläche 280 des Lagersegments 1000 und einer radial nach innen gewandten Oberfläche 260 der Lagerschale 252 vorhanden ist. Benachbart zu jedem der axialen Enden der Lagerschale 252, 524 definiert die Lagersegmentinnenoberfläche 282 eine innere Lageroberfläche, die so geformt und dimensioniert ist, dass sie mit relativ enger Toleranz um die Welle 14 passt, mit ausreichendem Zwischenraum für den inneren Ölfilm. Diese Konfiguration stellt eine verbesserte Kontrolle von radialen Lagerkräften bereit.
Die axiale Position und Winkelorientierung des Lagerauskleidungsmittelbereichs 274 relativ zur Lagerschale 252 wird durch das zusammenwirkende Angreifen der flachen Fläche der Schale 242 mit der flachen Fläche der Auskleidung 292 beibehalten (24). Somit schwimmt die Lagerauskleidung 272 in Bezug auf die Lagerschale 252 nicht, auch wenn das Kippsegmentradiallager 250 innerhalb der Bohrung 12 schwimmt.
Da jeder Lagerungsarm 286 axial starr ist und ausreichend Flexibilität und Elastizität aufweist, um ein federndes Biegen und/oder verdrehende Auslenkungen des Lagersegments 1000 relativ zum proximalen Ende 288 zu erlauben, lenken die Lagersegmente 1000 aus, verändern die Schmierfluidströmung und optimieren die Lastverteilung auf Lagersegment 1000 und Welle 14, wenn sich Wellenlasten während des Betriebs des Turboladers 1 ändern. Da sich die Arme 286 axial erstrecken, stellt das Kippsegmentradiallager 250 des Weiteren eine Radial- und Biegegelenk-Lagerung der Welle 14 bereit.
Bezug nehmend auf 33–35 ist eine weitere alternative Ausführungsform des Kippsegmentradiallagers 350 ein halbschwimmendes Ringlager. Das Kippsegmentradiallager 350 ist eine zweiteilige Struktur, die eine Lagerschale 352 und eine innerhalb der Lagerschale 352 angeordnete Lagerauskleidung 372 enthält. Die Lagerauskleidung 372 enthält Lagersegmente 1200, die dazu konfiguriert sind, sich relativ zur Lagerschale 352 zu bewegen (zum Beispiel kippen und/oder biegen), wie weiter unten erörtert.
Bezug nehmend auch auf 36 und 37 besitzt die Lagerschale 352 im Wesentlichen die Form eines Hohlzylinders, der ein erstes Ende 354 und ein zweites Ende 356, das dem ersten Ende 354 entgegengesetzt ist, aufweist. Eine Längsachse 358 erstreckt sich zwischen dem ersten Ende 354 und dem zweiten Ende 356. Ein mittlerer Abschnitt der Lagerschale 352 enthält mehrere Ölströmungsbohrungen 364, wodurch das Schmieröl von einer Außenoberfläche 362 der Lagerschale 352 zu einer Innenoberfläche 360 davon strömen kann. Die Lagerschaleninnenoberfläche 360 enthält Nuten 340, die sich axial zwischen dem ersten und zweiten Ende 354, 356 erstrecken und um einen Umfang der Lagerschaleninnenoberfläche 360 gleich weit entfernt voneinander beabstandet sind. Die Nuten 340 sind ein Antirotationsmerkmal und dazu konfiguriert, an eine entsprechende Erhöhung 392, die auf der Außenoberfläche der Lagerauskleidung 372 bereitgestellt ist, anzugreifen, wie weiter unten erörtert. Jede Nut 340 ist so geformt und dimensioniert, dass sie der Form und Dimension der sich axial erstreckenden Erhöhungen 392, die auf der Lagerauskleidung 372 bereitgestellt sind, entspricht.
Der äußere Durchmesser der Lagerschale 352 ist uneinheitlich. Insbesondere ist der äußere Schalendurchmesser benachbart zu den axialen Enden 354, 356 relativ zum mittleren Schalenabschnitt größer, wodurch die Schalenaußenoberfläche 362 einen äußeren Lagerbereich 359 benachbart zu den axialen Enden 354, 356 definiert, der so geformt und dimensioniert ist, dass er mit relativ enger Toleranz in die Lagergehäusebohrung 12 passt, mit ausreichend Zwischenraum für den äußeren Ölfilm.
Bezug nehmend auch auf 38–40 enthält die Lagerauskleidung 372 einen ringförmigen Mittelbereich 374, die Lagersegmente 1200 und Arme 386, die die Lagersegmente 1200 mit dem Mittelbereich 374 verbinden. Die Lagerauskleidung 372 enthält eine Außenoberfläche 380, die der Innenoberfläche 360 der Lagerschale 352 zugewandt ist, eine Innenoberfläche 382, die im Gebrauch der Welle 14 zugewandt ist, und eine Längsachse 384.
Der Mittelbereich 374 weist eine axiale Dimension auf, die relativ zur axialen Dimension der Lagerschale klein ist. Zum Beispiel kann die axiale Dimension des Mittelbereichs etwa 10 bis 35 Prozent der axialen Dimension der Lagerschale betragen. Der Mittelbereich 374 weist eine Wanddicke auf, die geringer als oder gleich der Lagerschalenwanddicke ist. Zum Beispiel kann die Mittelbereichswanddicke etwa 30 bis 100 Prozent der Lagerschalenwanddicke betragen. Der Mittelbereich 374 enthält eine erste axiale Endfläche 376 und eine entgegengesetzte, zweite axiale Endfläche 378.
Die Arme 386 erstrecken sich von jeder einzelnen axialen Endfläche 376, 378 des Mittelbereichs 374 axial nach außen, um so davon ausgekragt zu sein. Jeder Arm 386 enthält ein festes proximales Ende 388, das mit dem Mittelbereich 374 einstückig ausgebildet ist (z.B. als ein einziges Teil), und ein freies distales Ende 390, das dem proximalen Ende 388 entgegengesetzt ist. Jeder Arm 386 ist länglich und ist in einem Querschnitt quer zur Lagerauskleidungslängsachse 84 gesehen im Wesentlichen dreieckig. Die axiale Dimension der Arme 386 ist so eingestellt, dass die Lagersegmente 1200 innerhalb der Lagerschale 352 untergebracht und benachbart zum entsprechenden ersten oder zweiten Lagerschalenende 354, 356 positioniert sind. Die Arme 386 sind entlang eines Umfangs, der durch die entsprechende axiale Endfläche 376, 378 definiert ist, gleich weit voneinander entfernt beabstandet. In der veranschaulichten Ausführungsform enthält die Lagerauskleidung 372 vier Arme 386, die sich von jeder axialen Endfläche 376, 378 erstrecken. Jeder Lagerungsarm 386 ist axial starr und weist ausreichend Flexibilität und Elastizität auf, um ein federndes Biegen (Rotation um eine Achse quer zur Längsachse 384 der Lagerauskleidung) und/oder verdrehende (Rotation um eine Achse parallel zur Längsachse 384 der Lagerauskleidung) Auslenkungen des distalen Endes 390 relativ zum proximalen Ende 388 zu erlauben.
Das Lagersegment 1200 ist mit dem distalen Ende 390 eines jeden Arms 386 verbunden, wodurch jedes Lagersegment 1200 axial vom Mittelbereich 374 beabstandet ist. Jedes Lagersegment 1200 weist eine axiale Dimension auf, die etwa 10 bis 25 Prozent der axialen Dimension der Lagerschale betragen kann, und eine Umfangsdimension, die größer als eine Umfangsdimension des entsprechenden Arms 386 ist. Das Lagersegment 1200 weist eine Wanddicke auf (z.B. der Abstand zwischen der Auskleidungsinnenoberfläche 382 und der Auskleidungsaußenoberfläche 380), die größer ist als die Dicke des entsprechenden Arms 386. Die Lagersegmente 1200 sind entlang eines Umfangs der Lagerschaleninnenoberfläche 360 gleich weit voneinander beabstandet, so dass jedes Lagersegment 1200 von benachbarten Lagersegmenten 1200 beabstandet ist.
In der veranschaulichten Ausführungsform weist das Lagersegment 1200 eine Querschnittsform auf, die der oben mit Bezug auf 20 beschriebenen ähnlich ist. Insbesondere weist das Lagersegment 1200 eine Innenoberfläche 382 auf, die kreisförmig ist, um der Form der Außenoberfläche der Welle 14 zu entsprechen. In einigen Ausführungsformen entspricht jedoch die Form der Lagersegmentinnenoberfläche 382 nicht genau der Form der Welle 14. Zum Beispiel ist möglicherweise der Radius der Lagersegmentinnenoberfläche 382 nicht identisch mit dem der Welle, so dass das Segment 1200 vorgespannt ist.
Des Weiteren enthält die Außenoberfläche des Lagersegments 1200 einen vorstehenden Abschnitt (d. h. die Erhöhung) 392, der radial nach außen zur Lagerschaleninnenoberfläche 360 hin vorsteht. Die Erhöhung 392 weist eine halbkreisförmige Form auf. In der veranschaulichten Ausführungsform ist die Erhöhung 392 entlang eines Umfangs des Lagersegments 1200 mittig angeordnet und erstreckt sich axial entlang des entsprechenden Arms 386 und über den Mittelbereich 374. Somit sind, bei Armen 386 und Segmenten 1200, die koaxial, aber auf entgegengesetzten Seiten des Mittelbereichs 374 sind, die entsprechenden Erhöhungen 392 unterbrochen, um eine einzelne kontinuierliche Erhöhung zu bilden, die sich zwischen entgegengesetzten axialen Enden der Lagerauskleidung 372 erstreckt.
Die Lagerauskleidung 372 ist koaxial (z.B. konzentrisch) innerhalb der Lagerschale 352 so angeordnet, dass die Lagerauskleidungslängsachse 384 koaxial mit der Lagerschalenlängsachse 358 ist, die Lagersegmente 1200 der Lagerschaleninnenoberfläche 360 benachbart zu jedem jeweiligen axialen Ende 354, 356 der Lagerschale 352 zugewandt sind, und jede der Lagerauskleidungserhöhungen 392 innerhalb einer entsprechenden Nut 340 der Lagerschale aufgenommen wird. Jede Nut 340 stellt während einer verdrehenden Bewegung des Segments 1200 eine Lageroberfläche für das Segment 1200 bereit. Benachbart zu jedem der axialen Enden der Lagerschale 352, 354 definiert die Lagersegmentinnenoberfläche 382 eine innere Lageroberfläche, die so geformt und dimensioniert ist, dass sie mit relativ enger Toleranz um die Welle 14 passt, mit ausreichendem Zwischenraum für den inneren Ölfilm. Diese Konfiguration stellt eine verbesserte Kontrolle von radialen Lagerkräften bereit. Die Winkelorientierung des Lagerauskleidungsmittelbereichs 374 relativ zur Lagerschale 352 wird durch das zusammenwirkende Angreifen der Lagerschalennuten 340 und der Auskleidungserhöhungen 392 beibehalten (35). In einigen Ausführungsformen wird die axiale Position des Lagerauskleidungsmittelbereichs 374 relativ zur Lagerschale 352 über eine Antirotationsvorrichtung, wie etwa einen Stift oder eine Klammer beibehalten. Somit schwimmt die Lagerauskleidung 372 in Bezug auf die Lagerschale 352 nicht, auch wenn das Kippsegmentradiallager 350 innerhalb der Bohrung 12 schwimmt.
Da jeder Lagerungsarm 386 axial starr ist und ausreichend Flexibilität und Elastizität aufweist, um ein federndes Biegen und/oder verdrehende Auslenkungen des Lagersegments 1200 relativ zum proximalen Ende 388 zu erlauben, lenken die Lagersegmente 1200 aus, verändern die Schmierfluidströmung und optimieren die Lastverteilung auf Lagersegment 1200 und Welle 14, wenn sich Wellenlasten während des Betriebs des Turboladers 1 ändern. Da sich die Arme 386 axial erstrecken, stellt das Kippsegmentradiallager 350 des Weiteren eine Radial- und Biegegelenk-Lagerung der Welle 14 bereit.
Mit Bezug auf 41 ist die Lagerschale 52, obgleich in der oben mit Bezug auf 2–5 beschriebenen Ausführungsform die Lagerschale 52 eine hohle zylindrische Form aufweist, die Seitenwände enthält, die vom ersten Lagerschalenende 54 zum zweiten Lagerschalenende 56 eine einheitliche Dicke aufweisen, nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Zum Beispiel enthält in einigen Ausführungsformen eine alternative Lagerschale 152 Schalenseitenwände, die uneinheitlich dick sind, so dass die Seitenwände im zentralen Bereich der Lagerschale 152 relativ zur Dicke benachbart zu den axialen Enden 154, 156 relativ dünn sind. Des Weiteren definiert benachbart zu jedem axialen Ende 154, 156 die innere Oberfläche 160 einen inneren Lagerbereich 157, der so geformt und dimensioniert ist, dass er mit relativ enger Toleranz um die Welle 14 passt, mit ausreichendem Zwischenraum für den inneren Ölfilm. Gleichermaßen definiert, benachbart zu jedem axialen Ende 154, 156, die Außenoberfläche 162 einen äußeren Lagerbereich 159, der so geformt und dimensioniert ist, das er mit einer relativ engen Toleranz in die Bohrung 12 passt, die im zentralen Lagergehäuse 10 ausgebildet ist, mit einem ausreichenden Zwischenraum für den äußeren Ölfilm. Die Lagerauskleidung 72 ist koaxial innerhalb der Lagerschale 152 so angeordnet, dass die Lagersegmente 100 dem inneren Lagerbereich 157 zugewandt sind.
Mit Bezug auf 42 ist die Lagerauskleidung 72, 272, obgleich in den oben mit Bezug auf 2–5 und 29–32 beschriebenen Ausführungsformen die Lagerauskleidung 72, 272 die Arme 86, 286 enthält, die mit dem Mittelbereich 74, 274 einstückig (z.B. als ein einziges Teil) ausgebildet sind, nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Zum Beispiel enthält eine alternative Lagerauskleidung 172 Arme 186, die separat vom Mittelbereich 174 ausgebildet sind und dann mit diesem zusammengesetzt werden, indem die proximalen Armenden 188 in entsprechende Öffnungen 175, die in den jeweiligen axialen Mittelbereichsendflächen 176, 178 ausgebildet sind, eingesetzt werden. In einigen Ausführungsformen sind die Arme 186 innerhalb der Öffnungen 175 durch herkömmliche Mittel, wie etwa Presspassung, Klebstoff oder Keilen fixiert. In anderen Ausführungsformen sind die Arme 186 so konfiguriert, dass sie innerhalb der Öffnungen 175 rotieren.
Mit Bezug auf 43–45 ist die Lagerauskleidung 72, obgleich in der oben mit Bezug auf 2–5 beschriebenen Ausführungsform die Arme 86 die Lagersegmente 100' so lagern, dass in einem unbelasteten Zustand die Lagersegmentaußenoberfläche 80a im Wesentlichen parallel zur Lagerschaleninnenoberfläche 60 ist, nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Zum Beispiel kann jedes Lagersegment 100' mit dem entsprechenden Arm 86 so verbunden sein, dass es in einem unbelasteten Zustand in einem Winkel relativ zur Lagerschaleninnenoberfläche 60 (44) ist. In einigen Ausführungsformen kann das kippende Lagersegment 100' ferner so ausgebildet sein, dass es im Querschnitt eine Keilform aufweist, so dass ein Rand (z.B. der vordere Rand oder der hintere Rand in Bezug auf die Rotationsrichtung) des Lagersegments 100' näher an der Lagerschale 52 ist als der entgegengesetzte Rand. In einigen Ausführungsformen weist das Lagersegment 100' eine Dicke auf (z.B. radiale Dimension), die größer ist als die des Arms 86 (45), und ist so konfiguriert, dass es relativ zum Arm 86 nach innen vorsteht. Zum Beispiel ist die radiale Dimension r_a der Arminnenoberfläche 82b kleiner als die radiale Dimension r_h der Lagerschaleninnenoberfläche 60 und größer als die radiale Dimension r_p der Lagersegmentinnenoberfläche 82a.
Mit Bezug auf 46 kann die Innenoberfläche 60, 160, 260 der Lagerschale 52, 152, 252 mindestens eine schmierfluidleitende Nut 168 enthalten. Die schmierfluidleitende Nut 168 dient zum Abwandeln von Ölwirbeln, wodurch das untersynchrone Vibrieren des Lagers 50 reduziert wird und somit Geräusche reduziert werden. Die schmierfluidleitende/n Nut/en 168 kann/können verschiedene Formen und Dimensionen aufweisen. Zum Beispiel kann/können sich eine oder mehrere schmierfluidleitende/n Nut/en 168 entlang einer Schraubenlinie erstrecken, die in einem Steigungswinkel θ₁ relativ zur Lagerschalenlängsachse 58, 158 eingerichtet ist. Der Steigungswinkel θ₁ kann aus Winkeln im Bereich von 5 Grad bis 85 Grad gewählt werden, und wird auf Basis der Erfordernisse der spezifischen Anwendung bestimmt. Die Nutbreite und -tiefe wird ebenfalls auf Basis der Erfordernisse der spezifischen Anwendung bestimmt.
Obgleich die Lagersegmente hierin als entlang eines Umfangs der Lagerschaleninnenoberfläche gleich weit voneinander entfernt beabstandet beschrieben werden, so dass jedes Lagersegment von benachbarten Lagersegmenten beabstandet ist, sind die Lagersegmente nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Zum Beispiel können in einigen Ausführungsformen die Lagersegmente entlang eines Umfangs der Lagerschaleninnenoberfläche auch nicht gleich weit entfernt voneinander beabstandet sein.
Ausgewählte veranschaulichende Ausführungsformen mehrteiliger Radiallager wurden oben im Detail beschrieben. Es versteht sich, dass hierin nur Strukturen beschrieben wurden, die als zur Klärung der vorliegenden Erfindung notwendig erachtet wurden. Andere herkömmliche Strukturen, und diejenigen von Hilfs- und Zusatzkomponenten des Systems, werden als dem Fachmann bekannt und von diesem verstanden erachtet. Des Weiteren sind die mehrteiligen Radiallager, auch wenn Arbeitsbeispiele von mehrteiligen Radiallagern oben beschrieben wurden, nicht auf die oben beschriebenen Arbeitsbeispiele beschränkt, sondern verschiedene Ausgestaltungsmodifizierungen können durchgeführt werden, ohne dass von der vorliegenden Erfindung wie in den Ansprüchen dargelegt abgewichen wird.

Claims

Radiallager (50a), umfassend: eine hohle, zylindrische Lagerschale (52); und eine Lagerauskleidung (72), die in der Lagerschale (52) so angeordnet ist, dass eine Außenoberfläche (80) der Lagerauskleidung (72) radial von einer Innenoberfläche (60) der Lagerschale (52) beabstandet ist, wobei die Lagerauskleidung (72) das Folgende enthält einen hohlen, zylindrischen Mittelbereich (74), wobei der Mittelbereich (74) ein erstes Mittelbereichsende (76) und ein zweites, dem ersten Mittelbereichsende (76) entgegengesetztes Mittelbereichsende (78) aufweist, Arme (86), die sich von dem ersten Mittelbereichsende (76) und von dem zweiten Mittelbereichsende (78) axial nach außen erstrecken, wobei jeder Arm (86) ein mit dem Mittelbereich (74) verbundenes proximales Ende (88) und ein dem proximalen Ende (88) entgegengesetztes distales Ende (90) enthält, und ein Lagersegment (100), das auf dem distalen Ende (90) jedes Arms (86) angeordnet ist.
Radiallager (50a) nach Anspruch 1, wobei das Radiallager (50a) eine Baugruppe aus zwei separaten Teilen ist, so dass die Lagerschale (52) ein erstes Teil der zwei Teile ist und die Lagerauskleidung (72) ein zweites Teil der zwei Teile ist.
Radiallager (50a) nach Anspruch 1, wobei jeder Arm (86) eine Armachse (96) enthält, die sich zwischen dem proximalen Ende (88) und dem distalen Ende (90) erstreckt, und die Arme (86) so konfiguriert sind, dass sie sich elastisch um die Armachse (96) verdrehen.
Radiallager (50a) nach Anspruch 1, wobei jeder Arm (86) eine Armachse (96) enthält, die sich zwischen dem proximalen Ende (88) und dem distalen Ende (90) erstreckt, und die Arme (86) so konfiguriert sind, dass sie sich elastisch um eine Achse senkrecht zur Armachse (96) biegen.
Radiallager (50a) nach Anspruch 1, wobei jeder Arm (86) vom Mittelbereich (74) ausgekragt ist.
Radiallager (50a) nach Anspruch 1, wobei das Lagersegment (100) entlang einer Umfangsrichtung eine uneinheitliche Dicke aufweist.
Radiallager (50a) nach Anspruch 6, wobei das Lagersegment (100) so geformt ist, dass die Umfangsmitte des Lagersegments (100) relativ zu einem vorderen Ende und einem hinteren Ende des Lagersegments (100) dick ist.
Radiallager (50a) nach Anspruch 6, wobei das Lagersegment (100) so geformt ist, dass eine Lagersegmentaußenoberfläche (80) einen sich radial erstreckenden Vorsprung (120, 126) enthält.
Radiallager (50a) nach Anspruch 1, wobei jedes Lagersegment (100) eine Umfangsdimension umfasst, die größer ist als eine Umfangsdimension des entsprechenden Arms (86).
Radiallager (50a) nach Anspruch 1, das ein Antirotationsmerkmal (70, 242, 292) enthält, das eine Bewegung der Lagerauskleidung (72) relativ zur Lagerschale (52) verhindert.
Radiallager (50a) nach Anspruch 10, wobei das Antirotationsmerkmal (70, 242, 292) eine auf einer Innenoberfläche der Lagerschale (52) ausgebildete flache Oberfläche (242) umfasst, die an einer entsprechenden auf einer Außenoberfläche (80) der Lagerauskleidung (72) ausgebildeten flachen Oberfläche (292) zusammenwirkend angreift.
Turbolader, umfassend; einen Turbinenabschnitt (2), der ein Turbinenrad (4) enthält; einen Verdichterabschnitt (6), der ein Verdichterrad (8) enthält; ein Lagergehäuse (10), das eine Bohrung (12) und eine in der Bohrung (12) angeordnete Welle (14) enthält, wobei die Welle (14) das Turbinenrad (4) mit dem Verdichterrad (8) verbindet, und ein Kippsegmentradiallager (50a), das in der Bohrung (12) angeordnet ist, wobei das Kippsegmentradiallager (50a) die Welle (14) für eine Rotation relativ zum Lagergehäuse (10) lagert, wobei das Radiallager (50a) das Folgende enthält eine hohle, zylindrische Lagerschale (52), und eine Lagerauskleidung (72), die innerhalb der Lagerschale (52) angeordnet ist, wobei die Lagerauskleidung (72) einen Mittelbereich (74), Lagersegmente (100) und einen sich axial erstreckenden Arm (86), der jedes Lagersegment (100) mit dem Mittelbereich (74) verbindet, enthält.
Turbolader nach Anspruch 12, wobei jeder Lagerungsarm (86) ein mit dem Mittelbereich (74) verbundenes proximales Ende (88) und ein dem proximalen Ende (88) entgegengesetztes distales Ende (90) enthält, wobei eines der Lagersegmente (100) mit dem distalen Ende (90) verbunden ist, und die Lagerauskleidung (72) dazu konfiguriert ist, eine Rotation des Lagerungsarms (86) um eine Armachse (96), die sich zwischen dem proximalen und distalen Ende (88, 90) erstreckt, zu gestatten.
Turbolader nach Anspruch 12, wobei die Lagersegmente (100) entlang einer Umfangsrichtung eine uneinheitliche Dicke aufweisen.
Turbolader nach Anspruch 12, der ein Antirotationsmerkmal enthält, das eine Bewegung der Lagerauskleidung (72) relativ zur Lagerschale (52) verhindert.