DE3316332C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Lagerung einer schnellau­ fenden Welle, insbesondere eines Abgasturboladers, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

In Verbindung mit Abgasturboladern, deren Drehzahlen 125 000 U/min und mehr betragen, ist es bekannt, die Lager halbschwimmend auszubilden; vgl. US-Patentschrift 30 43 636. Hierzu ist die ein Turbinenrad und ein Verdichterrad tragende Welle in einer Lagerbuchse drehbar, die einen radialen Flansch an einem Ende hat. Die Lagerbuchse ist in einem hülsenförmigen inneren Gehäuseteil gehalten und liegt mit ihrem Flansch an dem inneren Gehäuseteil an. Unter einem Druck von beispielsweise 2,1 bar stehendes Schmieröl wird ständig in das Gehäuse eingeleitet und bildet einen Schmierfilm zwischen der Lagerbuchse und der umlaufenden Welle und außerdem zwischen der Lagerbuchse und dem hülsenförmigen Gehäuseteil. Die Lagerbuchse ist innerhalb des Gehäuseteiles radial frei beweglich, und die Welle ist innerhalb der Lagerbuchse frei beweglich. Die Lagerbuchse ist durch einen Paßstift an Dreh- und durch einen Sprengring an Axialbewe­ gungen gehindert, ohne daß ihre Fähigkeit, auf dem Ölfilm zu schwimmen, beeinträchtigt wird. Der Ölfilm dämpft nämlich die Schwingungen, die sonst Instabilitäten verursachen, insbesondere bei oder nahe bei der Eigenfrequenz der umlaufenden Welle und der mit dieser gekuppelten und umlaufenden Teile.

Infolge notwendiger Fertigungs- und Montagetoleranzen sind Sprengringe für das genaue axiale Festlegen der Lagerbuchse wenig geeignet, da sie ein übermäßiges Hin- und Herbewegen der freibeweglichen Lagerbuchse in Längs-, d. h., in Axialrichtung gestatten. Es ist auch bekannt, Vorsprünge an beigefügten Dichtplatten zur Begrenzung des axialen Spiels zu verwenden. Auch diese arbeiten nicht zufriedenstellend, da sie in innigem Kontakt mit dem Lagerflansch sind und winzige Bewegungen zwischen den Dichtplattenvorsprüngen und dem Lagerflansch extremen Verschleiß und infolgedessen eine Vergrößerung des axialen Spiels der Lagerbuchse verursachen.

Eine weitere Möglichkeit, eine Beilegscheibe aus Stahl oder PTFE zwischen dem Vorsprung der Dichtplatte und dem Lagerflansch der Lagerbuchse anzuordnen, verringert zwar den Verschleiß, hat aber die unerwünschte Auswirkung, daß die Toleranzsumme zwischen diesen Teilen vergrößert wird, daß Fertigungstoleranzen aller Einzelteile sich addieren, so daß das mögliche maximale Endspiel der Lagerbuchse und damit der umlaufenden Welle vergrößert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit konstruktiv einfachen Mitteln eine Lagerung mit einer halbschwimmend gehaltenen Lagerbuchse zu schaffen, die in axialer Richtung mit verringertem Lagerspiel mechanisch festgelegt ist, ohne daß hierzu enge Fertigungstoleranzen einzuhalten sind.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Verwendung einer längs ihres Umfanges eingespannten Ringfederscheibe im Zusammenwirken mit einem ebenfalls eingespannten profilierten Haltering ermöglicht, daß der innere Teil der Ringfederscheibe so stark auf den Flansch der Lagerbuchse drückt, daß eine Axialbewegung der Lagerbuchse aufgrund des normalen Rotorschubes verhindert wird.

Infolge der Ausgestaltung von Ringfederscheibe und Lagerbuchse und den Durchtritt des Schmiermittels ermög­ lichenden Öffnungen ist ein schneller Druckausgleich möglich, so daß die halbschwimmend angeordnete Lagerbuchse weitest­ gehend frei von zusätzlichen Schubkräften ist.

Es ist zwar bekannt, das sog. Loslager einer aus Fest- und Loslager bestehenden Wälzlagerung eines Elektromotors zwecks Aufnahme der Längenveränderung der Motorwelle infolge Wärmedehnungen durch eine am äußeren und am inneren Umfang eingespannte Tellerfeder axial beweglich zu halten, um so eine wegunabhängige axiale Einspannkraft für das Loslager zu erhalten; vgl. DE-GM 80 26 751.

Beim Erfindungsgegenstand dagegen ist mit Hilfe der Ringfederscheibe unabhängig von etwaigen Fertigungstoleranzen die betroffene Lagerbuchse in einer definierten Bezugslage gegen axiale Bewegungen zu sichern.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand zweier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Längsschnittansicht einer freibeweglichen Lagervorrichtung nach der Erfindung, die in einem Abgasturbolader benutzt wird,

Fig. 2 eine Querschnittansicht nach der Linie 2-2 in Fig. 1,

Fig. 3 eine Längsschnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Er­ findung und

Fig. 4 eine Schnittansicht nach der Linie 4-4 in Fig. 3.

Die Zeichnung, in der gleiche Teile gleiche Bezugszahlen tra­ gen, zeigt einen Teil eines ansonsten herkömmlichen Abgas­ turboladers 10. Der Abgasturbolader 10 hat eine zylindrische Welle 12 mit Bunden und tragenden Flächen, wie dargestellt, die in einem freibeweglichen Lager 14 drehbar gelagert ist. Das freibewegliche Lager 14 ist ein Körper mit einem rohrför­ migen Teil 16, in dem radiale Kanäle 18 gebildet sind, die den Durchtritt von Schmierflüssigkeit gestatten. Das Lager 14 hat einen radialen, ringförmigen Flansch 20 an einem Ende des rohrförmigen Teils 16. Eine kreisringförmige Federscheibe 22 hat einen inneren Teil 24 (Fig. 2), der den Lagerflansch 20 überlappt, und einen äußeren Teil 26, der sich über diesen hinaus erstreckt. Eine zur axialen Einspannung dienende Dichtplatte 28 mit einem ringförmigen Vorsprung 30 ist an dem Abgasturboladergehäuse 32 mittels eines Sprengrin­ ges 34 befestigt. Der Vorsprung 30 der Dichtplatte 28 ist mit dem äußeren Teil 26 der Federscheibe 22 in radialem Ab­ stand von dem Flansch 20 des Lagerkörpers 14 in Berührung bringbar.

Das Abgasturboladergehäuse 32 ist ein herkömmliches, span­ abhebend bearbeitetes metallisches Gebilde, das einen Man­ tel 36 hat, welcher einen Hohlraum 38 begrenzt. Innerhalb des Hohlraums 38 hat das Gehäuse 32 weiter ein hülsenarti­ ges Teil 40, das den rohrförmigen Teil 16 des Lagers 14 um­ schließt. Die Gehäusehülse 40 hat eine gekrümmte zylindri­ sche Oberfläche 42, die den rohrförmigen Teil 16 des Lagers 14 umhüllt. Die Gehäusehülse 40 hat außerdem eine radiale Querfläche 44 in flächiger Anlage an einer ringförmigen Fläche 46 des Lagerflansches 20. Eine Fase oder Auskehlung 48 ist an der Schnittstelle der innengekrümmten Hülsenfläche 42 und der radialen Fläche 44 der Hülse gebildet. Der Zweck der Fase oder Auskehlung 48 wird weiter unten bei der Beschrei­ bung der Arbeitsweise der dargestellten Ausführungsformen deutlich werden.

Der Gehäusemantel 36 ist mit einer ring­ förmigen Schulter 50 versehen, die radial außerhalb des Lagerflansches 20 angeordnet ist. Der Gehäusemantel 36 hat außerdem eine weitere Schulter 52 mit größerem Durchmesser als die Schulter 50 und eine sich radial erstreckende Nut 54 zur Aufnahme des Sprengringes 34.

Ein sich radial erstreckender Schmieröleinlaßkanal 56 ist in dem Gehäusemantel 36 gebildet und am radial äußeren Ende mit Innengewinde zur Aufnahme eines Schmierölanschluß­ stückes (nicht dargestellt) versehen. Ein Öleinlaßrohr 58 erstreckt sich von dem Einlaßkanal 56 zu der Wand der Hülse 40 des Gehäuses 32, um das Lager 14 mit Schmieröl zu ver­ sorgen.

Die Welle 12 ist für eine Drehbewegung mit hoher Drehzahl in dem Lager 14 befestigt. Ein Verdichterrad 60 ist an einem Ende der Welle 12 befestigt, und ein Turbinenrad 62 ist an dem entgegengesetzten Ende der Welle 12 befestigt. Die Welle 12, das Verdichterrad 60 und das Turbinenrad 62 sind übliche Gebilde, wie sie in herkömmlichen Abgastur­ boladern in großem Umfang benutzt werden. Ebenso kann eine Dichtung 64 zwischen dem Verdichterrad 60 und der ringför­ migen Dichtplatte 28 eine im Handel erhältliche Schnell­ laufdichtung sein.

Die Dichtplatte 28 ist ein ringförmiges Gebilde, dessen äußerer Umfang an der Schulter 52 des Gehäusemantels 32 mittels des Sprengringes 34 festgehalten wird. Der Spreng­ ring 34 sitzt in der Nut 54 in dem Gehäusemantel 32 und hält die Dichtplatte 28 in Längsrichtung unbeweglich fest. Der ringförmige Vorsprung 30 auf der entgegengesetzten Seite der Dichtplatte 28 liegt an dem äußeren Teil 26 der ringförmigen Federscheibe 22 an und legt den äußeren Teil 26 an der Schulter 50 des Gehäusemantels 36 fest.

Gemäß der Darstellung in Fig. 2 ist die Federscheibe 22 ein metallisches Gebilde mit Durchgangsöffnungen in Form von gekrümmten Lücken oder Kerben 66, die in dem äußeren Umfang des äußeren Teils 26 der Federscheibe 22 gebildet sind. Statt dessen könnten die Öffnungen in der Federschei­ be 22 einwärts von deren äußerem Umfang gebildet sein. Die durch die Kerben 66 gebildeten Öffnungen haben die Aufgabe, die Biegsamkeit der Federscheibe 22 zu vergrö­ ßern. Die Größe und die Anzahl der Öffnungen 66 werden sich mit den verschiedenen Ausführungsformen von Abgas­ turboladern 10 oder anderen Schnelläufermaschinen ändern.

Der äußere Teil 26 der Federscheibe 22 ist durch die Schul­ ter 50 aufgenommen, wie es in Fig. 1 zu erkennen ist. Der äußere Durchmesser der Federscheibe 22 ist kleiner als der äußere Durchmesser der Schulter 50, so daß die Feder­ scheibe 22 sich nicht an der Schulter 50 verklemmt, wenn sie sich mit dem Lager 14 biegt.

Die Federscheibe 22 wird durch den Vorsprung 30 der Dicht­ platte 28 festgehalten. Die Dichtplatte 28 biegt die Fe­ derscheibe 22 etwas durch, so daß der innere Teil 24 der Federscheibe 22 ausreichend stark auf den Flansch 20 des Lagers 14 drückt, um eine Axialbewegung des Lagers 14 zu verhindern, die bei durch den Rotor verursachten normalem Schub auftreten würde. Die axiale Kraft, die durch die Fe­ derscheibe 22 ausgeübt wird, reicht nicht aus, um eine nennenswerte Reibungskraft zu erzeugen, die eine gering­ fügige radiale Bewegung des Lagers 14 verhindern würde. Weil die durch die Federscheibe 22 auf den Flansch 20 des Lagers 14 ausgeübte Kraft gering ist, schwimmt das Lager 14 auf einem Schmierölfilm zwischen der äußeren Fläche des Lagers 14 und der gekrümmten Fläche 42 der Gehäuse­ hülse 40.

Das zentrale Gebiet des rohrförmigen Teils 16 des Lagers 14 ist von der Welle 12 durch eine ringförmige Öltasche 68 getrennt. Selbst an den Enden des rohrförmigen Teils 16 des Lagers 14 ist jedoch ein schmaler Spalt vorhanden, so daß ein Schmierölfilm zwischen der umlaufenden Welle 12 und der Fläche des Lagers 14 vorhanden ist. Das Schmieröl wird unter Druck über den Öleinlaßkanal 56 und das Ölein­ laßrohr 58 zugeführt. Das Öl geht durch eine radiale Öff­ nung in der Gehäusehülse 40 hindurch und tritt in die Öl­ tasche 68 über gleichabständig angeordnete Löcher oder Ka­ näle 18 ein, die in der Wand des rohrförmigen Teils 16 des Lagers 14 gebildet sind. Die Löcher 18 dienen als Durchläs­ se für flüssiges Schmiermittel und lassen das Drucköl frei in die Öltasche 68 eintreten.

Der äußere Durchmesser des radialen Flansches 20 ist grö­ ßer als der innere Durchmesser der ringförmigen Federschei­ be 22, so daß der innere Teil 24 der Federscheibe 22 an dem radialen Flansch 20 anliegt, um das Lager 14 in Längs­ richtung festzulegen. Ein Teil des unter Druck stehenden Schmieröls fließt in einem Film zwischen den zu­ sammenpassenden gekrümmten Flächen des rohrförmigen Teils 16 des Lagers 14 und der inneren gekrümmten Fläche 42 der Gehäusehülse 40 und fließt an den radialen, aneinander an­ liegenden Flächen 44 und 46 der Hülse 40 bzw. des Flansches 20 vorbei. Eine ringförmige Fase oder Auskehlung 48 ist an der Schnittstelle der Hülsenflächen 42 und 44 gebildet und der Verbindungsstelle des rohrförmigen Teils 16 und des radialen Flansches 20 des Lagers 14 zugewandt.

Der ringförmige Hohlraum, der zwischen dem Lager 14 und der Hülse 40 durch die Auskehlung 48 vorhanden ist, er­ leichtert das radiale Herausfließen von Fluid aus dem Be­ reich zwischen dem Lager 14 und der Hülse 40. Das dient zum Aufheben der Kraft des Drucköls, die auf das freibe­ wegliche Lager 14 entgegengesetzt zu der Vorspannung der Federscheibe 22 einwirkt. Das heißt, zwischen den aneinan­ derliegenden Flächen 44 und 46 der Hülse 40 bzw. des Flan­ sches 20 eingeschlossenes Öl würde bestrebt sein, gegen den Flansch 20 zu drücken und das Lager 14 in der Darstellung in den Fig. 1 und 3 axial nach links zu drücken. Die Aus­ kehlung 48 bildet einen Ringkanal, der das Lager von die­ ser Kraft entlastet.

Die axiale Kraft wird weiter durch das Vorsehen wenig­ stens eines Entlastungsdurchlasses 70 abgebaut, der in dem Flansch 20 gebildet ist und sich radial versetzt von und parallel zu der Welle 12 erstreckt. Der Entlastungsdurch­ laß 70 dient als leicht zugängliche Ablaßöffnung für den Film von Öl, das zwischen der Hülse 40 und dem rohrför­ migen Teil 16 des Lagers 14 zu dem Flansch 20 fließt.

Die Ausführungsform nach den Fig. 3 und 4 gleicht zum größten Teil der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2, und gleiche Teile tragen die gleichen Bezugszahlen. Ein beträchtlicher Unterschied in der Ausführungsform nach den Fig. 3 und 4 gegenüber der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 besteht darin, daß statt des Entlastungs­ durchlasses 70 in dem Flansch 20 des Lagers 14 ein Ent­ lastungskanal 72 in der radialen Fläche 44 am Ende der Gehäusehülse 40 gebildet ist, die der radialen Fläche 46 des Lagerflansches 20 zugewandt ist. Der Entlastungs­ kanal 72 ist eine sich radial erstreckende Nut in der Fläche 44 mit V-förmigem Querschnitt, wie es in Fig. 4 zu erkennen ist.

Der Strom von Schmieröl wird statt durch den Längsdurch­ laß 70 in der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 ra­ dial aus dem Bereich zwischen der Hülse 40 und dem Flansch 20 herausgeleitet. In beiden Ausführungsformen besteht das Ergebnis darin, daß das Lager von der Kraft des Drucköls entlastet wird, die sonst entgegengesetzt zu der Federscheibe 22 wirken und das Lager 14 in den Fig. 1 und 2 nach links drücken würde.

In der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform sowie in der in den Fig. 3 und 4 dargestellten weiteren Ausführungsform ist das entfernte Ende 74 des rohrförmi­ gen Teils 16 des Lagers 14 abgefast.

In der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 ist das Ende 74 sowohl radial innen bei 76 als auch radial außen bei 78 abgefast. In der Ausführungsform nach den Fig. 3 und 4 ist die radial innere Fase 76 weggelassen worden.

Das Lager 14 ist an dem von dem Flansch 20 entfernten Ende 74 abgefast, um den Durchtritt des Druckschmieröls zu er­ leichtern. Durch Erleichtern des Durchtritts an dem ent­ fernten Ende 74 hat das Schmieröl eine geringere Tendenz, einen Durchflußweg zwischen den aneinanderliegenden Flächen 44 und 46 der Hülse 40 bzw. des Flansches 20 zu suchen. Durch Erleichtern des Durchflusses in der entgegengesetzten Richtung wird die Kraft, die bestrebt ist, den Flansch 20 und die Hülse 40 auseinanderzudrücken, verringert.

Die Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 und die Ausfüh­ rungsform nach den Fig. 3 und 4 bilden eine Vorrichtung zum axialen Hemmen der Bewegung des frei­ beweglichen oder halbfreibeweglichen Lagers 14, das die umlaufende Welle 12 in einem unter Druck stehenden flüssi­ gen Schmiermittel innerhalb des Gehäuses 32 trägt. Die axiale Einspannung wird in beiden Ausführungsformen durch Federvorspannung des freibeweglichen Lagers 14 entgegen dem axialen Schub der umlaufenden Welle 12 unter Verwen­ dung der oben beschriebenen Fingerscheibe 22 erzielt. Das Lager 14 wird an einer Drehung relativ zu dem Gehäuse 32 durch einen herkömmlichen Paßstift 80 gehindert, der durch ein Loch in dem Flansch 20 hindurchgeführt und an dem Gehäuse 32 befestigt ist. Außerdem wird bei beiden hier beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung das Lager von der Kraft des Drucköls entlastet, die bestrebt ist, auf das freibewegliche Lager 14 entgegengesetzt zu der Federvorspannung der Federscheibe 22 einzuwirken.

Claims (6)

1. Lagerung einer schnellaufenden Welle, insbesondere eines Abgasturboladers, mit einem Gehäuse, einer in einem hülsenförmigen inneren Gehäuseteil halbschwimmend gehaltenen Lagerbuchse, die mit einem Flansch am inneren Gehäuseteil anliegt, einer Zuführung von Schmiermittel unter Druck zwischen das innere Gehäuseteil und die Lagerbuchse sowie zwischen diese und die Welle, und mit einer auf den Flansch der Lagerbuchse wirkenden Haltevorrichtung zum Festlegen der Lagerbuchse am inneren Gehäuseteil, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltevorrichtung eine Ringfederscheibe (22) aufweist, die an ihrem äußeren Rand (26) zwischen einem äußeren Gehäuseteil (32) und einem an diesem Gehäuseteil axial festgelegten Haltering (28) so eingespannt ist, daß sie mit ihrem inneren Rand (24) in radialem Abstand von der Einspannung an dem Flansch (20) der Lagerbuchse (14) axial gegen diesen vorgespannt anliegt und die Lagerbuchse gegenüber Bewegungen in Axialrichtung festhält.

2. Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ringfederscheibe (22) Durchgangs­ öffnungen (66) aufweist.

3. Lagerung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Durchgangsöffnungen durch Lücken (66) in dem äußeren Umfang der Ringfederscheibe (22) gebildet sind.

4. Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Flansch (20) der Lagerbuchse (14) mit wenigstens einer Entlastungsöffnung (70) versehen ist.

5. Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Gehäuseteil (40) einen radialen Entlastungskanal (72) hat, der dem Flansch (20) der Lagerbuchse (14) zugewandt ist.

6. Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Gehäuseteil (40) an dem dem Flansch (20) der Lagerbuchse (14) zugewandten Ende seiner Bohrungswandung eine Abfasung (48) aufweist.