DE3733079A1 - Gaslagerkoerper - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft Gaslager und
insbesondere einen Gaslagerkörper, der mit einer
zylindrischen Bohrung zur Drehlagerung eines Zapfenteils
einer Welle und radial in die zylindrische Bohrung
einmündenden Gaseinströmöffnungen ausgebildet ist.
In Gaslagern, die beispielsweise in Turboladern für
Kraftfahrzeuge und auch in Instrumenten zum Messen des
dynamischen Gleichgewichts von Turboladern oder dgl.
verwendet werden, schwimmt der Zapfenteil einer
rotierenden Welle auf einem ringförmigen Film eines
komprimierten Gases, das durch in den Lagerkörper
gebohrte Radialöffnungen in das Lager eingeleitet wird.
Üblicherweise werden entgegengesetzte Endabschnitte der
zylindrischen Bohrung im Lagerkörper als echte
Lagerabschnitte verwendet. Das heißt, daß in den
jeweiligen Endabschnitten das Spiel zwischen der Welle
und der zylindrischen Innenfläche des Lagerkörpers genau
festgelegt ist und die Gaseinströmöffnungen in diesen
Endabschnitten in die zylindrische Innenfläche
einmünden.
Bei Anlauf- und Anhaltevorgängen und auch dann, wenn ein
hohes Maß an Unwucht bei der Rotation der Welle
auftritt, kommt die rotierende Welle jedoch in den
Lagerabschnitten in direkten Kontakt mit der Innenfläche
des Lagerkörpers. Deshalb ist es erforderlich, der
zylindrischen Innenfläche des Lagerkörpers in seinen
Lagerabschnitten Verschleißfestigkeit zu verleihen. Dies
geschieht durch eine Härtebehandlung, wie etwa eine
Nitrierhärtung, oder durch Verwendung eines keramischen
Werkstoffes oder eines Sinterkarbids in den
Lagerabschnitten. Wenn eine derartige Maßnahme ergriffen
wird und insbesondere bei Verwendung eines keramischen
Werkstoffes oder Sinterkarbids treten jedoch
Schwierigkeiten beim Bohren der Gaseinströmöffnungen und
beim Polieren der zylindrischen Innenfläche in den
Lagerabschnitten auf, so daß ein großer Anstieg der
Herstellungskosten des Lagerkörpers unvermeidbar ist.
Ein Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines
verbesserten Gaslagerkörpers, der eine sehr hohe
Verschleißfestigkeit der Innenfläche in den
Lagerabschnitten aufweist und ohne wesentliche Erhöhung
der Bearbeitungskosten leicht hergestellt werden kann.
Erfindungsgemäß ist ein Gaslagerkörper geschaffen, der
aus einem Metall hergestellt und mit einer zylindrischen
Bohrung zur Aufnahme einer drehbar sich
hindurcherstreckenden Welle und radial in die
zylindrische Bohrung einmündenden Gaseinströmöffnungen
ausgebildet ist, welcher Lagerkörper dadurch
gekennzeichnet ist, daß lediglich in entgegengesetzten
äußersten Endabschnitten der zylindrischen Bohrung die
die Bohrung abgrenzende zylindrische Innenfläche mit
einem anderen, eine höhere Härte als das genannte Metall
und einen nichtmetallischen Stoff aufweisenden Material
versehen ist, und daß sämtliche Gaseinströmöffnungen in
in Längsrichtung einwärts der äußersten Endabschnitte
gelegenen Abschnitten angeordnet sind, so daß sie in die
vom genannten Metall geschaffene zylindrische
Innenfläche einmünden.
Das zur Schaffung der zylindrischen Innenfläche in den
beiden Endabschnitten, nämlich Lagerabschnitten, der
zylindrischen Bohrung verwendete harte Material ist
entweder ein keramischer Werkstoff oder ein
Sinterkarbid. In bevorzugten Ausführungsbeispielen der
Erfindung ist die harte Innenfläche des Lagerkörpers in
jedem seiner Lagerabschnitte durch Einsetzen einer aus
einem keramischen Werkstoff oder einem Sinterkarbid
geformten hohlen zylindrischen Buchse in jedem äußersten
Endabschnitt des gebohrten Lagerkörpers geschaffen.
In einem Gaslagerkörper gemäß der Erfindung weist die
zylindrische Innenfläche in jedem Lagerabschnitt infolge
der Verwendung eines keramischen Werkstoffes oder eines
Sinterkarbids einen sehr hohen Abriebswiderstand auf.
Bei diesem Lagerkörper gibt es keine Schwierigkeiten,
die radialen Gaseinströmöffnungen auszubilden, da sie in
völlig metallischen Abschnitten gebohrt sind. Deshalb
führt die Verwendung des sehr harten Materials zur
Schaffung verschleißfester Lagerflächen nicht zu einem
wesentlichen Anstieg der Bearbeitungskosten. Überdies
ist es im Fall des Auftretens von Verschleiß der
Lagerflächen durch langen und wiederholten Betrieb
möglich, das Lager durch einfachen Austausch der
keramischen oder Sinterkarbid-Buchsen anstelle des
Austausches des Lagerkörpers als Ganzes zu reparieren.
Wenn dies berücksichtigt wird, ergibt sich eine weitere
Vergrößerung des den Kostenaspekt der Erfindung
betreffenden Vorteils.
Nachstehend ist die Erfindung anhand eines
Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung
näher beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 einen Längsschnitt eines Gaslagerteils
einer Gasturbinenvorrichtung; und
Fig. 2 einen Längsschnitt eines im Gaslagerteil
nach Fig. 1 verwendeten Lagerkörpers
gemäß der Erfindung.
Fig. 1 zeigt eine Anwendung der vorliegenden Erfindung
in einer Gasturbinenvorrichtung, wie etwa einem
Turbolader für Kraftfahrzeuge. Das Bezugszeichen 10
kennzeichnet ein Turbinenrad, das fest an eine
zylindrische Welle 12 montiert ist. Die Welle 12 ist in
einem Gaslagerkörper 20, dessen Einzelheiten in Fig. 2
gezeigt sind, drehbar gelagert. Das heißt, der
Lagerkörper 20 ist mit einer zylindrischen Bohrung 22
ausgebildet, durch die die Welle 12 sich
hindurcherstrecken kann. Die zylindrische Bohrung weist
in ihrem Mittelabschnitt einen Durchmesser auf, der
sichtbar größer als der Durchmesser der Welle 12 ist. Die
zylindrische Bohrung 22 weist in ihren entgegengesetzten
Endabschnitten 24, um als echte Lagerabschnitte zu
dienen, einen genau bestimmten Durchmesser auf, der
etwas größer als der Durchmesser der Welle 12 ist, so
daß ein vorbestimmtes Spiel zwischen der zylindrischen
Innenfläche 26 des Körpers 20 und der Welle 12 vorhanden
sein kann, wenn die Welle 12 exakt koaxial mit der
Bohrung 22 ist. Der Lagerkörper 20 ist mit einer
Mehrzahl von Radialöffnungen 28 ausgebildet, durch
welche während des Betriebs der Gasturbine ein
komprimiertes Gas in den ringförmigen Spalt zwischen der
zylindrischen Innenfläche 26 und der Welle 12
eingeleitet wird. Das Gas wird entlang der rotierenden
Welle 12 in Axialrichtung der Bohrung 22 evakuiert.
Der Lagerkörper 20 ist aus einem Metall hergestellt, das
als tragendes Material dient und ohne große
Schwierigkeit maschinell bearbeitet werden kann. Jedoch
ist der Lagerkörper 20 erfindungsgemäß lediglich in
einem äußersten Teil jedes Lagerabschnittes 24 mit einer
sehr harten und verschleißfesten Innenfläche versehen.
Dies wird durch passende Vergrößerung des Durchmessers
der Bohrung 22 in ihren äußersten Endabschnitten und
durch strammes Einsetzen einer aus einem keramischen
Werkstoff oder einem Sinterkarbid geformten hohlen
zylindrischen Buchse 30 in jeden der inwändig
vergrößerten Abschnitte des Lagerkörpers 20 erreicht. Es
ist wichtig, daß sämtliche Gaseinströmöffnungen 28 in
Längsrichtung einwärts der eingesetzten Buchsen 30
angeordnet sind. Das heißt, daß jede Gaseinströmöffnung
28 in einen vollständig metallischen Abschnitt des
Lagerkörpers 20 gebohrt ist und in die zylindrische
Innenfläche 26 des Metallkörpers einmündet.
Ein sehr gutes Beispiel des keramischen Werkstoffes als
Material für die harten Buchsen 30 ist Si₃Ni₄, obwohl es
auch möglich ist, ein anderes keramisches Material, wie
etwa SiC, ZrO₂ oder Al₂O₃, zu verwenden. Ein sehr gutes
Beispiel für das Sinterkarbid als Material für die
Buchsen 30 ist ein WC-TiC-TaC-Co-System, obwohl auch die
Verwendung eines anderen Systems, wie etwa WC-TiC-Co
oder WC-Co, möglich ist.
Zwei Arten von Proben, Probe (1) und Probe (2), des in
Fig. 2 gezeigten Lagerkörpers 20 wurden unter Verwendung
des Si₃N₄ keramischen Werkstoffes bzw. des
WC-TiC-TaC-Co-Sinterkarbids (ISO K-01) als Material für
die eingesetzten Buchsen 30 hergestellt. Das
Basismaterial des Lagerkörpers 20 war ein Aluminium-
Chrom-Molybdän-Stahl (SACM 645). Für Vergleichszwecke
wurde eine Probe (3) des Lagerkörpers 20 ohne Verwendung
der harten Buchsen 30 hergestellt. Das heißt, daß in der
Probe (3) die gesamten Bereiche der zylindrischen
Innenfläche 26 durch den Stahl (SACM 645) geschaffen
wurden. Außerdem wurden unter Verwendung des gleichen
Stahls wie das Basismaterial des Lagerkörpers 20 zwei
Proben hergestellt, die nicht der Erfindung entsprechen.
In der Probe (4) wurde das gesamte Bereich der
zylindrischen Innenfläche in jedem Lagerabschnitt 24
durch Si₃N₄ geschaffen, so daß die Gaseinströmöffnungen
30 durch die keramische Schicht gebohrt wurden. In der
Probe (5) wurde der gesamte Bereich der zylindrischen
Innenfläche 26 in jedem Lagerabschnitt 24 durch das
vorerwähnte WC-TiC-TaC-Co-Sinterkarbid geschaffen, so
daß die Öffnungen 28 durch die Sinterkarbidschicht
gebohrt wurden.
Jeder dieser Proben-Lagerkörper wurde im Gaslagerteil
des Turboladers nach Fig. 1 eingesetzt, und das
Turbinenrad 10 wurde 10 000mal zyklisch angetrieben.
Während jedes Betriebszyklus wurde die Geschwindigkeit
von 0 bis zu einem Maximum von 3000 U/min erhöht und
dann auf 0 reduziert. Die Betriebszeit betrug 1 min.
Anschließend wurde an den in Fig. 2 gekennzeichneten
Stellen A, B, C und D der Verschleiß der Innenfläche des
Lagerkörpers gemessen. Die Ergebnisse sind in der
folgenden Tabelle gezeigt.
Außerdem sind die Herstellungskosten für diese Proben-
Lagerkörper in der gleichen Tabelle durch
Vergleichsziffern auf der Basis von 100 für die Kosten
der Referenzprobe (3) gezeigt. Bei der Herstellung
dieser Proben wurden die Teile aus keramischem Werkstoff
mit Diamant-Werkzeugen bearbeitet, während die
Bearbeitung der Sinterkarbidteile nach einem elektroerosiven
Bearbeitungsverfahren erfolgte.
Aus den Testergebnissen der vorstehenden Tabelle ergibt
sich als offensichtlich, daß die erfindungsgemäßen
Lagerkörper in den Lagerabschnitten eine ausreichend
hohe Verschleißfestigkeit der zylindrischen Innenfläche
aufweisen: Der Verschleiß von weniger als 1 µm ist
innerhalb der Grenzen der Meßgenauigkeit. Ferner ergibt
sich aus dieser Erfindung eine beträchtliche Reduzierung
der Herstellungskosten im Vergleich mit den bekannten
Techniken zur Schaffung einer verschleißfesten
Innenfläche unter Verwendung eines keramischen Materials
oder eines Sinterkarbids.
Claims (4)
1. Gaslagerkörper, hergestellt aus einem Metall und
ausgebildet mit einer zylindrischen Bohrung zur Aufnahme
einer drehbar sich hindurcherstreckenden Welle und
radial in die zylindrische Bohrung einmündenden
Gaseinströmöffnungen, dadurch
gekennzeichnet, daß lediglich in
entgegengesetzten äußersten Endabschnitten der
zylindrischen Bohrung (22) die die Bohrung (22)
abgrenzende zylindrische Innenfläche (26) mit einem
anderen, eine höhere Härte als das genannte Metall und
einen nichtmetallischen Stoff aufweisenden Material
versehen ist, und daß sämtliche Gaseinströmöffnungen
(28) in in Längsrichtung einwärts der äußersten
Endabschnitte gelegenen Abschnitten angeordnet sind, so
daß sie in die vom genannten Metall geschaffene
zylindrische Innenfläche (26) einmünden.
2. Gaslagerkörper nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das andere Material
ein keramischer Werkstoff ist.
3. Gaslagerkörper nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das andere Material
ein Sinterkarbid ist.
4. Gaslagerkörper nach wenigstens einem der
Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß jeder der äußersten Endabschnitte der zylindrischen
Bohrung (22) durch eine zylindrische Innenfläche einer
aus dem genannten anderen Material geformten und in den
Lagerkörper (20) eingesetzten hohlen zylindrischen
Buchse (30) umgrenzt ist.
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