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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft ein Axialgleitlager gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs
1 zu dessen Betrieb.
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Stand der Technik
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Zur
Lagerung von Turboladern werden häufig hydrodynamische Gleitlager
eingesetzt. Als Axialgleitlager kommen üblicherweise Festsegmentlager zum
Einsatz. Diese bestehen aus einem fest mit dem Lagergehäuse verbundenen
Lagerkörper
mit einer profilierten Kreisringfläche und einer mit der Welle
rotierenden, ebenen Gleitfläche
des sogenannten Lagerkamms. Die profilierte Seite weist mehrere
radiale Schmiernuten sowie entsprechende Keil- und Rastflächen auf
(s. DE-A1 32 44 893). Sie kann ebenso am Lagerkamm angeordnet sein.
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Beim
Betrieb des Turboladers baut sich aufgrund der Scherströmung des
Schmieröls
zwischen der ebenen und der profilierten Fläche ein tragfähiger, hydrodynamischer
Schmierfilm auf. Die Schmierfilmdicke hängt unter anderem von der Belastung
des Lagers ab und kann bei hohen Druckverhältnissen mit ca. 20 μm sehr klein
werden.
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In
der Regel wird die Schmierung eines solchen Axialgleitlagers vom
Schmiersystem der mit dem Turbolader verbundenen Brennkraftmaschine übernommen.
Dabei wird deren relativ grosser Schmierölstrom nur grob gefiltert,
d.h. mit einer Maschenweite von etwa 35 bis 50 μm. Aufgrund seiner hohen Drehzahlen
und der engen Schmierspalte benötigt
der Turbolader jedoch Schmieröl
feinerer Konsistenz. Eine separate Filtrierung für den Turbolader ist meist
nicht möglich
bzw. zu aufwendig und deshalb relativ teuer (s. DE-A1 44 11 617).
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Bei
hohen Druckverhältnissen
kann die minimale Schmierfilmdicke insbesondere am Axialgleitlager
kleiner werden als die grössten
Schmutzpartikel, welche das Motorfilter passieren. Dies kann einen frühzeitigen
Verschleiss der Lagerflächen,
speziell der Keilflächen
verursachen. Wenn jedoch die minimal erforderliche Keilfläche des
Lagers unterschritten wird, ist dieses nicht mehr betriebssicher.
In diesem Fall muss mit einem baldigen Ausfall des Lagers gerechnet
werden. Demnach ist das Axialgleitlager von Turboladern ein verschleissgefährdetes
Bauteil.
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Aus
dem DE-U1 78 19 938 ist ein Axialgleitlager für Abgasturbolader bekannt,
bei dem eine zwischen dem feststehenden Lagerkörper und dem drehenden Lagerkamm
angeordnete Schwimmscheibe auf der Turboladerwelle geführt wird.
Die Schwimmscheibe weist eine Mehrflächengeometrie mit beidseitig
angeordneten, spiralförmigen Ölnuten auf,
welche bis hin zu einem Berührungsbereich
mit dem Lagerkörper
bzw. dem Lagerkamm auslaufen. Mit Hilfe dieser Nuten wird zwischen
dem Lagerkörper
und der Schwimmscheibe einerseits sowie zwischen der Schwimmscheibe
und dem Lagerkamm andererseits, jeweils ein Schmierfilm aufgebaut.
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Bei
einer solchen Lösung
mit Schwimmscheibe wird sowohl die Verlustleistung des Turboladers
verringert als auch, aufgrund des doppelten Schmierspaltes, das
Schiefstellungskompensationsvermögen
seines Schublagers erhöht.
Zusätzlich wird
die relative Geschwindigkeit durch die Scheibendrehung auf etwa
die halbe Läuferdrehzahl
reduziert und damit das Verschleissverhalten des Schublagers deutlich
verbessert. Allerdings kann bei einer solchen Schwimmscheibe die
minimale Schmierfilmdicke ebenfalls kleiner sein als die grössten Schmutzpartikel
des Schmieröls,
so dass auch mit ihrem Einsatz die oben beschriebenen Nachteile
nicht beseitigt werden können.
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Darstellung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und kostengünstiges
Axialgleitlager mit verringertem Verschleiss und verbesserter Lebensdauer
zu schaffen.
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Erfindungsgemäss wird
dies dadurch erreicht, dass bei einer Vorrichtung gemäss dem Oberbegriff
des Anspruchs 1, die zum Druckaufbau im Schmierfilm erforderliche
profilierte Kreisringfläche des
Schmierspaltes um die oder mit der Welle rotierend ausgebildet ist.
Sie weist mehrere radial angeordnete Schmierölnuten sowie jeweils eine an
diese in Umfangsrichtung anschliessende Keilfläche auf. Zwischen jeder Keilfläche sowie
der ihr benachbarten Schmierölnut
ist eine Rastfläche
ausgebildet. Die Schmierölnuten
und die Keilflächen
werden nach radial aussen von einem Dichtsteg begrenzt. Der Dichtsteg
ist im Bereich der Schmierölnuten
mit zu diesen und ebenfalls nach radial aussen offenen Schmutznuten
ausgestattet.
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Aufgrund
dieser Ausbildung rotieren die Schmierölnuten und mit ihnen die radial
aussen angeordneten Schmutznuten, so dass die im grob gereinigten
Schmieröl
enthaltenen grösseren
Schmutzpartikel vor Erreichen des Schmierspaltes, genauer im Bereich
der Schmierölnuten,
auszentrifugiert werden. Dabei wird wegen der in den radialen Schmierölnuten auf
das Gemisch von Schmieröl
und Schmutzpartikeln wirkenden Fliehkraft eine Separierung erreicht.
Die Schmutzpartikel werden aufgrund ihrer grösseren Dichte nach aussen gedrängt und
mit dem Schmierölstrom
durch die Schmutznuten nach aussen abgeschleudert. Damit wirken
die Schmutznuten gewissermassen als Bypass für den zwischen den Rastflächen der
profilierten Kreisringfläche
und der ebenen Gleitfläche
des Lagerkörpers
am engsten ausgebildeten Schmierspalt.
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In
einer ersten Ausgestaltungsform der Erfindung sind die profilierte
Kreisringfläche
am Lagerkamm und die ebene Gleitfläche am Lagerkörper angeordnet.
Demnach rotiert das Schmieröl
in den Schmierölnuten
mit der Welle und die Schmutzpartikel werden über die Schmutznuten auszentrifugiert. Aufgrund
des somit verringerten Verschleisses der Keilflächen des Schmierspaltes kann
die Standzeit eines Kammlagers vorteilhaft erhöht werden.
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Bei
einer zweiten Ausgestaltungsform der Erfindung ist zwischen dem
Lagerkamm und dem Lagerkörper
eine Schwimmscheibe angeordnet. Diese weist beidseitig eine profilierte
Kreisringfläche
auf. Sowohl der Lagerkamm als auch der Lagerkörper sind mit einer ebenen
Gleitfläche
ausgebildet. Dabei rotiert das Schmieröl in den beiden Schmierölnuten der
Schwimmscheibe um die Welle und die Schmutzpartikel werden ebenfalls über die
Schmutznuten auszentrifugiert. Eine Kombination dieser an sich bekannten
Schwimmscheibe mit den Schmutznuten verbessert das Verschleissverhalten
des Lagers nachhaltig.
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Besonders
vorteilhaft besitzen jede Keilfläche
eine Eintrittskeiltiefe und jede Schmutznut eine Tiefe, wobei letztere
dem 0,5- bis 3-fachen der Eintrittskeiltiefe entspricht. In diesem
Grössenbereich sind
die Schmutznuten so dimensioniert, dass einerseits die groben Schmutzpartikel
die Öffnung
der entsprechenden Schmutznut leicht passieren können und andererseits der Schmierölstrom durch
diese Schmutznuten nicht zu gross wird.
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Das
im Schmierölkreislauf
der Brennkraftmaschine angeordnete Filter hat eine solche Maschenweite,
mit deren Hilfe das Schmieröl
dem Bedarf der Brennkraftmaschine entsprechend grob gefiltert wird. Die
Tiefe jeder Schmutznut entspricht zumindest dem 2-fachen dieser
Maschenweite des Filters. Eine solche Tiefe verhindert vorteilhaft
Verstopfungen der Schmutznuten.
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Es
ist besonders zweckmässig,
wenn die Tiefe jeder Schmutznut geringer als die 2-fache Eintrittskeiltiefe
der entsprechenden Keilfläche
ausgebildet ist. Damit kann die zum Ableiten der Schmutzpartikel
benötigte Ölmenge,
respektive der Ölverbrauch verringert
werden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnung
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In
der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand der Lagerung eines mit einer Brennkraftmaschine
verbundenen Abgasturboladers dargestellt. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung
des gemeinsamen Schmierölkreislaufs
der Brennkraftmaschine und des Abgasturboladers;
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2 einen Teillängsschnitt
durch den Abgasturbolader, im Bereich seines Axialgleitlagers;
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3 eine Ansicht der profilierten
Kreisringfläche
des Lagerkammes entlang der Linie 111–111 in 2;
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4 einen Schnitt durch den
Lagerkamm entlang der Linie IV–IV
in 3;
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5 einen vergrösserten
Ausschnitt der 3, im
Bereich der Verbindung von Schmierölnut und Schmutznut;
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6 einen vergrösserten
Ausschnitt der 4, im
Bereich der Schmutznut;
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7 eine Darstellung analog
der 2, jedoch mit der
zwischen Lagerkörper
und Lagerkamm angeordneten Schwimmscheibe;
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8 einen Schnitt durch die
Schwimmscheibe entlang der Linie VIII–VIII in 7;
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9 einen Schnitt durch die
Schwimmscheibe entlang der Linie IX–IX in 8.
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Es
sind nur die für
das Verständnis
der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt ist
von der Anlage beispielsweise der Abgasweg von der Brennkraftmaschine
zum Abgasturbolader, einschliesslich der Aufladung der Brennkraftmaschine.
Die Strömungsrichtung
des Schmieröls
und die Drehrichtung der profilierten Kreisringfläche sind
mit Pfeilen bezeichnet.
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Weg zur Ausführung der
Erfindung
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Der
Schmierölkreislauf 1 besteht
aus einer Ölwanne 2,
einer Schmieröl 3 aus
der Ölwanne 2 in eine Ölleitung 4 liefernden Ölpumpe 5,
einem Filter 6, einer Verzweigung 7 der Ölleitung 4 zu
einer als Dieselmotor ausgebildeten Brennkraftmaschine 8 bzw. zu
einem Abgasturbolader 9 und aus jeweils einer Rückführleitung 10, 11 zur Ölwanne 2.
Der nur schematisch dargestellte Abgasturbolader 9 besitzt
eine Verdichterseite 12 und eine Turbinenseite 13,
die über
eine Welle 14 mitein ander verbunden sind. Sowohl verdichter-
als auch turbinenseitig ist zur Lagerung der Welle 14 jeweils
ein Radialgleitlager 15 angeordnet. Zwischen den Radialgleitlagern 15 ist
zur Aufnahme der Axialkräfte
des Abgasturboladers 9 ein Axialgleitlager 16 ausgebildet.
(1).
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Das
Axialgleitlager 16 besteht aus einem Lagergehäuse 17 und
einem mit einem Lagerzapfen 18 der Welle 14 fest
verbundenen, drehenden Lagerkamm 19, der mit einem feststehenden
Lagerkörper 20 zusammenwirkt.
Im Lagerkörper 20 ist
eine als radialer Ölkanal
ausgebildete Ölzuführung 21 angeordnet,
die an ihrem äusseren
Ende mit dem gemeinsamen Schmierölkreislauf 1 der
Brennkraftmaschine 8 und des Abgasturboladers 9 verbunden
ist. Der radiale Ölkanal 21 weist
an seinem inneren Ende einen Ringkanal 22 auf (2).
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An
seiner dem Lagerkamm 19 zugewandten Seite besitzt der Lagerkörper 20 eine
ebene Gleitfläche 23,
während
die dem Lagerkörper 20 zugewandte
Seite des Lagerkammes 19 mit einer profilierten Kreisringfläche 24 ausgestattet
ist (2, 3). Zwischen der profilierten Kreisringfläche 24 und
der ebenen Gleitfläche 23 ist
ein die Tragfähigkeit
des Axialgleitlagers 16 bestimmender Schmierspalt 25 ausgebildet.
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Die
profilierte Kreisringfläche 24 besteht
aus mehreren an jeweils eine radiale Schmierölnut 26 in Umfangsrichtung
anschliessenden Keilflächen 27.
Im Bereich zwischen jeder Keilfläche 27 und
der ihr benachbarten Schmierölnut 26 ist
jeweils eine ebene Rastfläche 28 angeordnet.
Sowohl die Schmierölnuten 26 als
auch die Keilflächen 27 werden
nach radial aussen von einem Dichtsteg 29 begrenzt. Letzterer weist
im Bereich der Schmierölnuten 26 zu
diesen offene, radial ausgerichtete Schmutznuten 30 auf. Nach
radial aussen, d.h. in Richtung des Lagergehäuses 17 sind die Schmutznuten 30 ebenfalls
offen ausgebildet (3 bis 6). Am Lagerkamm 19, genauer
an der Basis seiner profilierten Kreisringfläche 24 ist eine Ringnut 31 ausgebildet,
welche die Schmierölnuten 26 miteinander
und mit dem Ringkanal 22 des Lagerkörpers verbindet.
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Der
Schmierspalt 25 ist zwischen den Rastflächen 28 der profilierten
Kreisringfläche 24 und
der ebenen Gleitfläche 23 des
Lagerkörpers 20 am
engsten ausgebildet. Die Keilflächen 27 weisen
eine Eintrittskeiltiefe 32 und die Schmutznuten 30 eine
Tiefe 33 auf, wobei letztere das 1,5-fache der Eintrittskeiltiefe 32 beträgt (6). Das in der 1 nur schematisch gezeigte
Filter 6 hat eine nicht dargestellte Maschenweite, bezüglich dieser
die Tiefe 33 der Schmutznuten 30 auf etwa das
3fache vergrössert ist.
Dabei besitzen die Schmutznuten 30 eine Nutweite 34,
welche etwa um die Breite des Schmierspaltes 25 gegenüber ihrer
Tiefe 33 vergrössert
ist. Ausschliesslich zum Zweck der Darstellung der Schmutznuten 30 in
der 2 wurde ihre Nutweite 34 gegenüber den
anderen Bauteilen überdimensioniert.
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Beim
Betrieb des Dieselmotors 8 wird das benötigte Schmieröl 3 mittels
der Ölpumpe 5 aus
der Ölwanne 2 gefördert und
im Filter 6 grob gereinigt. Von dort aus gelangt das Schmieröl 3 über eine
Verzweigung 7 in der Ölleitung 4 zu
den nicht dargestellten Lagerstellen des Dieselmotors 8 bzw.
zu den beiden Radialgleitlagern 15 und dem Axialgleitlager 16 des
Abgasturboladers 9 (1).
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Im
Axialgleitlager 16 wird das Schmieröl 3 durch den radialen Ölkanal 21 des
feststehenden Lagerkörpers 20,
dessen Ringkanal 22 und die Ringnut 31 des Lagerkammes 19 zu
den Schmierölnuten 26 gefördert (2). Aufgrund der somit permanenten Beaufschlagung
der Schmierölnuten 26 aus
dem Schmierölkreislauf 1,
der Rotation der profilierten Kreisringfläche 24 des Lagerkammes 19 und
des aussen angeordneten Dichtstegs 29 gelangt das Schmieröl 3 ausgehend
von den Schmierölnuten 26 jeweils über die
Keilflächen 27 in
den sich verengenden Schmierspalt 25 (3). Von dort aus wird es durch die Scherströmung in
Richtung der Rastflächen 28 gezogen
und zum grössten
Teil seitlich über den
Dichtsteg 29 hinweg ausgepresst, wobei sich zwischen diesem
und der ebenen Gleitfläche 23 des Lagerkörpers 20 der
engste Schmierspalt 25 ausbildet. Gleichzeitig wird das
in den radialen Schmierölnuten 26 mit
der Welle 14 rotierende Schmieröl 3 durch die Fliehkraftwirkung
separiert. Dabei werden die Schmutzpartikel aufgrund ihrer grösseren Dichte nach
aussen gedrängt
und mit einem Teilstrom des Schmieröls 3 durch die Schmutznuten 30 nach
aussen abgeschleudert (5).
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Letztlich
fliesst sowohl der durch den Schmierspalt 25 geleitete
Hauptstrom als auch der durch die Schmutznuten 30 geführte Teilstrom
des Schmieröls 3,
einschliesslich der Schmutzpartikel, durch einen im Lagergehäuse 17 ausgebildeten Ölablauf 35 ab
und wird über
die Rückführleitung 11 in die Ölwanne 2 des
Dieselmotors 8 abgeleitet (1, 2).
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In
einem zweiten Ausführungsbeispiel
ist zwischen dem feststehenden Lagerkörper 20 und dem drehenden
Lagerkamm 19 eine Schwimmscheibe 36 angeordnet
(7). Diese besitzt beidseitig eine
profilierte Kreisringfläche 24', welche analog
der Kreisringfläche 24 des
Lagerkammes 19 im ersten Ausführungsbeispiel ausgebildet
ist. Demnach besteht jede Kreisringfläche 24' aus mehreren radialen Schmierölnuten 26' mit an diese
in Umfangsrichtung anschliessenden Keilflächen 27' und ebenen Rastflächen 28'. Die Schmierölnuten 26' und die Keilflächen 27' werden nach
radial aussen von einem Dichtsteg 29' begrenzt, wobei dieser analog
dem ersten Ausführungsbeispiel
ausgebildete Schmutznuten 30' aufweist.
Die Schmierölnuten 26' der beiden
Kreisringflächen 24' sind untereinander über schräge Ausnehmungen 37 im
Inneren der Schwimmscheibe 36 verbunden (8, 9).
Sowohl der Lagerkamm 19 als auch der Lagerkörper 20 sind
auf ihrer der Schwimmscheibe 36 zugewandten Seite mit einer ebenen
Gleitfläche 23' ausgestattet
(7). Der weitere Aufbau
des Axialgleitlagers 16' stimmt
im wesentlichen mit dem des ersten Ausführungsbeispiels überein.
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Bei
dieser Ausbildung des Axialgleitlagers 16' wird auf beiden Seiten der Schwimmscheibe 36 jeweils
ein Schmierspalt 25' ausgebildet.
Der erste Schmierspalt 25' ist
zwischen der ebenen Gleitfläche 23' des Lagerkörpers 20 und
der dieser zugewandten, profilierten Kreisringfläche 24' der Schwimmscheibe 36 und
der zweite zwischen der ebenen Gleitfläche 23' des Lagerkammes 19 und
der dieser zugewandten, profilierten Kreisringfläche 24' der Schwimmscheibe 36 angeordnet.
Hierbei erfolgt das Separieren und Herausschleudern der Schmutzparti kel
des Schmieröls 3 im
wesentlichen wie beim ersten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied
dazu rotieren die profilierten Kreisringflächen 24' der Schwimmscheibe 36 nicht
mit der, sondern um die Welle 14, was die Reinigungswirkung
der Schmutznuten 30' jedoch
nicht beeinträchtigt.
Da die relative Geschwindigkeit in den Schmierspalten 25' durch die Drehung
der Schwimmscheibe 36 auf etwa die halbe Drehzahl der Welle 14 reduziert
wird, kann das Verschleissverhalten des Axialgleitlagers 16' und insbesondere
seiner Keil- 27' und
Rastflächen 28' deutlich verbessert
werden.