DE3503695A1 - Pneumatik-achslager - Google Patents

Pneumatik-achslager

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DE3503695A1 DE19853503695 DE3503695A DE3503695A1 DE 3503695 A1 DE3503695 A1 DE 3503695A1 DE 19853503695 DE19853503695 DE 19853503695 DE 3503695 A DE3503695 A DE 3503695A DE 3503695 A1 DE3503695 A1 DE 3503695A1
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Description

P-.19.3^7-001 /ud f
Nissan Motor Co.,Ltd. 4. Februar
No.2, Takara-cho, Kanagawa-ku 1985
Yokohama City, Japan
BESCHREIBUNG
Pneumatik-Achslager
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Pneumatik-Achslager zur Verwendung bei einer sich drehenden Welle,
,.. welche im Betrieb ziemlich hohe Temperaturen annimmt, Ib
wie es z.B. bei der Welle einer Gasturbine oder der Welle eines Kraftfahrzeugturboladers der Fall ist. ■
Pneumatiklagerungen, d.h. gasgeschmierte Lagerungen werden trotz des Erfordernisses eines Kompressors für die Zuführung von unter Druck stehendem Gas in verschiedenen Bereichen eingesetzt, da die Pneumatiklagerungen wichtige Vorteile aufweisen, wie z.B. niedrige Reibkräfte, sehr weiche Drehung und Anwendbarkeit sowohl bei hohen
und niedrigen Temperaturen.
25
Dennoch treten bei Pneumatik-Achslagerungen Probleme auf, wenn die sich in dem Lager drehende Welle eine hohe Temperatur annimmt und eine signifikante thermische Ausdehnung erfährt. Z.B. neigt bei einem Kraftfahrzeugturbo-30
lader die das Turbinenrad und das Kompressor-Laufrad miteinander verbindende Welle dazu, sich einer signifikanten thermischen Ausdehnung zu unterziehen, und zwar aufgrund des beträchtlichen Wärmestromes von dem Turbinenrad,
welches durch sehr heiße Auspuffgase angetrieben wird. 35
Normalerweise wird bei einem Pneumatiklager die Welle wie die Achse schwimmend über der Lagerfläche dadurch gehalten, daß die unter Druck stehende, in den Zwischenraum eingeführte Luft zwischen der Lagerfläche und der Welle wirkt. Wenn die Welle eine thermische Ausdehnung erfährt, verringert sich der Zwischenraum jedoch, da der Lagerteil bei einer relativ geringen Temperatur verbleibt,
IQ ohne daß er eine entsprechende thermische Ausdehnung erfährt. Es ist nicht selten, daß der Zwischenraum so klein wird, daß die Welle durch den Einfluß von Maschinenschwingungen während ihres Hochgeschwindigkeitsbetriebes in Gleitkontakt mit der Lagerfläche kommt. Dann werden Verschleiß und Riefenbildung des Lagers und der Welle zu einem ernsten Problem. In extremen Fällen ist sogar der Ausfall des Lagers oder der Welle wahrscheinlich.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein verbessernd tes Pneumatik-Achslager zu schaffen, bei welchem sich der Zwischenraum zwischen der Lagerfläche und dem Achsteil nicht bedeutend ändert, auch wenn die sich drehende Welle in dem Lager eine beachtlich hohe Temperatur annimmt.
Die Erfindung sieht dazu ein Pneumatik-Achslager vor,
welches einen im wesentlichen zylindrischen Lagerkörper aufweist mit einer zylindrischen Lagerfläche auf der Innenseite. Das Achslager umfasst auch eine drehbare n Welle, welche einen äußeren Durchmesser aufweist, der wesentlich kleiner als der Durchmesser der zylindrischen Lagerfläche ist, und die sich koaxial durch den zylindrischen, durch die Lagerfläche begrenzten Spalt erstreckt. Weiterhin weist das Achslager ein zylindrisches Achsteil
auf, welches einen Hohlzylinder umfasst mit einem inneren 35
Durchmesser, welcher wesentlich größer als der äußere Durchmesser der Welle ist, mit einem äußerem Durchmesser, welcher geringfügig kleiner als der Durchmesser der La-
gerfläche ist, und mit zwei Endplatten, von denen jede eine öffnung umfasst ,durch welche sich die Welle erstreckt, und sowohl an der Welle als auch an dem Hohlzylinder derart befestigt ist, daß der Hohlzylinder koaxial und mit Abstand zur Welle gehalten ist, so daß ein im Querschnitt ringförmiger Spalt um die Welle gebildet wird und ein Zwischenraum von vorbestimmter Weite zwischen ^q deren äußerer Oberfläche und der Lagerfläche verbleibt. Schließlich weist das pneumatische Achslager zum Einführen eines unter Druck stehenden Gases in den Zwischenraum auch Durchlasseinrichtungen für Gas auf.
,g Bei dem vorliegenden Pneumatik-Achslager dient die sich drehende Welle selber nicht als Lagerachse. Das Achsteil ist ein Hohlzylinder, der sich zusammen mit der Welle dreht und fast vollständig von der Welle abgerückt ist. Das heißt,der Hohlzylinder ist nur in sehr kleinen Bereichen über die Endplatten des Achsteiles mit der Welle verbunden. Deshalb wird die Wärme nicht einfach von der Welle zu dem hohlzylindrischen Achsteil übetragen. Aus diesem Grund wird das Achsteil bei diesem Pneumatiklager keiner bedeutenden thermischen Ausdehnung unterzogen, sogar dann nicht, wenn die Welle selbst eine beachtlich hohe Temperatur annimmt, was der Fall ist, wenn sich die Welle von dem Turbinenrad eines Kraftfahrzeugturboladers erstreckt. Demgemäß ist das Vorhandensein eines entsprechenden Zwischenraumes _ zwischen der Lagerfläche und dem Achsteil gewährleistet.
Vorzugsweise ist in dem zylindrischen Achsteil eine geeignete Anzahl ναι relativ kleinen Durchgangsöffnungjen gebohrt, so daß eine Strömungsverbindung zwischen dem vorher erwähnten im Querschnitt ringförmigen Spalt in dem Achsteil und dem Spalt außen um das Achsteil vorgesehen ist. Dabei fließt ein Teil des unter Druck stehenden, in dem
Cp
Zwischenraum in das Lager eingeführten Gases in das Innere des zylindrischen Achsteiles hinein und wieder hinaus. Dabei wird die Welle durch das Gas gekühlt. Dadurch wird der Wärmeübergang von der Welle zu dem Achsteil noch weiter verringert, so daß der Zwischenraum in dem Lager noch stabiler wird.
Wie aus der obigen Beschreibung der konstruktiven Merkmale hervorgeht, behält das erfindungsgemäße Lager die prinzipiellen Vorteile von Pneumatik-Achslagerungen bei. Im folgenden ist eine Ausführungsform der Erfindung an Hand von Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt eines Kraftfahrzeugturboladers mit einem Pneumatiklager gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform,
Fig. 2 einen Längsschnitt eines Kraftfahrzeugturboladers mit einer herkömmlichen Pneumatiklagerung,
Fig. 3 eiren Längsschnitt eines Achsteiles einer Pneumatiklagerung einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform,
Fig. 4 die Ansicht eines Endes des Achsteiles aus Fig, 3 und
Fig. 5 einen Längsschnitt eines teilweise geänderten Achsteiles der Pneumatiklagerung aus Fig. 1.
Die Fig. 1 zeigt einen Kraftfahrzeug-Turbolader, bei welchem die vorliegende Erfindung beispielhaft angewandt
wurde. Der Turbolader umfasst wie üblich ein Turbinenrad 10, welches sich in einem Turbinengehäuse 12 dreht, und ein Kompressorlaufrad 14, welches sich in einem Kompressorgehäuse 16 dreht. Zwischen der Turbine und dem Kompressor befindet sich ein Zentralgehäuse 18.
Das Turbinenrad 10 und das Kompressorlaufrad 14 sind miteinander durch eine zylindrische Welle 20 verbunden, welche eine gemeinsame Drehachse darstellt. In dem Zentralgehäuse 18 ist ein zylindrisches Lager 22 derart befestigt, daß sich die Welle 20 koaxial in der zylindrischen Öffnung 24 des Lagers 22 erstreckt. Zwischen der zylindrischen Innenfläche 26 des Lagers 22 und der Außenfläche der Welle 20 besteht ein relativ weiter Spalt. Um die Welle 20 herum ist koaxial ein hohlzylindrisches Achsteil 30 befestigt. Dieses Achsteil 30 hat eine zylindrische Wandung 32 und zwei Endplatten 34, von denen jede eine Zentralöffnung aufweist. Die zylin-
■UU drische Wandung 32 hat einen Innendurchmesser, welcher reichlich größer als der Durchmesser der Welle 20 ist, und weist im wesentlichen die gleiche Länge wie das zylindrische Lager 22 auf. Das Achsteil 30 ist auf der Achse 20 an den beiden Endplatten 34 befestigt, z.B.
dadurch, daß die Welle 20 knapp sitzend in die Zentralöffnungen der Endplatten 34 eingepasst ist so, daß die zylindrische Wandung 32 auf Abstand von der Welle 20 gehalten ist. Der innere Durchmesser des Lagers 22 und der äußere Durchmesser des Achsteiles 30 sind der-
SQ art gewählt, daß zwischen der Lagerfläche 26 und der äußeren Oberfläche des Achsteiles 30 ein Zwischenraum 37 besteht, dessen vorbestimmte Weite in diesem Ausführungsbeispiel 20 - 30 μπι beträgt.
Das zylindrische Lager 22 ist mit mehreren radialen Öffnungen 27 versehen, von denen jede einen eingeschnürten Düsenbereich 29 aufweist, welcher zur Lager-
fläche 26 hin geöffnet ist. Diese Öffnungen 27 sind ungefähr in gleichen Abständen um den Umfang und ungefähr
in gleichen Abständen in Achsrichtung angeordnet. Zwi-5
sehen der äußeren Oberfläche des Lagers 22 und der
Wandung des Zentralgehäuses 18 befindet sich ein im Querschnitt ringförmiger Spalt 25. Von einem nicht dargestellten Kompressor erstreckt sich ein Lufteinlassrohr 40 in das Zentralgehäuse 18, um in den Spalt 25 1 O
zu münden. Die öffnungen 27 dienen als Lufteinlassöffnungen, welche zwischen dem Spalt 25 und dem Zwischenraum 37 in dem Lager eine Strömungsverbindung vorsehen. In einem mittleren Bereich der zylindrischen Lagerfläche 26 ist eine Umlaufnut 42 ausgebildet. Durch das Lager 22 und das Zentralgehäuse 18 erstreckt sich ein Luftauslassohr 44, damit über die Nut 42 zwischen dem Zwischenraum 37 und der Atmosphäre eine Strömungsverbindung vorgesehen ist.
Für das Turbinenrad 10 ist ein Achslager 50 vorgesehen, welches mit mehreren Lufteinlassöffnungen 53 versehen ist. Jede dieser Lufteinlassöffnungen steht mit dem Spalt 25 in dem Zentralgehäuse 18 in Verbindung und besitzt einen eingeschnürten Düsenbereich 55, welcher in ■ die AxiaTlagerf lache zu dem Turbinenrad 10 mündet. Für das Kompressorlaufrad 14 ist ein Axiallager 60 vorgesehen, welches mit mehreren Lufteinlassöffnungen 63 versehen ist. Jede dieser Lufteinlassöffnungen steht mit dem oben erwähnten Spalt 25 in Verbindung und be-ου sitzt einen eingeschnürten Düsenbereich 65, welcher in die Axial lagerfläche zu dem Laufrad 14 hin mündet.
Während des Betriebes des Turboladers wird über das Lufteinlassrohr 40 komprimierte Luft in das Innere des Zentralgehäuses 18 eingeleitet. Die komprimierte Luft strömt aus den Düsenbereichen 29 der Lufteinlassöffnungen 27 auf die zylindrische Wandung 32 des Achsteiles 30 zu ·
mit der Wirkung, daß das Achsteil 30 schwimmend über der zylindrischen Lagerfläche 26 verbleibt. Gleichzeitig strömt die komprimierte Luft aus den Düsen 55 der Lufteinlassöffnungen 53 aus, um das Turbinenrad 10 schwimmend neben dem Axiallager 50 zu halten. Ebenso strömt die komprimierte Luft aus den Düsen 65 der Lufteinlassöffnungen 63, um das Kompressorlaufrad 14 schwimmend neben dem Axiallager 60 zu halten. Somit ist die an dem zylindrischen Achsteil 30 befestigte Welle 20 durch die komprimierte Luft frei drehbar gelagert.
Wenn die Turbine 10 mit sehr heißen Auspuffgasen betrieben wird, welche um 900°Cheiß sein können, nimmt
*° die Welle 20 aufgrund des Wärmestromes von der Turbine 10 zu der Welle 20 eine beachtlich hohe Temperatur an. Dennoch wird die Hitze nicht einfach von der Welle 20 an das zylindrische Achsteil 30 übertragen, da die zylindrische Wandung 32 des Achsteiles 30 von der Welle 20 abgerückt ist. Das Achsteil 30 ist mit der Welle 20 nur über die Endplatten 34 verbunden, welche nur in sehr kleinen Bereichen mit der Welle 20 in Kontakt stehen Deshalb erreicht das Achsteil 30 keine derart hohen Temperaturen, welche eine bedeutsame thermische Expansion des Achsteiles 30 verursachen wurden, sogar dann nicht, wenn die Welle 20 solch hohe Temperaturen erreicht. Mit anderen Worten bedeutet das, daß aus einem unvermeidbaren Ansteigen der Temperatur der Welle 20 keine bedeutsame Änderung der Weite des Zwischenraumes 37 zwischen der Lagerfläche 26 und dem zylindrischen Achsteil 30 resultiert. Aus diesem Grunde ist es ziemlich unwahrscheinlich, daß das Achsteil 30 während des Betriebes des Turboladers in Schleifkontakt mit der Lagerfläche 26 kommt. Deshalb behält das Pneumatik-Achslager aus Fig. 1 seine guten Lagerleistungen,ohne Abrieb oder Riefenbildung erleiden zu müssen.
Zum Vergleich zeigt die Fig. 2 die Verwendung eines herkömmlichen Pneumatik-Achslagers bei einem Turbolader aus Fig. 1. In diesem Fall besitzt· ein zylindrisches Lager 22 A für die Welle 20 A einen inneren Durchmesser welcher sehr dicht bei dem äußeren Durchmesser der Welle 20 A liegt, da die Welle 20 A selbst als das Achsteil der Lagerung dient. An der radialen äußeren Seite ist das Lager 22 A mit Umlaufnuten 28 versehen, welche eine Stömungsverbindung zwischen den Lufteinlassrohren 40 und den Lufteinlassöffnüngen 27 schaffen. Das Lager 22 A ist weiterhin mit einer weiteren Umlaufnut 42 A versehen, welche mit einer Luftablassnut 42 B in Verbindung steht, welche an der radial inneren Seite ausgebildet ist und auch mit einem nicht dargestellten Luftablassrohr versehen ist. Während des Betriebes schwimmt die Welle 20 A über der zylindrischen Lagerfläche 26 dadurch auf, daß die komprimierte Luft, welche aus den Düsenbereichen 29 der Lufteinlassöffnungen 27 ausströmt. Dennoch erfährt die Welle 20 A eine bedeutende thermische Ausdehnung, da die Wärmeleitung von der Turbine 10 anhält, wobei das Lager 22 A aufgrund der Kühlwirkung der komprimierten Luft nicht die entsprechende thermische Ausdehnung erfährt. Es ereignet sich folglich eine bedeutsame Abnahme in der Weite des Zwischenraumes zwischen der Welle 20 A und der Lagerfläche 26. Es passiert nicht selten, daß die sich drehende Welle 20 A in Schleifkontakt mit der Lagerfläche 26 kommt.
Wie aus den Fig. 3 und 4 ersichtlich ist, sind vorzugsweise mehrere der Durchgangsöffnungen 70 in jeder Endplatte 34 des Achsteiles 30 in Fig. 1 gebohrt. Ebenso befinden sich mehrere der Durchgangsöffnungen 72 in der zylindrischen Wandung 32 des gleichen Teiles 30. In jeder Endplatte 34 sind die Durchgangsöffnungen 70 in nahezu gleichen Winkelabständen angeordnet. Die Durchgangsöffnungen 72 in der zylindrischen Wandung 32
sind in einem mittleren Bereich gegenüber der Umlaufnut 42 des Lagers 22 in Fig. 1 plaziert und über den Umfang in ungefähr gleichen Abständen angeordnet. Falls nötig können Verstärkungsplatten 74 in dem zylindrischen Achsteil 30 befestigt werden. Natürlich besitzt jede Verstärkungsplatte 74 eine Zentralbohrung, durch welche sich die Welle 20 erstreckt. Die Verstärkungsplatten 74 können auch zur Befestigung des Achsteiles 30 auf der Welle 20 verwendet werden. Wenn das Achsteil 30 mit den Durchgangsöffnungen 70 und 72 versehen ist, werden die Verstärkungsplatten 74 ebenfalls mit Durchgangsöffnungei 76 ähnlich denen der Endplatten 3^
versehen.
15
Die Durchgangsöffnungen 70 in den Endplatten 3^ des Achsteiles 30 erlauben der komprimierten Luft in den Spalt 36 des Achsteiles 30 einzudringen, während die Durchgangsöffnungen 72 in der zylindrischen Wandung eine Strömungsverbindung zwischen dem Spalt 36 und der Nut /42 schaffen, welche die Verbindung mit dem Luftablassrohr 44 herstellt. Daher strömt ein Teil der komprimierten Luft, welche in den Zwischenraum 37 zwi-. sehen das Lager und das Achsteil 30 geblasen wurde, ° durch den inneren Spalt 36. Dann wird nicht nur das Achsteil 30 sondern auch die Welle 20 durch die komprimierte Luft gekühlt mit dem Effekt, daß die thermische Ausdehnung des Achsteiles 30 noch weiter unterdrückt wird, so daß die Weite des Zwischenraumes 37
ou sehr stabil wird. Da die Durchgangsöffnungen 70 und 72 reichlich entfernt von der Lagerfläche 26 liegen, wirkt sich die Anwesenheit dieser Öffnungen 70, 72 nicht ungünstig auf die Leistungsfähigkeit des Achslagers aus.
Fig. 5 zeigt eine weitere Änderung des Achsteiles 30 aus Fig.1 . In diesem Fall ist die zylindrische Wandung 32 des Achsteiles 30 länger als das zylindrische Lager
ausgebildet, so daß beide Endteile des Achsteiles außerhalb des Bereiches der Lagerfläche 26 liegen. Ähnlich zu dem Gegenstück in Fig. 3 ist das Achsteil 5
aus Fig. 5 mit radialen Durchgangslöchern 72yersehen,welche im mittleren Bereich der Umlaufnut 42 de..s Lagers 22 gegenüberliegend angeordnet sind. Zusätzlich dazu sind radiale Durchgangsöffnungen 78 in den Endteilen der hinausragenden zylindrischen Wandung 32 derart ange-
bracht, daß keine dieser Öffnungen 78 direkt gegenüber der Lagerfläche 26 gelegen ist. In jedem Endteil sind diese Durchgarigsöffnungen 78 in ungefähr gleichen Abständen um den Umfang herum angeordnet. Bei diesem Achsteil 30 haben die Endplatten 34 keine Öffnungen, welche den öffnungen 70 in den Fig. 3 und 4 entsprächen.
Im Falle der Fig. 5 strömt ein Teil der komprimierten Luft, welche in den Zwischenraum 37 geblasen wurde, durch die Öffnungen 78 der Endteile in den Spalt 36
des Achsteiles 30 hinein und durch die öffnungen 72 des mittleren Bereiches wieder hinaus. Daher wird die Welle 20 wirksam gekühlt in der gleichen Weise, wie bei der Verwendung der Achsteile 30 aus den Fig. 3 und 4. Vorteilhaft an dem Achsteil 30 aus Fig. 5 ist es, daß die Endplatten 34 eine höhere Festigkeit besitzen, da keine Durchlassöffnungen für Luft darin vorgesehen sind.
Es versteht sich, daß die oben beschriebenen Ausführungsö formen lediglich beispielhaft sind und daß die vorliegende Erfindung auf verschiedene Arten von Maschinen, einschließlich Gasturbinen anwendbar ist, bei denen eine sich drehende Welle ein Achslager erfordert und
während des Betriebes hohen Temperaturen ausgesetzt ist. 35

Claims (5)

  1. ANSPRÜCHE
    Pneumatik-Achslager
    -^q 1. Pneumatik-Achslager, gekennzeichnet durch
    einen im wesentlichen zylindrischen Lagerkörper (22) mit einer zylindrischen Lauffläche (26) an der Innenseite,
    eine drehbare Welle (20), welche einen äußeren Durchmesser aufweist, der wesentlich kleiner als der Durchmesser der zylindrischen Lagerfläche (26) ist, und die sich koaxial durch den zylindrischen, durch die Lager- J fläche (26) begrenzten Spalt (24) erstreckt, \
    _0 ein zylindrisches Achsteil (30), welches einen Hohlzylinder umfasst mit einem inneren Durchmesser, welcher wesentlich größer als der äußere Durchmesser der Welle (20) ist mit einem äußeren Durchmesser, welcher geringfügig kleiner als der Durchmesser der Lagerfläche k (26) ist und mit zwei Endplatten (34), von denen jede eine Öffnung umfasst, durch welche sich die Welle (20) erstreckt, und sowohl an der Welle (20) als auch an dem Hohlzylinder (30) derart befestigt ist, daß der Hohlzylinder (30) koaxial und mit Abstand zur Welle (20) _ gehalten ist, so daß ein im Querschnitt ringförmiger Spalt (36) um die Welle (20) gebildet ist und ein Zwischenraum (37) von vorbestimmter Weite zwischen der äußeren Oberfläche des Hohlzylinders (30) und der Lagerfläche (26) verbleibt, und
    o_ Durchlasseinrichtungen (40, 25, 27, 29) für Gas zum Einführen eines unter Druck stehenden Gases in den Zwischenraum (37).
    ORIGINAL INSPECTED
    10
  2. 2. Pneumatik-Achslager nach Anspruch 1, dadurch g ekennzeichnet, daß das zylindrische Achsteil (30) mit mehreren Durchgangsöffnungen (70, 72, 78) versehen ist, welche derart angeordnet sind, daß ein Teil des unter Druck stehenden, in den Zwischenraum (37) eingeführten Gases in den im Querschnitt ringförmigen Spalt (36) einführbar ist, und derart, daß das zugeführte Gas auströmen kann.
  3. 3- Pneumatik-Achslager nach Anspruch. 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Durchgangsöffnungen (72) in dem Hohlzylinder (30) und
    der verbleibende Teil (70) in den Endplatten (34) an-Ib
    gebracht ist.
  4. 4. Pneumatik-Achslager nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der zylindrischen Lagerfläche (26) eine Umlaufnut (42) derart ausgebildet ist, daß die Durchgangsöfffnungen (72) in dem Hohlzylinder (30) in die Umlaufnut (42) münden.
    __
  5. 5. Pneumatik-Achslager nach mindestens einem der An-2ö
    Sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlzylinder (30) eine größere Länge aufweist als die Länge der zylindrischen Lagerfläche (26) und derart angeordnet ist, daß beide Endteile des Hohlzylinders (30) nicht gegenüber der Lagerfläche (26) lie-30
    gen, wobei zumindest ein Teil (78) der Durchgangsöffnungen (72, 78) in den Endteilen des Hohlzylinders (30) angeordnet ist.
    35
DE19853503695 1984-02-10 1985-02-04 Pneumatik-achslager Ceased DE3503695A1 (de)

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