DE2231839C2

DE2231839C2 - Hydrodynamisches kombiniertes Axial- und Radiallager für rasch umlaufende Wellen

Info

Publication number: DE2231839C2
Application number: DE2231839A
Authority: DE
Inventors: Hansulrich Dr. Zürich Hörler
Original assignee: Bbc Ag Brown Boveri & Cie 5401 Baden Aargau; BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1972-06-09
Filing date: 1972-06-29
Publication date: 1982-04-08
Also published as: US3827770A; GB1407570A; DE2231839A1; JPS5316857B2; CH547448A; IT989019B; FR2226033A5; DK139317B; JPS4943045A; DK139317C

Description

Die Erfindung betrifft ein hydrodynamisches kombiniertes Axial- und Radiallager für rasch umlaufende Wellen von Abgasturboladern gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Lager sind aus der Zeitschrift »Brown Boveri-Mitteilungen«, Band 48, Nr. 1/2, Seiten 134, 135, bekannt. Die radial elastische Abstützung der Lagerscheibe geschieht hierbei über Federlamellen, beispielsweise gemäß einer Ausführung nach DE-AS 12 69 842. Um ein genaues Positionieren der Welle zu ermöglichen, werden entweder zwischen den beiden oder nur einer der radial verlaufenden Endflächen der Lagerscheibe und einer oder den beiden auf der Welle befestigten Kammringen mehrere Beilagebleche von 0,25—0,30 mm Stärke angeordnet. Diese öldurchflossenen Bleche, welche eine Einstellgenauigkeit von 0,0.5 mm garantieren, wirken zudem in axialer Richtung stoßdämpfend.

Als Nachteil dieser Lagerart wird die Starrheit der Lagerscheibe in axialer Richtung angesehen. Die Welle kann nicht um einen geringen Winkel kippen, ohne daß eine einseitige Belastung der Gleitflächen auftritt. Dies hat zur Folge, daß der Schmierspalt an der Abhebestelle zu groß und an der Andruckstelle abgequetscht wird. Damit ist aber die Funktionstüchtigkeit des Lagers auf einen engen Bereich begrenzt

Aus den hohen spezifischen Belastungen der Gleitflächen resultieren geringe Schmierspaltdicken, deren Tragfähigkeit einerseits durch die Wärmeeinflüsse auf Öizähigkeit und Lagerform und andererseits schon bei minimalen Kippen der Welle vermindert wird, zumindest aber begrenzt ist. Dabei haben die öltemperaturen an den verschiedenen Gleitflächen großen Einfluß. Beim bekannten Lager der oben angegebenen Bauart wird ίο den Gleitflächen der beiden Axiallager öl von nahezu gleicher Temperatur zugeführt Dies ist indes ungünstig bei Lagern, die mit einer axialen Vorzugsrichtung belastet werden, da die unbelastete Gleitfläche quasi mit Frischöl versorgt wird, während die belastete Gleitfläehe entweder ungenügend versorgt wird oder aber zur Abhilfe überdimensioniert werden muß und mit Zusatzöl versorgt wird, woraus ein erhöhter Schmierölverbrauch resultiert

Weiter wird durch die ungleichmäßige Belastung mit Öl- und Reibungswärme der Lagerkörper thermisch verformt, wodurch die Tragfähigkeit der Gleitflächen herabgesetzt wird.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, zum Vermeiden des einseitigen Abriebes unter allen Betriebsbedingungen die Parallelität der im Eingriff stehenden Gleitflächen zu gewährleisten.

Erfindungsgemäß wird dies bei einem Lager der eingangs genannten Art durch die Kombination der kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 erreicht.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung sind darin zu sehen, daß neben der erhöhten Tragfähigkeit aufgrund des kühlen Frischöles auch ein verminderter Ölverbrauch erzielt wird. Dies ergibt sich aus der Tatsache, daß die Gleilflächen in Serie vom Schmieröl durchflossen werden, wobei das aus dem belasteten Axiallager austretende, erwärmte Aböl noch eine ausreichende Tragfähigkeit im wenig belasteten Radiallager und dem unbelasteten Axiallager am zweiten Kammring gewährleistet.

Darüber hinaus wird durch diese Bauart die stark asymmetrische Temperaturverteilung und somit auch die konische Verwerfung an der Lagerscheibe gänzlich verhindert, da der belasteten Gleitfläche nur Frischöl und den unbelasteten Gleitflächen nur erwärmtes Öl zugeführt wird. Dadurch tritt ein Ausgleich auf, da einerseits die große Reibungswärme der belasteten Gleitflächen rasch abgeleitet wird und andererseits an den unbelasteten Gleitflächen, die bisher relativ kühl blieben, die Wärme aufgenommen wird, ohne die Tragfähigkeit zu beeinflussen.

Ein weiterer Vorteil tritt bei Wellen auf, deren Wellenachsen auf Grund von Verformungen während des Betriebes oder Bearbeitungstoleranzen nicht mehr mit der vorgesehenen Achse im Gehäuse übereinstimmen, und liegt darin, daß die Gleitflächen der Kammringe und der Welle gegenüber den Gleitflächen der Lagerscheibe immer planparallel bleiben. Damit wird aber der relativ geringe Schmierspalt, wie er bei spezifisch hoch belasteten Gleitlagern auftritt, nicht beeinflußt und kann somit die geforderte Tragfähigkeit während jedes Betriebszustandes gewährleisten. Dieser Vorteil kann auch bei Wellen ausgenutzt werden, die im Bereich um die kritischen Drehzahlen eines Wellenstranges laufen.

Eine Ausführungsform ist dadurch ausgezeichnet, daß die Lagerscheibe in Achsrichtung durch eine Scheibenfeder mit U-Profil am Gehäuse abgestützt ist, wobei der

Stützrand einen möglichst kleinen Durchmesser aufweisen soll. Dies bietet den Vorteil, daß die Steifigkeit der Abstützung gegenüber dem Kippmoment klein, gegenüber der Axialkraft aber groß gehalten ist. Die Lagerscheibe kann daher einer Auslenkung der Welle leicht folgen, ohne daß der Schmierspalt des belasteten Axiallagers ungleichmäßig wird.

Bei Verwendung einer anderen axialen Abstützung, beispielsweise durch axiale Schraubenfedern, ähnlich einem Kippsegmentlager, kann auch eine Reduzierung zwischen Lagerscheibe und den Federn eingesetzt werden, deren Durchmesser des Stützrandes mindestens an der an der Lagerscheibe anliegenden Seite nahezu dem Außendurchmesser des unbelasteten Kammringes entspricht.

Ferner ist es von Vorteil, daß bei einer elastischen Abstützung der Lagerscheibe am Gehäuse eine durch Kippen der Welle auftretende Ungleichmäßigkeit der Massenverteilung unwirksam bleibt, da die ungleiche Massenverteilung wegen der ruhenden Teile keine Beeinflussung ausübt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der Folge näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Lagerstelle an einem Turbolader,

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie A-A in Fig. 1.

F i g. 1 zeigt im Längsschnitt einen Teil des Gehäuses 2 des Turboladers, in dem eine Lagerstelle der Welle 3 angeordnet ist. Das Gehäuse 2 ist mit ein;m Gehäusedeckel 2a und einem Lagerdeckel 2b versehen, die mittels nicht gezeigten Schraubenbolzen am Gehäuse befestigt sind. Der Lagerdeckel 2b ist mit einer Nase 26 ausgerüstet, an der die Lagerscheibe 1 in Achsrichtung lose anliegt. Ferner ist im Lagerdeckel 2b eine Dichtung 27 untergebracht, die z. B. hier als Berührungsdichtung ausgebildet ist und den Austritt von Schmieröl zwischen Welle 3 und Gehäuse 2 verhindert.

Die Welle 3 ist im Bereich der Lagerstelle dargestellt und mit mehreren Absätzen versehen, wovon einer den Kamm 8 für das Axiallager 4 bildet. Die Lauffläche 9 für das Radiallager 6 schließt daran an und wird durch den auf den nächsten Absatz aufgeschobenen Kammring 10 begrenzt. Dieser ist mit einem Keil oder einer Feder 11 und der Befestigungsmutter 12 an der Welle 3 fixiert.

Die Lagerscheibe 1 ist in die Hülse 13 eingepreßt, wobei die radial elastische Verbindung zum Gehäuse 2 über das Federpaket 14 hergestellt wird, das aus mehreren konzentrischen Ringblechen 14a mit Nocken 15 an deren freien Enden gebildet ist. Die Nocken 15 werden in Ausnehmungen oder Rücksprünge 25 am Gehäuse 2 eingesetzt, so daß eine Drehsicherung für die Ringbleche 14a gebildet ist.

Die Lagerscheibe 1 ist mit mehreren Bohrungen 7 versehen, durch die das Schmieröl 22 von der Zuführung 18 zur Gleitfläche 4', des im Betrieb belasteten Axiallagers 4 gelangt und an den Keilflächen 4a ein Druckpolsler aufbaut.

An der Innenumfangsfläche der Lagerscheibe 1 ist die Gleitfläche 6' des Radiallagers 6 vorgesehen, das mit der Lauffläche 9 der Welle 3 zusammenarbeitet. Die Gleitfläche 6' ist mit Keilflächen 6a, Rastflächen 6b und Schmiernuten 20 versehen, so daß auch hier ein hydrodynamisches Ölpolster im Schmierspalt aufgebaut wird.

An der zweiten Radialfläche der Lagerscheibe 1 ist die während des Betrieoszustandes unbelastete Gleitfläche 5' des Axiallagers 5 angeordnet, die ebenso wie die anderen Gleitflächen 4' und 6' mit Keilflächen 5a und Rastflächen 5b, sowie Schmiernuten 21 ausgerüstet ist Die Gleitfläche 5' des im Betrieb unbelasteten Axial lagers 5 ist durch den Reduzierring 23 umschlossen, dessen Innendurchmesser am Stützrand 24 nahezu gleich dem kleinsten Außendurchmesser des Kammringes 10 ist. Er wird nur soweit vergrößert, daß das Aböl der Lagerstellen ohne Stauung abfließen kann. Der Reduzierring 23 ist mit der anderen Stirnfläche lose an der Lagerscheibe 1 angelegt, wobei der Innendurchmesser an dieser Stirnfläche durch den größten Außendurchmesser des Kammringes 10 und den notwendigen Spalt für das Aböl bestimmt ist. Der Reduzierring 23 weist am Stützrand 24 eine Versetzung auf, in die die U-Profil Scheibenfeder 17 eingreift Diese Scheibenfeder 17 ist ihrerseits mit einer Zentrierlücke am Gehäusedeckel 2a in ihrer Lage fixiert

In F i g. 2 ist ein Querschnitt durch die Lagerstelle dargestellt, wobei für einander entsprechende Teile die gleichen Bezugszeichen wie F i g. 1 verwendet wurden.

Im Gehäuse 2 sind die konzentrischen, mit einem Schlitz versehenen Ringbleche 14a eingesetzt, die ihrerseits die Hülse 13 elastisch, in radialer Richtung, gegenüber dem Gehäuse 2 abstützen.

In die Hülse 13 ist die Lagerscheibe 1 eingepreßt, die den Grundkörper für die in beiden Achsrichtungen wirkenden Axiallager 4, 5 und das Radiallager 6 der Welle 3 bildet. An der sichtbaren Gleitfläche 4' sind die Keilflächen 4a und Rastflächen 46 erkennbar, wobei von der Bohrung 7, durch die das Schmieröl 22 zugeführt wird, radiale Schmiernuten 19 zu den Gleitflächen 6' des Radiallagers 6 führen. Dieses ist gleichfalls mit Keilflächen 6a, Rastflächen 6b und Schmiernuten 20 ausgerüstet, um den hydrodynamischen Druck im Schmierspalt autzubauen.

Zum Zwecke der besseren Übersicht ist auch die unsichtbare Gleitfläche 5' des im Normalbetrieb unbelasteten Axiallagers 5 dargestellt. Die Keilflächen 5a und Rastflächen 5b sowie die Schmiernuten 21 sind mit strichpunktierter Linie eingetragen, um sie deutlich von der Kontur des ebenfalls unsichtbaren Reduzierringes 23 zu unterscheiden. Dieser umschließt das unbelastete Axiallager 5 vollkommen und ist daher eine Art Scheidewand im Strömungsweg des Schmieröls 22. wie schon in F i g. 1 erkennbar.

Die Funktionsweise des Lagers wird nun anhand der beiden Figuren näher erklärt. Das Schmieröl 22 gelangt über die Zuführung 18 und über die Bohrungen 7, die gleich den Keilflächen 4a bis 6a am Umfang angeordnet sind, zum belasteten Axiallager 4. Im Schmierspalt zwischen der Gleitfläche 4' und dem Kamm 8 wird das kalte Öl aufgrund der großen Reibarbeit, Jie durch die Axiallast hervorgerufen wird, erwärmt und fließt über die Keilflächen 4a, die Rastflächen 4b und die Schmiernuten 19 der Gleitfläche 6' des Radiallagers 6 zu.

Zwischen der Lauffläche 9 und den Keil- bzw. Rastflächen 6a bzw. 6b des Radiallagers 6 sind gegenüber dem ersten Lagerteil 4 nur relativ schwache Traglasten vorgesehen, d. h. das bereits erwärmte Schmieröl 22 wird nur wenig weiter erwärmt und verliert seinerseits wenig an Viskosität, die zum Druckaufbau bzw. zur Tragfähigkeit notwendig ist.

Dieselbe Tatsache gilt für das zweite Axiallager 5, dessen Gleitfläche 5' während des Normalbetriebs keine Traglast aufzunehmen hat. Nur bei Laständerung oder

beim Auslaufen ist eine kurzzeitige Belastung dieses Lagers notwendig, wobei aber auch die Traglast am Hauptaxiallager 4 vermindert wird. Dadurch bleibt aber die Öltemperatur des die Lager 4 und 6 in Serie durchlaufenden Schmieröls vor dem zweiten Axiallager 5 niedriger als bei Betriebszustand, wodurch wiederum die Tragfähigkeit günstig beeinflußt wird. Hierdurch wird automatisch bei jedem Betriebszustand dem jeweils belasteten Axiallager 4 oder 5 relativ kaltes Öl zugeführt und damit die spezifische Belastung verbessert. In der Praxis bedeutet dies kleinere Lager und Platzeinsparung, aber außerdem geringeren Schmierölverbrauch. Ferner kann durch die verminderte öltemperatur und die gleichmäßigere Temperaturverteilung auf weniger warmfestes Material für die Gleitflächen übergegangen werden, so daß sowohl Herstellungs- als auch Betriebskosten gesenkt werden.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, die Scheibenfeder durch Tellerfedern oder am Umfang verteilt angeordnete Schraubenfedern zu ersetzen, oder das radial elastische Abstützglied im Gehäuse gegen einen hydroelastischen Balg auszutauschen.

In Abweichung von dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist es möglich, den starren Flansch 2a durch einen federnden Flansch, z. B. aus radialen Blattfedern, zu ersetzen, so daß die im Ausführungsbeispiel gezeigte Scheibenfeder 17 in der Funktionsweise mit der Abstützung vereinigt werden könnte.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Hydrodynamisches kombiniertes Axial- und Radiallager für rasch umlaufende Wellen von Abgasturboladern, bei dem eine fest in eine Hülse eingesetzte Lagerscheibe radial elastisch über einen Abstützring im Turboladegehäuse angeordnet und mit dem Gehäuse drehfest verbunden ist, die Lagerscheibe an ihren radial verlaufenden Endflächen sowie an ihrer axial verlaufenden Innenumfangsfläche mit Schmiernuten, Keil- und Rastflächen versehen ist, um mit zwei auf der Welle befestigten Kammringen Axiallager sowie mit der WdIe selbst ein Radiallager zu bilden, und das Schmieröl über eine Bohrung in der Lagerscheibe an die Lagerflächen geführt wird, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) die Lagerscheibe (1) ist mittels axial federnder Elemente (17) am Gehäuse (2a) radial so weit innen elastisch abgestützt, daß die Abstützung gegen Axialschub praktisch steif und gegenüber Kippmomenten nachgiebig wirkt,

b) die Schmierölzuführung erfolgt zunächst über die Bohrung (7) in der Lagerscheibe (1) in das im Normalbetrieb belastete Axiallager (4, 4', 4a, 4b), darauf in das Radiallager (6, 6', 6a, 6b) und schließlich in das normalerweise unbelastete Axiallager (5, 5', 5a, 5b), von wo es zwischen dem Kammring (10) und der Lagerscheibe austritt.

2. Lager nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Scheibenfeder mit U-Profil als axial federndes Element.

3. Lager nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Flansch als axial federndes Element.

4. Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen zwischen Lagerscheibe (1) und axial federndes Element (17) eingesetzten Reduzierring (23).