DE2633481C3 - Radialgleitlager für die Welle schnell laufender Maschinen, insbesondere für Abgasturbolader - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft; ein Radialgleitlager für die Welle schnell laufender Maschinen, mit wenigstens einer im Gehäuse schwimmend angeordneten Lagerbuchse, die mit der Welle und dem Gehäuse einen äußeren und einen inneren Lagerspalt bildet, wobei die Weite dieser Lagerspalte größer ist als das bei Gleitlagern übliche Spiel, und mit einem drehfest angeordneten Anlaufbund, gegen welchen die Lagerbuchse durch das Schmiermittel gehalten ist, das den beiden Lagerspalten von einer Ringkammer zugeführt wird, welche an die dem Anlaufbund abgekehrte

ίο Buchsenstirnfläche und den äußeren Lagerspalt grenzt. 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 t/'strecken kann, betrieben. Dabei liegen die biegekritischen Drehzahlen innerhalb des Betriebsdrehzahlbereiches und man muß durch besondere Dämpfungsmaßnahmen die Resonanzamplituden der biegekiitischen Drehzahlen klein halten. Hierfür hat sich die sogenannte äußere Lagerdämpfung mit Quetschöldämpfern be-Wanrt.

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 Lagerbuchse rpit Spiel in das Lagergehäuse eingesetzt wird. Man spricht dann von einer schwimmenden Lagerbuchse. Das Spiel zwischen dem Lagergehäuse und der Lagerbuchse hat, bezogen auf den Durchmesser, etwa die gleiche relative Größe wie das Spiel zwischen der Lagerbuchse und der Welle.

Den Lagerspalten zwischen Welle und Lagerbuchse sowie zwischen Lagerbuchse und Lagergehäuse wird,

J5 wie bei Gleitlagern üblich, Schmieröl zugeführt. Die Form und die Größe der Lagerspalte beeinflussen die Wirksamkeit der Lagerung hinsichtlich ihrer Dämpfungseigenschaften. Von besonderem Einfluß ist aber auch die Art der Schmierölzuführung. Besonders wenn, wie bei Abgasturboladern, die Dre.¹ ?ahl 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.

Gleitlager mit schwimmenden Lagerbuchsen bzw. Quetschöldämpfung sind z. B. aus den DE-PS 4 89 784. DE-PS 7 13 099. DEPS 12 43 465 und DE-GM 66 08 771 bekannt.

Der Wert der bekannten Konstruktionen wird nicht nur an den Dämpfungseigenschaften, sondern vor allem an der Höhe der Lagerverluste beurteilt. 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.

Es sind Ausführungen bekannt, bei denen zwei getrennte Lagerbuchsen (z, B. DE-PS 12 43 465) oder eine größere Lagerbuchse mit zwei Lagerslellen (z. B. DE-GM 66 08 771) verwendet werden. Dabei rotieren

die Lagerbuchsen mit etwa der halben Wellendrehzahl frei mit. Es gibt auch Ausführungen, bei denen die Lagerbuchsen am Rotieren gehindert werden. Die Zufuhr des Schmieröls zu den Lagerspalten

zwischen Welle und Lagerbuchse sowie zwischen Lagerbuchse und Lagergehäuse erfolgt bei bekannten Ausführungen zum Teil radial über Bohrungen in der Lagerbuchse, die durch einzelne Bohrungen im Lagergehäuse mit öl versorgt werden, oder auch axial von ·-, den Stirnseiten der Lagerbuchsen her, wobei das öl zentral zugeführt wird.

Bei der ölzufuhr über radiale Bohrungen wird insbesondere am Außendurchmesser der Lagerbuchsen die Ausbildung sines durchgehenden Quetschölfilms behindert Die radialen Bohrungen bewirken außerdem einen höheren Reibungsverlust, da die Lagerbuchse selbst raitrotiert und dabei hohe Drehzahlen erreichen kann.

Bei der axialen ö'zufühmng wird auch der zwischen is den Lagerstellen liegende Teil der Welle vom Schmieröl benetzt, was bei den hohen Wellendrehzahlen zu hohen zusätzlichen Reibungsverlusten führt.

Die Erfindung geht von einem Radialgleitlager aus, wie es aus der DE-PS 12 43 465 bekannt ist. Dieses >o Radialgleitlager für die Welle schnell laufender Maschinen weist wenigstens eine im Gehäuse schwimmend angeordnete Lagerbuchse auf, die mit fter WdIe und dem Gehäuse einen äußeren und einen inneren Lagerspalt bildet, wobei die Weite dieser Lagerspalte größer ist als das bei Gleitlagern übliche Spiel, und weist weiterhin einen drehfest angeordneten Anlaufbund auf, gegen welchen die Lagerbuchse durch das Schmiermittel gehalten ist, das den beiden Lagerspalten von einer Ringkammer zugeführt wird, welche an die dem Anlaufbund abgekehrte Buchsenstirnfläche und den äußeren Lagerspalt grenzt

Bei diesem bekannten Lager ist der äußere Lagerspalt ebenso weit wie der innere Lagerspalt, und da beide Lagerspalte über ihren gesamten Umfang mit ji Schmiermittel beaufschlagt werden, werden sie von annähernd gleichen Schmiermittelmengen durchflossen. Da jedoch der äußere Lagerspalt wegen der erforderlichen Dämpfung in stärkerem Maße beansprucht ist, richtet sich die Menge des durchfließenden Schmiermittels nach de' Erfordernissen des äußeren Lagerspaltes, so daß der innere Lagerspalt von mehr Schmiermittel durchflossen wird, als dies eigentlich erforderlich wäre. Dies ist unerwünscht, da das den inneren Lagerspalt durchfließende Schmiermittel mit der Welle einen Reibungsverlust erzeugt und somit den Wirkungsgrad vermindert

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Menge des den inneren Lagerspalt durchfließenden Schmiermittels auf das erforderliche Maß zu begrenzen, um den Wirkungsgrad der schrill laufenden Maschine zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird bei einem Radialgleitlager der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen der Ringkammer und dem inneren Lagerspalt ein zwischen der ringkammerseitigen Buchsenstirnfläche und einem zur Welle hin im wesentlichen abdichtenden Drosselring ausgebildeter Drosselspalt vorgesehen ist und daß die Ringkammer sich axial von der Lagerbuchse weg nur bis *u einer vom Drosselring gebildeten Rinßwand erstreckt und radial weiter außen liegt als der innere Lage^spalt. Die Weite des Drosselspaltes Wird derart gewählt, daß den LägerspaU ten gezielt unterschiedliche (/!mengen zugeführt wer* den und jeder Lagerspalt gerade soviel Schmiermittel erhält, wie für seine Funktion «^forderlich ist, Es hat sich gezeigt, daß durch diese einfache bauliche Maßnahme der Wirkungsgrad verbessert Werden kann,

Unter Beibehaltung des Prinzips der Quetschöldämpfung zwischen Lagerbuchse und Lagergehäuse kann das eigentliche Radiallager zwischen Welle und Lagerbuchse nach hydrodynamischen Grundsätzen ausgeleg; 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. 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.

Eine zu starke axiale Anpressung der Lagerbuchsen 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 durc;; den Lagerspalt zwischen Welle und Lagerbuchse fließt 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 Lagerspalt zwischen Lagerbuchse und Lagergehäuse hingegen wird die für den Quetschöl-Dämpfungseffekt erforderliche Ölmenge ungedrosselt zugeführt.

Da die Ringkammer sich nur zwischen der Lagerbuchse und dem Drosselring erstreckt, da ihr (ebenso wie gemäß der DE- PS 12 43 465) das öl radial zugeführt wird und da weiterhin zur individuellen Einstellung der durch die Lager fließenden Ölmengen für jedes Lager eine eigene Ölzuführung benötigt wird, entfällt die 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

Der Drosselspalt erstreckt sich über einen Teil der ringkammerseitigen Buchsenstirnfläche. Dies hat zur Folge, daß dieser den Drosselspalt begrenzende Abschnitt der Buchsenstirnfläche nur mi' dem im Drosselspalt herabgesetzten Öldruck beaufschlagt wird. Der einseitige Öldruck auf die ringkammerseilige Buchsenstirnfläche und somit die vom Anlaufbund aufzunehmende Axialkraft wird daher vermindert. Hierdurch wird die Reibung zwischen der Lagerbuchse und dem Anlaufbund herabgesetzt und der Wirkungsgrad verbessert.

Die Verwendung eines Drosselringes hat auch den Vorteil, daß man die Lagerbuchse, die mit äußerster PräZisicn hergestellt werden muß, in üblicher Weise in sehr einfacher Gestalt herstellen kann, das heißt mit zylindrischer Außenfläche und zylindrischer Innenfläche sowie mit zur Welle senkrechten StirnHächen. Weiterhin wird durch die Verwendung des Drosselringes die Möglichkeit geschaffen, mittels verschieden dimensionierter Drosselringe die ölzuflußbedingungen zu den beiden Lagerspalten gezielt auszuwählen. Man kann also das gleiche Lager an verschiedensn Stellen verwenden, Wo aufgrund unterschiedlicher Belastungen mittels jeweils eines geeigneten Drosselringes unterschiedliche ölztiiuh-en eingestellt werden können,

Vorteilhaft trägt der Drosselring in Richtung zur ringkammerseitigen Buchsenstirnfläche einen Flansch,

welcher mit der Buchsenstirnfläche den Drosselspalt bildet. Die axiale Erstreckung dieses Flansches ist etwa so groß wie die axiale Erstreckung des in die Ringkammer mündenden ölzufuhreihlasses, so daß der Drosselring die axiale Erstreckung der Ringkanimer nicht vermindert und die Ölzufuhr zum äußeren Lagerspalt somit nicht behindert.

Vorteilhaft ist der Abstand des sich axial erstreckenden Flansches von der Welle geringer als die Weite des inneren Lagerspaltes. Auf diese Weise wird erreicht, daß das durch den Drosselspalt zufließende Öl bevorzugt durch den inneren Lagerspalt zwischen der Lägerbuchse und der Welle weiierfließt 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 erfindungsgemäQ dadurch vermindert, daß dieses zwischen dem Drosselring und der Welle durchtretende Öl sich in einem radial inneren Ringraum entspannt. Diese Druckverminderung hat eine entsprechende Verminderung der Reibungsverluste zur Folge. Diese besonders vorteilhafte konstruktive Lösung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der sich axial erstreckende Flansch radial nach innen zwei Ansätze trägt, die zwischen sich einen radial inneren Ringraum begrenzen und deren Abstand von der Welle geringer ist als die Weite des inneren Lagerspaltes.

Die ringkammerseitige Fläche des sich achsparallel erstreckenden Flansches weist vorteilhaft eine zur ringkammerseitigen Buchsenstirnfläche offene Stufe auf. welche mit der Buchsenstirnfläche eine Ringnische umschließt. Diese Ringnische stellt eine besonders gleichmäßige Versorgung des Drosselspaltes sicher.

Der Drosselring ist vorteilhaft drehfest angeordnet, damit keine ungewünschten Leckstellen auftreten und die Drosselspaltweite exakt erhalten bleibt.

Zur Verminderung der Reibungsverluste zwischen der Lagerbuchse und dem drehfesten Anlaufbund ist vnrtpilhaft zwischen diesen beiden Teilen eine rotierende Anlaufscheibe angeordnet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind schematisch in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 einen Abgasturbolader im achparallelen Schnitt, um die Anordnung der erfindungsgemäßen Lager zu zeigen.

F i g. 2. 3. 4 verschiedene erfindungsgemäße Ausbildungen des Lagers sowie

F i g. 5 ein Detail aus F i g. 4.

In Fig. 1 ist die schnell laufende Welle 1 des Abgasturboladers gezeigt. 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 Ausfühningsvariante der Erfindung ausgebildet sind. Das für Schmierung und Dämpfung benötigte Öl wird durch den Einlaß 5 unter Druck zugeführt und verteilt sich durch einzelne Bohrungen 6 auf die beiden Lager 4. 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.

Fig.2 gibt das linke der beiden Lager aus Fig. I wieder. Zwischen der schnell laufenden Welle 1 und dem ruhenden Lagergehäuse iö rotiert aufgrund der Ölzähigkeit mit etwa der halben Wellendrehzahl die schwimmende Lagerbuchse 11. Dem innerer? Lagerspalt 12 zwischen Welle 1 und Lagerbuchse 11 und den! äußeren Lagerspalt 13 zwischen Lagerbuchse 11 und Lagergehäuse 10 wird das Öl über die Bohrung 6 und die Ringkammer 15 zugeführt. Das öl kann dabei ungehindert, d. h; mit vollem Druck, in den äußeren Lagerspalt 13 gelangen, so daß dort eine gute Qüetschöldämpfung erreicht wird. Dem inneren Lager-

spalt 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 9 der Lagerbuchse U und dem sich achsparallel erstrecken-

H den Flansch 17 des Drosselringes gebildet wird. Bei den in großen Stückzahlen hergestellten Abgasturboladern genügt zur schmierungstechnischen Anpassung an einen bcsiiiTiffiicri iriotürtyp lediglich die richtige Bemessung des die Dosierung bewirkenden Flansches 17 des Drosselringes.

Der Axialschub, den das Drucköl in Fig. 2 nach links auf die Buchsenstirnfläche 9 ausübt, wird von einem feststehenden Anlaufbund 18 aufgenommen. Die Schmierung zwischen Anlaufbund 18 und Lagerbuchse

H 11 übernimmt das am äußeren Lagerspalt 13 heraustretende Quetschöl. Der Anlaufbund 18 und der Drosselring wt fden axial von den Sicherungsringen 19 gegen Verschieben gesichert.
In Fig. 3, die im übrigen Fig.2 entspricht, ist

in zwischen der Lagerbuchse 11 und dem feststehenden Anlaufbund 18 eine rotierende Anlaufscheibe 22 dargestellt.

Fig.4 zeigt eine speziellere und vorteilhaftere Ausführungsform des Drosselringes, der im Detail und

π erheblich vergrößert nochmals in Fi g. 5 dargestellt ist. Bei dieser Ausführungsform trägt der sich axial erstreckende Flansch 17 des Drosselringes radial nach innen zwei Ansätze 29 und 30. Diese Ansätze haben von der Welle 1 einen Abstand, der geringer ist als die Weite

m> des in: eren Lagerspaltes 12, damit das durch den Drosselspalt 16 durchtretende öl im wesentlichen den Weg lurch den inneren Lagerspalt 12 nimmt. Das zwisch ;n den Ansätzen 29 und 30 durchtretende Öl bewirkt insbesondere deshalb eine Abbremsung der

■n Welle 1 durch Reibungsverluste, weil es unter Druck steht. Dieser Druck wird durch den erfindungsgemäßen Ringraum 31 abgebaut, da sich das durch den Spalt zwischen dem Ansatz 29. der der Buchsenstirnfläche 9 benachbart ist. und der Welle 1 durchtretende öl

5" unmittelbar in diesem Ringraum entspann' Die Reibungsverluste der Welle außerhalb der Lager werden somit vermindert.

Der Ansatz 29 schließt mit der Buchsenstirnfläche 9 den Drosselspalt 16 ein. Der andere Ansatz 30 ist radial

" nach innen die Verlängerung der Radialwand 20 und sowohl die Radialwand 20 als auch der Ansatz 30 liegen dem Sicherungsring 19 an.

In der zylindrischen, sich achsparallel erstreckenden Räche 23 des Flansches 17, welche (23) radial nach

w» innen die Ringkammer 15 begrenzt, ist eine Eindrehung vorgenommen, welche eine zur Buchsenstirnfläche 9 offene Stufe 24 bildet- Diese Stufe 24 begrenzt eine kleine Ringnische 27, welche eine gleichmäßigere Verteilung des Öls auf den Drosselspalt 16 begünstigt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungea

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Radialgleitlager für die Welle schnell laufender Maschinen, mit wenigstens einer im Gehäuse schwimmend angeordneten Lagerbuchse, die mit der Welle und dem Gehäuse einen äußeren und einen inneren Lagerspalt bildet, wobei die Weite dieser Lagerspalte größer ist als das bei Gleitlagern übliche Spiel, und mit einem drehfest angeordneten Anlaufbund, gegen welchen die Lagerbuchse durch das Schmiermittel gehalten ist, das den beiden Lagerspalten von einer Ringkammer zugeführt wird, welche an die dem Anlaufbund abgekehrte Buchsenstirnfläche und den äußeren Lagerspalt grenzt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Ringkammer (15) und dem inneren Lagerspalt (12) ein zwischen der ringkammerseitigen Buchsenstirnfläche (9) und einem zur Welle (1) hin im wesentlichen abdichtenden Drosselring (17, 20) ausgebildeter Drosselspalt (16) vorgesehen ist und daß die Ring hammer sich axial von der Lagerbuchse weg nur bis zu einer vom Drossclring gebildeten Ringwand (20) erstreckt und radial weiter außen liegt als der innere Lagerspalt

2. Radialgleitlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drosselring (17, 20) in Richtung zur ringkammerseitipen Buchsenstirnfläche (9) einen sich axial erstreckenden Flansch (17) trägt, welcher mit der Buchsenstirnfläche den Drosselspalt (16) bildet.

3. Radialgleitlager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des sich axial erstreckenden Flansches (17) von der Welle (1) geringer ist als die Weite des inneren Lagerspaltes (12).

4. Radialgleitlager nach Ai^pruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der sich axial erstreckende Flansch (17) radial nach innen zwei Ansätze (29, 30) trägt, die zwischen sich einen radial inneren Ringraum (31) begrenzen und deren Abstand von der Welle (1) geringer ist als die Weite des inneren Lagerspaltes (12).

5. Radialgleitlager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der der ringkammerseitigen Buchsenstirnfläche (9) zugewandte Ansatz (29) mit dieser Buchsenstirnfläche den Drosselspalt (16) einschließt.

6. Radialgleitlager nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die der Ringkammer (15) zugewandte Fläche (23) des sich achsparallel erstreckenden Flansches (17) eine zur ringkammerseitigen Buchsenstirnfläche (9) offene Stufe (24) aufweist, welche mit der Buchsenstirnfläche eine Ringnische (27) umschließt.

7. Radialgleitlager nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Drosselring (ΐ·7,20) drehfest angeordnet ist.

8. Radialgleitlager nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem drehfesten Anlaufbund (18) und der schwimmenden Lagerbuchse (11) eine rotierende Anlaufscheibe (22) angeordnet ist.