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Anmelder: Aktiengesellschaft Kühnle, Kopp & Kausch
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6710 Frankenthal Radialgleitlager für die Welle schnell laufender
Maschinen, insbesondere für Abgasturbolader Die Erfindung betrifft ein Lager für
schnell laufende Wellen, Wie sie insbesondere bei Abgasturboladern verwendet wird,
wobei das Lager als Radial-Gleitlager mit einer oder zwei schwimmenden Büchsen ausgebildet
ist.
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Zweck der Erfindung ist die Erhöhung der Betriebssicherheit und der
Lebensdauer sowie die Verminderung der Reibungsverluste solcher Lager Abgasturbolader
werden in einem sehr großen Drehzahlbereich, der sich von 0 bis über 100.000 U/min
erstrecken kann, betrieben.
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Dabei liegen die biegekritischen Drehzahlen innerhalb des Betriebsdrehzahlbereiches
und man muß durch besondere Dämpfungsmaßnahmen die Resonanzamplituden der biegekritischen
Drehzahlen klein halten. Hierfür hat sich die sogenannte äußere Lagerdämpfung mit
Quetschöldämpfern bewährt.
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Für die hohen erforderlichen Drehzahlen werden vorzugsweise Gleitlager
verwendet. Wälzlager erreichen keine hinreichend hohe Lebensdauer. Bei den Gleitlagern
wird der Quetschöldämpfer dadurch gebildet, daß die eigentliche Lagerbüchse mit
Spiel in das Lagergehäuse eingesetzt wird. Man spricht dann von einer schwimmenden
Büchse. Das Spiel zwischen dem Lagergehäuse und der Lagerbüchse hat, bezogen auf
den Durchmesser, etwa die gleiche relative Größe wie das Spiel zwischen der Lagerbüchse
und der Welle.
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Den Spalten zwischen Welle und Lagerbüchse sowie zwischen Lagerbüchse
und Lagergehäuse wird, wie bei Gleitlagern üblich, Schmieröl Zugeführt. Die Form
und die Größe der Spalte beeinflussen die
Wirksamkeit der Lagerung
hinsichtlich ihrer Dämpfungseigenschaften. Von besonderem Einfluß ist aber auch
die Art der Schmierölzuführung. Besonders wenn, wie bei Abgasturboladern, die Drehzahl
während des Betriebes stark vergrößert wird, müssen Spiele, Spalt- und Bohrungsformen
und die Art der ölzufuhr so abgestimmt sein, daß der Schmierölfilm nicht abreißt
und die Dämpfungseigenschaften immer erhalten bleiben. Wenn diese sorgfältige Abstimmung
nicht gegeben ist, kommt es zu unerwünscht großen Bewegungen der Welle und des Rotors,
die zur Zerstörung führen können.
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Gleitlager mit schwimmenden Büchsen bzw. Quetschöldämpfung sind bekannt,
z. B. deutsche PS 489 784, deutsche PS 713 099, deutsche PS 1 243 465 und deutsche
6 608 771.
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Zur Beurteilung der bekannten Lösungen werden heute aber nicht nur
die Dämpfungseigenschaften herangezogen, sondern vor allem auch die Höhe der Lagerverluste.
Gerade bei Abgasturboladern kommt es entscheidend auf geringe Lagerverluste und
möglichst gutes Beschleunigungsverhalten an. Diese Eigenschaften sind besonders
bei Abgasturboladern für Landfahrzeuge von größter Bedeutung.
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Es sind Ausführungen bekannt, bei denen zwei getrennte Lagerbüchsen
(z. B. PS 1 243 465) oder eine größere Lagerbüchse mit zwei Lagerstellen (z. B.
GM 6 608 771) verwendet werden. Dabei rotieren die Lagerbüchsen mit etwa der halben
Wellendrehzahl frei mit. Es gibt auch Ausführungen, bei denen die Büchsen am Rotieren
gehindert werden.
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Die Zufuhr des Schmieröls zu den Spalten zwischen Welle und Lagerbüchse
sowie zwischen Lagerbüchse und Lagergehäuse erfolgt bei bekannten Ausführungen zum
Teil radial über Bohrungen in der Lagerbüchse, die durch einzelne Bohrungen im Lagergehäuse
mit öl versorgt werden, oder auch axial von den Stirnseiten der Lagerbüchsen her,
wobei das Öl zentral zugeführt wird.
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Bei der ölzufuhr über radiale Bohrungen wird insbesondere am Außendurchmesser
der Lagerbüchse die Ausbildung eines durchgehenden Quetschölfilms behindert Die
radialen Bohrungen bewirken außerdem einen höheren Reibungsverlust, da die Lagerbüchse
selbst mitrotiert und dabei hohe Drehzahlen erreichen kann.
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Bei der axialen ölzuführung wird auch der zwischen den Lagerstellen
liegende Teil der Welle vom Schmieröl benetzt, was bei den hohen Wellendrehzahlen
zu hohen zusätzlichen Reibungsverlusten führt. Der einseitige öldruck auf die eine
Stirnseite der Lagerbüchsen erzeugt außerdem eine Axialkraft, die von Anlaufbunden
aufgenommen werden muß, wodurch zusätzliche Reibungskräfte entstehen, die die Verluste
der Lagerung weiter erhöhen.
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Die Erfindung geht von einem Radialgleitlager aus, wie es aus der
DT-PS 1 243 465 bekannt ist. Dieses Radialgleitlager für die Welle- schnell laufender
Maschinen weist wenigstens eine im Gehäuse schwimmend angeordnete Lagerbüchse auf,
die mit der Welle und dem Gehäuse einen äußeren und einen inneren Ringspalt bildet,
wobei die Weite dieser Ringspalte größer ist als das bei Gleitlagern übliche Spiel,
und weist weiterhin einen drehfest angeordneten Anlaufbund auf, gegen welchen die
Lagerbüchse durch das Schmiermittel gehalten ist, welches den beiden Ringspalten
von der dem Anlaufbund abgekehrten Büchsenstirnfläche her unter Druck aus einer
mit einem Einlaß versehenen Kammer des Gehäuses zugeführt wird und diese Büchsenstirnfläche
beaufschlagt.
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Bei diesem bekannten Lager ist der äußere Ringspalt ebenso weit wie
der innere Ringspalt, und da beide Ringspalte über ihren gesamten Umfang mit Schmiermittel
beaufschlagt werden, werden sie annähernd von gleichen Schmiermittelmengen durchflossen.
Da jedoch der äußere Ringspalt wegen der erforderlichen Dämpfung in stärkerem Maße
beansprucht ist, richtet sich die Menge des durchfließenden Schmiermittels nach
den Erfordernissen des äußeren Ringspaltes, sodaß der innere Ringspalt von mehr
Schmiermittel durchflossen
wird, als dies eigentlich erforderlich
wäre. Dies ist unerwünscht da das den inneren Ringspalt durchfließende Schmiermittel
mit der Welle einen Reibungsverlust erzeugt und somit den Wirkungsgrad vermindert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabenstellung zugrunde, die Menge des den
inneren Ringspalt durchfließenden Schmiermittels auf das erforderliche Maß zu begrenzen,
um den Wirkungsgrad der schnell laufenden Maschine zu erhöhen.
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Diese Aufgabenstellung wird bei einem Radialgleitlager der eingangs
angegebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen der Kammer und dem
inneren Ringspalt ein Drosselspalt vorgesehen ist. Die Weite dieses Drosselspaltes
wird derart eingestellt, daß den Ringspalten gezielt unterschiedliche ölmengen zugeführt
werden und jeder Ringspalt gerade soviel Schmiermittel erhält, wie für seine Funktion
erforderlich ist. Es hat sich gezeigt, daß durch diese einfache bauliche Maßnahme
der Wirkungsgrad verbessert werden kann.
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Unter Beibehaltung des Prinzips der Quetschöldämpfung zwischen Lagerbüchse
und Lagergehäuse kann das eigentliche Radiallager zwischen Welle und Lagerbüchse
nach hydrodynamischen Grundsätzen ausgelegt werden, wobei an dieser Stelle nur soviel
Schmieröl zugeführt wird, wie nötig ist, um die Lagerreibungswärme und von außen
zufließende Wärme abzuführen. Die genau bemessene Ölzufuhr ist eine wesentliche
Voraussetzung für geringe Reibungsverluste.
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Dabei erfolgt die Schmierölzufuhr so, daß der zwischen den Lagern
liegende Teil der Welle weitgehend ölfrei läuft und vor allem nicht in einem druckölgefüllten
Raum rotieren muß.
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Eine zu starke axiale Anpressung der Lagerbüchsen an die stirnseitigen
Lagerbunde wird vermieden und somit ihre Rotation mit etwa der halben Wellendrehzahl
nicht behindert. Der erfindungsgemäße Drosselspalt bewirkt, daß nicht die gesamte,
aufgrund des
Ölpumpendruckes und der Zuleitungsquerschnitte verfügbare
Schmierölmenge durch die Lagerspalte gedrückt wird, sondern daß eine über die Weite
des Drosselspaltes genau einstellbare Ölmenge durch den Lagerspalt zwischen Welle
und Lagerbüchse fließt.
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So ist es z. B. möglich, bei einem Abgasturbolader den Öldurchfluß
am- turbinenseitigen Lager wegen des erhöhten Wärmeanfalles größer als am verdichterseitigen
Lager einzustellen. Dem äußeren Spalt zwischen Lagerbüchse und Lagergehäuse hingegen
wird die für den Quetschöl-Dämpfungseffekt erforderliche Ölmenge ungedrosselt zugeführt.
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Da zur individuellen Einstellung der durch die Lager fließenden ölmengen
für jedes Lager eine eigene ölzuführung benötigt wird, entfällt die bei stirnseitiger
Beaufschlagung der Lagerbüchsen übliche zentrale Mittenölzufuhr und die Welle bleibt
zwischen den Lagern weitgehend ölfrei, so daß eine Abbremsung der Welle durch öl
außerhalb der Lager nicht stattfindet. Die Reibungsverluste werden hierdurch vermindert.
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Zur Bildung des Drosselspaltes ist vorteilhaft ein Drosselring vorgesehen,
welcher mit der Büchsenstirnfläche den Drosselspalt bildet und dessen sich radial
erstreckender Flansch die Kammer auf der der Büchsenstirnfläche abgewandten Seite
begrenzt. Bei Verwendung eines derartigen Drosselringes kann man die Lagerbüchse,
die mit äußerster Präzision hergestellt werden muß, in üblicher Weise in sehr einfacher
Gestalt herstellen, das heißt mit zylindrischer Außenfläche und zylindrischer Innenfläche
sowie Stirnflächen.
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mit zur Welle senkrechten Weiterhin wird durch die Verwendung des
erfindungsgemäßen Drosselringes die Möglichkeit geschaffen, durch Verwendung verschieden
dimensionierter Drosselringe die Ölzuflußbedingungen zu den beiden Lagerspalten
gezielt einzustellen.
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Man kann also das gleiche Lager an verschiedenen Stellen verwenden,
wo aufgrund unterschiedlicher Belastungen durch Verwendung jeweils eines geeigneten
Drosselringes unterschiedliche ölzufuhren eingestellt werden können.
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Vorteilhaft trägt der Drosselring einen Flansch, welcher mit der Büchsenstirnfläche
den Drosselspalt bildet. Die axiale Erstreckung dieses Flansches ist vorteilhaft
etwa so groß wie die axiale Erstreckung des in die Kammer mündenden Ölzufuhreinlasses,
so daß der Drosselring die axiale Erstreckung der Kammer nicht vermindert und die
Ölzufuhr zum äußeren Ringspalt somit nicht behindert.
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Vorteilhaft ist der Abstand des sich axial erstreckenden Flansches
von der Welle geringer als die Weite des inneren Ringspaltes. Auf diese Weise wird
erreicht, daß das durch den Drosselspalt zufließende Öl bevorzugt durch den inneren
Ringspalt zwischen der Lagerbüchse und der Welle weiterfließt und möglichst wenig
Öl durch den engeren Spalt zwischen dem sich axial erstreckenden Flansch des Drosselringes
und der Welle durchtritt, wo dieses öl nur unnötige Reibungsverluste erzeugt. In
besonders vorteilhafter Weise werden diese Reibungsverluste erfindungsgemäß dadurch
vermindert, daß dieses zwischen dem Drosselring und der Welle durchtretende Öl sich
in einer radial inneren Ringkammer entspannt. Diese Druckverminderung hat eine entsprechende
Verminderung der Reibungsverluste zur Folge.
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Diese besonders vorteilhafte konstruktive Lösung ist erfindungsgemäß
dadurch gekennzeichnet, daß der sich axial erstreckende Flansch radial nach innen
zwei Ansätze trägt, die zwischen sich eine radial innere Ringkammer begrenzen und
deren Abstand von der Welle geringer ist als die Weite des inneren Ringspaltes.
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Die dem Ringraum zugewandte Fläche des sich achsparallel erstreckenden
Flansches weist vorteilhaft eine zur Büchsenstirnfläche offene Stufe auf, welche
mit der Büchsenstirnfläche einen Ringraum umschließt. Dieser Ringraum stellt eine
besonders
gleichmäßige Versorgung des Drosselspaltes sicher.
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Der Drosselring ist vorteilhaft drehfest angeordnet, damit keine ungewünschten
Leckstellen auftreten und die Drossel-Spaltweite exakt erhalten bleibt.
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Zur Verminderung der Reibungsverluste zwischen der Lagerbüchse und
dem drehfesten Anlaufbund ist vorteilhaft zwischen diesen beiden Teilen eine rotierende
Anlaufscheibe angeordnet.
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VorteiIhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind schematisch in
den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 einen Abgasturbolader im achsparallelen
Schnitt, um die Anordnung der erfindungsgemäßen Lager zu zeigen, Fig. 2, 3, 4 verschiedene
erfindungsgemäße Ausbildungen des Lagers, sowie Fig. 5 ein Detail aus Fig. 4.
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In Fig. 1 ist 1 die schnell laufende Welle des Abgasturboladers.
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An ihrem linken Ende ist das Verdichterlaufrad 2, auf ihrem rechten
Ende das Turbinenrad 3 befestigt. Die Welle ist zweifach gelagert, wobei die Lager
4 nach einer Ausführungsvariante der Erfindung ausgebildet sind. Das für Schmierung
und Dämpfung benötigte öl wird durch den Einläß 5 unter Druck zugeführt und vert-eilt
sich durch einzelne Bohrungen 6 auf die beiden Lager 4.
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Das zwischen den Lagern 4 liegende Wellenstück wird nicht von Drucköl
umgeben. Das in den Lagern 4 entspannte Öl läuft über
den Sammelraum
7 und den Austritt 8 ab.
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Die erfindungsgemäße Lagerung wird in Fig. 2 beschrieben.
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Fig. 2 gibt das linke der beiden Lager aus Fig. 1 wieder.
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Zwischen der schnell laufenden Welle 1 und dem ruhenden Lagergehäuse
10 rotiert aufgrund der ölzähigkeit mit etwa der halben Wellendrehzahl die schwimmende
Lagerbüchse 11. Dem inneren Lagerspalt 12 zwischen Welle 1 und Lagerbüchse 11 und
dem äußeren Lagerspalt 13 zwischen Lagerbüchse 11 und Lagergehäuse 10 wird das Öl
über die Bohrung 6 und den Ringraum 15 zugeführt. Das Öl kann dabei ungehindert,
d. h. mit vollem Druck in den äußeren Lagerspalt 13 gelangen, so daß dort eine gute
Quetschöldämpfung erreicht wird, Dem inneren Lagerspalt 12 dagegen wird zur Reduzierung
von Reibungsverlusten nur so viel Öl zugemessen, wie für Schmierung und Wärmeabfuhr
notwendig ist. Hierzu tritt das Öl durch den Drosselspalt 16, der von der Stirnseite
der Lagerbüchse 11 und dem sich achsparallel erstreckenden Flansch 17 des Drosselringes
17/20 gebildet wird. Bei den in großen Stückzahlen hergestellten Abgasturboladern
genügt zur schmierungstechnischen Anpassung an einen bestimmten Motortyp lediglich
die richtige Auswahl des Dosierringes 17.
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Der Axialschub, den das Drucköl in Fig. 2 nach links auf die Lagerbüchse
11 ausübt, wird von einem feststehenden Anlaufbund 18 aufgenommen. Die Schmierung
zwischen Anlaufbund 18 und Lagerbüchse 11 übernimmt das am äußeren Lagerspalt 13
heraustretende Quetschöl. Der Anlaufbund 18 und der Drosselring 17/20 werden axial
von den Sicherungsringen 19 gegen Verschieben gesichert.
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In Fig. 3, die im übrigen Fig. 2 entspricht, ist zwischen der Lagerbüchse
11 und dem feststehenden Anlaufbund 18 eine rotierende Anlaufscheibe 22 dargestellt.
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Fig. 4 zeigt eine speziellere und vorteilhaftere Ausführungsform des
Drosselringes 17/20, der im Detail und erheblich vergrößert nochmals in Fig. 5 dargestellt
ist. Bei dieser Ausführungsform
trägt der sich axial erstreckende
Flansch 17 des Drosselringes 17/20 radial nach innen zwei Ansätze 29 und 30.-Diese
Ansätze haben von der Welle 1 einen Abstand, der geringer ist als die Weite des
inneren Ringspaltes 12@, damit das durch den Drosselspalt 16 durchtretende Öl den
Weg durch den inneren Ringspalt 12 bevorzugt. Das zwischen den Ansätzen 29 und 30
durchtretende Öl bewirkt insbesondere deshalb eine Abbremsung der Welle 1 durch
Reibungsverluste, als es unter Druck steht. Dieser Druck wird durch die erfindungsgemäße
Ringkammer 31- abgebaut, da sich das durch den Spalt-zwischen dem Ansatz 29, der
der Büchsenstirnfläche 9 benachbart ist, und der Welle 1 durchtretende öl unmittelbar
in dieser Ringkammer entspannt. Die Reibungsverluste der Welle außerhalb der Lagerungen
werden somit vermindert.
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Der Ansatz 29 schließt mit der Büchsenstirnfläche 9 den Ringspalt
16 ein. Der andere Ansatz 30 ist radial nach innen die Verlängerung des sich radial
erstreckenden Flansches 20, und sowohl der Flansch 20 als auch der Ansatz 30 liegen
dem Sicherungsring 19 an.
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In der zylindrischen, sich achsparallel erstreckenden Fläche 23 des
Flansches 17, welcher radial nach innen den Ringraum 15 begrenzt, ist eine Eindrehung
vorgenommen, welche eine zur Büchsenstirnfläche 9 offene Stufe 24 bildet. Diese
Stufe 24 begrenzt einen kleinenRingraum 27, welcher eine gleichmäßigere Verteilung
des Öls auf den Ringspalt 16 begünstigt.
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L e e r s e i t e