DE3541702C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Lagerung der Welle eines Abgas­ turboladers nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie beispielsweise aus der WO 80/02 585 als bekannt hervorgeht.

In der eingangs erwähnten WO 80/02 585 ist unter anderem ein Abgasturbolader aufgezeigt, dessen Welle durch zwei innen­ liegende, d. h. zwischen Verdichter und Turbine angeordnete Lager im Gehäuse gelagert ist. Durch eine am Gegenlager ab­ gestützte, axial wirkende, vorgespannte Feder wird auf ei­ nen äußeren, gegen das Gehäuse axial verschiebbaren Lager­ ring eines Lagers ein Druck ausgeübt, und damit die Wälz­ körper des Lagers an die äußere Laufbahn im Lagerring und an die in die Welle hineingearbeitete Laufbahn angedrückt. Da auch die Welle relativ zum Gehäuse axial verschiebbar ist, und die innere Laufbahn des weiteren Lagers ebenfalls in die Welle hineingearbeitet ist, und der äußere Lagerring dieses Lagers im Gehäuse axial festgelegt ist, werden die Wälzkörper dieses Lagers durch die Vorspannung der Feder ebenfalls an ihre Laufbahnen gedrückt.

In ähnlicher Weise werden nach der DE-AS 10 88 769 die Lager­ ringe von Kugellagern einer durch ein Turbinenrad angetrie­ benen Gebläseeinrichtung verspannt.

Durch die Feder wird an den Lagern in allen Betriebszuständen eine konstante Kraft aufgebracht, und dadurch Lagerspiel ver­ mieden. Insbesondere bei hohen Drehzahlen, wie diese etwa bei Abgasturboladern auftreten, ist Voraussetzung für eine hohe Lebensdauer, daß die Wälzkörper ständig spielfrei an ihren Laufbahnen anliegen und darauf abrollen. Nachteilig ist jedoch die aus der Andrückkraft resultierende Lagerverlustreibung, die besonders bei niedrigen Drehzahlen unnötig hoch ist. Dies liegt daran, daß die Vorspannung der Feder so eingestellt ist, daß bei hohen Drehzahlen ausreichend hohe Andrückkräfte erzeugt werden, die auch bei niederen Drehzahlen wirken, bei niederen Drehzahlen aber längst nicht so hoch sein müssen.

In dem DE-GM 83 28 100 ist ein Luftlager für Abgasturbolader dargestellt. Als Axiallager dient dabei eine mit der Welle verbundene Lagerscheibe, die zwischen am Gehäuse zugeordneten Lagerflächen frei rotiert. Infolge der sich in den Lagerspalten aufbauenden Luftströmung wird verhindert, daß sich die Flächen an Gehäuse und Lagerscheibe berühren. Um einem an der Welle des Abgasturboladers wirkenden Axialschub entgegenzuwirken, ist die eine Seite der Lagerscheibe mit Druckgas aus dem Verdichter des Abgasturboladers, und die andere Seite mit dem Druck der Umgebungsluft beaufschlagt. Eine solche Luftlagerung wird in der Praxis bei Abgasturboladern jedoch kaum ausgeführt, weil die Tragfähigkeit des Lagers in der Regel nicht ausreicht. Eine ausreichende Tragfähigkeit ist nur bei sehr hohen Umlaufgeschwindigkeiten mit großen Durchmessern der Lagerscheibe zu verwirklichen. Dann ergeben sich aber ungünstig hohe Massenträgheitsmomente und ein großer Bauraumbedarf.

In der DE-OS 20 61 393 dienen schwimmende Büchsen zur Lagerung der Welle eines Abgasturboladers. Hierzu wird unter dem Schmiermitteldruck stehendes Schmieröl zwischen die Schmierspalte gedrückt. Der Schmieröldruck bewirkt an den Büchsen zugleich eine axial wirkende Kraft, die zur Dämpfung von Wellenschwingungen herangezogen wird. Nachteilig an solchen Lagern ist der hohe, erforderliche Öldurchsatz, der eine hohe Pumpenleistung verlangt. Ferner ist die Lagerverlustreibung relativ hoch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung für Wälzlager aufzuzeigen, mit der sich die Lagerverlust­ reibung senken läßt, und dennoch korrekter Lagerlauf und damit eine hohe Lebensdauer der Lager gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Eine Verminderung der Lagerverlustreibung wird dadurch erreicht, daß die an den Lagern wirkenden Verspannungskräfte mit der Drehzahl variabel einstellbar sind. Hierfür ist beispielsweise der Gasraum des Verdichters mit dem Druckraum eines Pneumatikzylinders verbunden, der an den Lagerringen wirkt. Entsprechend ist bei kleinen Drehzahlen der Ladedruck und somit die Kraftwirkung des Pneumatikzylinders gering. Mit steigender Drehzahl steigt auch der Ladedruck und somit die Kraftwirkung auf die Lagerringe. Zusätzlich zum Zylinder kann in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung auch eine Feder parallel oder in Reihe geschaltet sein. Diese Feder ist gerade so steif ausgelegt, daß sie bei niederen Drehzahlen eine gewisse Mindestandrückkraft an den Lagern aufbringt, die aber wesentlich niedriger ist, als die bei hohen Drehzahlen erforderlichen Kräfte.

Vorteilhaft ist, daß aufgrund der Herabsetzung der Reibungsver­ luste im unteren Drehzahlbereich dort auch eine entsprechend höhere Energie zur Umsetzung in Nutzenergie beispielsweise zur Laderbeschleunigung - zur Verfügung steht.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dar­ gestellt und werden im folgenden näher beschrieben; es zeigt

Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines Abgasturboladers mit einer Ausführungsmöglichkeit für einen an den Wälz­ lagern wirkenden Pneumatikzylinder,

Fig. 2 einen Abschnitt aus einer Fig. 1 entsprechenden Ansicht eines Abgasturboladers, mit an einem Lager­ ring und Gehäuseteilen angeformten Kolbenflächen eines Pneumatikzylinders.

Bei dem in Fig. 1 in einer Querschnittsansicht dargestellten Abgasturbolader 1 ist die Welle 3, an deren Enden Turbinen­ laufrad 4 und Verdichterlaufrad 5 befestigt sind, in einem verdichterseitigen Wälzlager 19 und einem turbinenseitigen Wälzlager 20 mit kugelförmigen Wälzkörpern 21, 22 gelagert. Die äußeren Lagerringe 9, 10 der Kugellager liegen drehge­ sichert in einem rohrförmigen Lagerträger 8, der seinerseits im Lagergehäuse 2 des Abgasturboladers 1 befestigt ist. Innen liegen die Wälzkörper 22 des turbinenseitigen Wälzlagers 20 an einer in die Welle 3 hineingearbeiteten Laufbahn an. Das verdichterseitige Wälzlager 19 besitzt einen inneren Lagerring 13, der mit der Welle 3 verbunden ist. Für die Schmierung der Kugellager und zum Aufbau eines Dämpfungsfilms zwischen den Wandungen des Lagerträgers 8 und den äußeren La­ gerringen 9, 10 sind Ölbohrungen im Lagerträger 8 und im La­ gergehäuse 2 vorgesehen. Ferner ist eine Druckleitung 17 vor­ gesehen, die eine Verbindung zwischen dem Gasraum 18 des Ver­ dichters und dem Druckraum 16 eines Pneumatikzylinders 14 darstellt, der zwischen einer Stirnfläche des äußeren Lager­ ringes 10 und einer Innenschulter des Lagerträgers 8 liegt.

Der Druckraum 16 des Pneumatikzylinders 14 könnte aber auch, wie aber nicht dargestellt, mit einem Gasraum der Turbine verbunden sein. Der Pneumatikzylinder 14 besitzt ringförmige Zylinderdeckel, die als Kolbenflächen wirken und an den La­ gerträger 8 angrenzen und gegenüber diesem abgedichtet sind. Zwischen dem äußeren Lagerring 9 des turbinenseitigen Wälz­ lagers 20 und dem ihm zugewandten Zylinderdeckel des Pneu­ matikzylinders 14 liegt eine schwache Feder 15.

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt einer Fig. 1 entsprechenden Querschnittsansicht eines Abgasturboladers 1 im Bereich des verdichterseitigen Wälzlagers 19. Hier sind die Kolbenflächen des Pneumatikzylinders 14 an den äußeren Lagerring 10 und den Lagerträger 8 angeformt, wodurch die Anzahl der Montageteile in vorteilhafter Weise verringert wird. Zur Aufrechterhaltung einer Mindestandrückkraft bei niederen Drehzahlen ist die Fe­ der 15 am verdichterseitigen und turbinenseitigen Lagerring abgestützt. Die sich aus Kolbenfläche und Druck am Pneumatik­ zylinder ergebende Kraft wirkt in axialer Richtung auf den Lagerring 10, wodurch die Wälzkörper 21 gegen ihre Laufbahn am inneren Lagerring 13 angedrückt werden. Da der Lagerring 13 mit der Welle 3 verbunden ist, die Welle 3 aber axial ver­ schiebbar gelagert ist, findet eine axiale Verschiebung der Welle 3 statt, bis auch ein Spiel am turbinenseitigen Wälz­ lager 20 ausgeglichen ist, und die Wälzkörper 22 an ihren Laufbahnen am Lagerring 9 und der Welle 3 anliegen. Um über­ flüssige Lagerverlustreibung zu vermeiden, ist es nötig, die Andrückkraft mit der Drehzahl zu verändern. Das heißt bei niedri­ ger Drehzahl ist es erwünscht, daß die Andrückkräfte wesent­ lich niedriger sind, als bei hohen Drehzahlen. Da mit zuneh­ mender Drehzahl der Ladedruck steigt und der Ladedruck am Pneumatikzylinder 14 ansteht, ergibt sich bei niedriger Dreh­ zahl eine kleine Kraftwirkung des Pneumatikzylinders und bei hohen Drehzahlen eine wesentlich höhere Kraftwirkung. Somit steht insbesondere bei niedrigen Drehzahlen aufgrund der ver­ minderten Lagerverlustreibung eine höhere Energie zur Verfü­ gung, die beispielsweise beim Beschleunigungsvorgang verwendet werden kann. Eine vorzugsweise mit dem Pneumatikzylinder pa­ rallel geschaltete Feder 15 ist so ausgelegt, daß eine ge­ wisse Mindestandrückkraft nicht unterschritten wird, und be­ reits beim Anfahren des Abgasturboladers 1 die Wälzkörper an ihre Laufbahnen gedrückt sind.

Claims (4)

1. Lagerung der Welle eines Abgasturboladers in zwei um die Welle angeordneten Wälzlagern, wobei jedes Wälzlager aus relativ zueinander axial verschiebbaren Laufbahnen und daran abrollenden Wälzkörpern gebildet ist, und wobei mindestens eine Laufbahn auf einem kreisringförmigen Lagerring ausgebildet ist und dieser Lagerring vermittels einer eine Axialkraft aufbringenden Einrichtung, die Wälzkörper des zugeordneten, und wenigstens mittelbar auch die Wälzkörper des weiteren Wälzlagers auf die jeweiligen Laufbahnen drückt, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest bei erhöhten Drehzahlen zur Erzeugung der Axialkraft ein im Bereich der Wälzlager (19, 20) angeordneter Pneumatikzylinder (14) dient, der mit dem axial verschiebbaren äußeren Lagerring (10) kraftschlüssig verbunden ist und über eine Druckleitung (17) mit einem Druckgas enthaltenden Gasraum (18) des Abgasturboladers (1) in Verbindung steht.

2. Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer der äußeren Lagerringe (10) selbst als Kolbenfläche des Pneumatikzylinders (14) ausgebildet ist.

3. Lagerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß am Lagerträger (8) eine Kolbenfläche und der Zylindermantel des Pneumatikzylinders (14) angeformt ist.

4. Lagerung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Pneumatikzylinder (14) erzeugten Axialkraft eine von einer Feder (15) herrührende gleichgerichtete Axialkraft überlagert ist.