DE3801590A1

DE3801590A1 - Axial vorgespannte waelzlagerung

Info

Publication number: DE3801590A1
Application number: DE3801590A
Authority: DE
Inventors: Ambrogio Perego
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1987-01-30
Filing date: 1988-01-21
Publication date: 1988-08-11
Anticipated expiration: 2008-01-22
Also published as: GB2200696B; GB8802171D0; CH673052A5; DE3801590C2; US4789253A; GB2200696A; JP2574358B2; JPS63195410A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine axial vorgespannte Wälz lagerung einer Welle in einem Gehäuse, wobei die Welle an minde stens einem ihrer beiden Wellenenden einen scheibenförmigen, axialsymmetrischen, fliegend gelagerten Bauteil aufweist und die beiden, einwärts der Wellenenden angeordneten Wälzlager mit ih rem Innenring auf der Welle axial starr verspannt sind und mit ihrem Außenring in je einer Dämpfungsbüchse sitzen, welche ihrerseits im Inneren einer in einem Lagergehäuse befestigten Lagerbüchse an deren beiden Enden axialverschieblich gelagert sind, ferner mit Kanälen zur Zufuhr von Schmieröl zu den Wälz lagern bzw. aus ihnen weg zurück in einen Ölsumpf eines Schmierölkreislaufs.

Stand der Technik

Die erfindungsgemäße Wälzlagerung eignet sich vorwiegend für die dynamisch stabile Lagerung von hochtourig angetriebenen Wellen, beispielsweise in Abgasturboladern, deren Läufer z. B. mit bis zu 60 000 U/min rotieren. Um einen stabilen, ruhigen Lauf der Welle zu erreichen, die an ihren beiden Enden ein fliegend gelagertes Turbinenrad bzw. Verdichterrad trägt, und um unkon trollierte Schlupfzustände in den Wälzlagern, bei denen es sich gewöhnlich um Schrägkugellager handelt, zu vermeiden, werden diese axial vorgespannt. Dazu dienen meistens zur Welle koaxial angeordnete Schrauben- oder Tellerfedern, durch welche die Innenringe der Lager über die Kugeln gegenüber den Außenringen verspannt werden.

Um diese Vorspannung für jeden Betriebszustand aufrechtzuerhal ten, darf sie nicht zu klein sein, was eine nicht unbedeutende Lagerverlustleistung zur Folge hat. Sie beeinträchtigt die Le bensdauer der Kugellager und im Fahrbetrieb das Hochbeschleu nigen des Läufers bei einer Lastzunahme des Fahrzeugs.

Bei einer in der DE-OS 35 31 313 beschriebenen Lagerung eines Turboladerläufers, die dort als zum Stand der Technik gehörend erwähnt ist, erfolgt die axiale Vorspannung der beiden Kugel lager durch eine die Lagerwelle koaxial umgebende Schraubenfe der, die sich auf zwei Büchsen abstützt, welche die Kugellager aufnehmen und die mit radialem Spiel schwimmend in der Bohrung des Lagergehäuses sitzen, in der die Wellenlagerung untergebracht ist. Im Betrieb wird das radiale Spiel zwischen den besagten Büchsen und der sie aufnehmenden Bohrung durch das unter Druck stehende Lagerschmieröl ausgefüllt, wodurch eine beschränkt nachgiebige, aber stabile Lage der Wellenachse erreicht werden soll.

Daß die beiden, die Kugellager aufnehmenden Büchsen voneinan der getrennt sind und sich daher unabhängig von einander bewegen können, hat gemäß der erwähnten DE-OS den Nachteil, daß die Stabilität der Drehbewegung bzw. die Lage der Lagerwelle nicht in erwünschtem Maße gewährleistet ist. Darüber hinaus soll bei dieser Ausführung die axiale Vorspannkraft ziemlich groß sein mit der Folge einer Verringerung der Lagerlebensdauer und des mechanischen Wirkungsgrades.

Als Abhilfe wird daher dort vorgeschlagen, für die zwei Kugel lager eine einteilige Büchse vorzusehen. Durch einen lose in die Büchse und in das Lagergehäuse eingreifenden Stift wird eine Verdrehung der Büchse verhindert und durch Spiele zwischen den beiden Stirnseiten der Büchse und der Lagergehäusebohrung sowie durch eine gegen das turbinenseitige Kugellager gerichtete Boh rung in der Büchse gelangt Schmieröl in das Innere der Büchse und zerstäubt zu einem Schmierölnebel, der eine sichere Schmie rung der beiden Kugellager gewährleistet. Durch die genannte Bohrung wird das Öl auch gegen das stärker wärmebelastete tur binenseitige Kugellager gespritzt und dieses dadurch auch ge kühlt.

Davon und von einer stabileren Wellenlage infolge der einstücki gen Büchse abgesehen, besteht jedoch auch beim Gegenstand dieser DE-OS der Nachteil einer axialen Vorspannung der beiden Kugel lager, die genau wie bei der eingangs genannten Bauart mit zwei Büchsen ständig in gleicher Stärke wirkt und ebenfalls nicht unerhebliche Lagerreibungsverluste zur Folge hat.

Aufgabe und Vorteile der Erfindung

Mit der erfindungsgemäßen Lagerung soll zur Verbesserung des mechanischen Wirkungsgrades der letztgenannte Nachteil der er wähnten bekannten Bauart von Lagerungen für hochtourige Läufer und ähnliche Maschinenteile vermieden werden. Zu diesem Zweck wird auf eine konstante Belastung der Kugellager durch Federn verzichtet und eine axiale Vorspannung allein durch Ausnützung der vom Schmieröldruck erzeugten und drehzahlabhängigen hydrau lischen Druckwirkungen erreicht. Man erhält dadurch eine mit steigender Drehzahl zunehmende axiale Vorspannung, wobei diese im Stillstand gleich Null und im unteren Bereich viel geringer ist als bei den obenerwähnten Bauarten mit konstant großer Vorspannung und dadurch auch bei tieferen Drehzahlen entsprechend größerer Reibungsverlustleistung. Der drehzahlabhängige Verlauf der Vorspannung führt also zu einem wenigstens annähernd idealen Betriebsverhalten der Lagerung, da mit der Drehzahl auch die Lagervorspannung zunimmt und dadurch die eingangs genannten Nachteile der bekannten Lagerungen vermieden werden.

Die erfindungsgemäße axial vorgespannte Wälzlagerung ist da durch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsbüchsen im wesentlichen aus zwei Büchsen unterschiedlichen Außendurchmessers bestehende Körper sind, mit je einem größeren Büchsenteil, der den Außenring des betreffenden Wälzlagers aufnimmt und mit radialem Spiel in der Lagerbüchse sitzt, so daß die Außenfläche dieses größeren Büchsenteiles mit der ihn aufnehmenden Bohrung der Lagerbüchse einen Ringraum begrenzt, und je einem kleineren Büchsenteil, der mit einer kreiszylindrischen Außenfläche ver schieblich in einer Bohrung der Lagerbüchse sitzt und mit dieser einen Ringkanal begrenzt, welche kleineren Büchsenteile je eine Bohrung aufweisen, die gemeinsam mit der Welle Ringspalte be grenzen, welche die Wälzlagerräume mit dem Kanal zur Schmiermit telabfuhr verbinden, daß der Kanal zur Zufuhr von Schmieröl zu den Wälzlagern über Ölzuführbohrungen in der Lagerbüchse mit den erwähnten Ringräumen zwischen den Außenflächen der grö ßeren Büchsenteile und der Lagerbüchse kommuniziert, daß der Kanal ferner über Ölzuführbohrungen in der Lagerbüchse mit den Ringkanälen kommuniziert, und daß diese Ringkanäle über Ölzuführbohrungen in den Dämpfungsbüchsen mit dem Wälzkörper raum der Wälzlager in leitender Verbindung stehen, wobei der Querschnitt der Ölzuführbohrungen in den Dämpfungsbüchsen kleiner ist als der Querschnitt der Ölzuführbohrungen in der Lagerbüchse.

Kurze Beschreibung der Figuren

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. In der Zeichnung stellt dar

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Abgasturbolader mit einer erfindungsgemäßen Wälzlagerung, und die

Fig. 2 einen Querschnitt dieses Laders gemäß dem in Fig. 1 eingezeichneten Schnittverlauf II-II.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels der Erfindung

In Fig. 1 ist das Gehäuse 1 des Abgasturboladers nur so weit, wie für das Verständnis der Erfindung notwendig, dargestellt. Es enthält im Inneren ein Lagergehäuse 2, das in seinem oberen Teil eine Ölzuführbohrung 3 und in seinem unteren Teil einen Ölablaufkanal 4 aufweist. Das Lagergehäuse 2 nimmt eine Lager büchse 5 auf, die sich über die ganze Länge des Lagergehäuses 2 erstreckt und einseitig einen Flansch 6 aufweist, mit der sie durch Schrauben 7 auf der Seite des schematisch dargestellten Verdichterlaufrades 8 an der Stirnseite des Lagergehäuses 2 be festigt ist. Das Verdichterlaufrad 8 sitzt auf einem Wellen zapfen 9 einer Turboladerwelle 10, an deren anderem Ende das Turbinenlaufrad 11 mit der Welle 10 durch Schweißung verbunden ist.

Die Wälzlager sind im vorliegenden Falle zwei Schrägkugellager 12 und 13, die in gleich gestalteten Dämpfungsbüchsen 14 bzw. 15 sitzen. Diese sind im Durchmesser abgesetzt, wobei der größere Büchsenteil 16 bzw. 17 das betreffende Kugellager 12 bzw. 13 aufnimmt, während der jeweilige, im Durchmesser kleinere Büchsenteil 18 bzw. 19 die Turboladerwelle 10 mit Spiel an schließt und mit einem an seinem freien Ende vorgesehenen Kra gen 20 bzw. 21 mit Schiebesitz in einer Bohrung der Lagerbüchse 5 sitzt. Die größeren Büchsenteile 16, 17 der beiden Dämpferbüchsen 14 bzw. 15 sitzen hingegen mit einem nennenswerten Spiel in den für sie bestimmten Bohrungen der Lagerbüchse 5. Diese Bohrungen sind in etwa der Mitte ihrer axialen Länge mit Ringnuten 22, 23 versehen, die über Ölzuführbohrungen 24 bzw. 25 mit einem im Querschnitt etwa rechteckigen Ölverteilkanal 26 in der Lagerbüchse 5, dem das Schmieröl über die Ölzuführbohrung 3 zugeleitet wird, sowie über im Querschnitt ebenfalls rechtec kige Schmierölnuten 27 bzw. 28 in der Lagerbüchse 5 in leitender Verbindung stehen. Vom Ölverteilkanal 26 zweigen an den beiden Enden der Lagerbüchse 5 außerdem je eine Ölzuführbohrung 29 bzw. 30 ab, durch die das im Betrieb unter Druck stehende Öl in einen Ringkanal 31 bzw. 32 zwischen der Lagerbüchse 5 und der betreffenden Dämpfungsbüchse 14 bzw. 15 und durch mindestens je eine weitere Ölzuführbohrung 33, 34 in den Dämpfungsbüchsen 14 bzw. 15 auf die Kugeln und Laufrillen der Kugellager 12, 13 ge langt.

Das über die Bohrungen 29 bzw. 30 in die Ringkanäle 31, 32 strö mende Öl staut sich dort in den Ringkanälen 31 bzw. 32, bevor es durch die Ölzuführbohrungen zur Schmierung in die Lager 12, 13 gelangt. Da die beiden Dämpfungsbüchsen 14, 15 verschiebbar in der Lagerbüchse 5 sitzen, werden sie und mit ihnen die Aus senlaufringe in beiden Kugellagern durch das in den Ringkanälen gestaute Öl in Richtung zum Verdichter- bzw. Turbinenläufer ge drückt. Vorhandene Kugellagerspiele werden also ausgeglichen, wobei die axiale Vorspannkraft mit zunehmender Turboladerdreh zahl und entsprechend steigendem Ölförderstrom gemäß hydrau lischen Gesetzmäßigkeiten wächst.

Aus den Ringkanälen 31, 32 gelangt das Öl, wie gesagt, durch die Ölzuführbohrungen 33, 34, zur Schmierung in die Kugellager und von dort, wie durch den Strömungspfeil 35 angedeutet, in den Ölsumpf und wieder in den Ölkreislauf zurück.

Ein weiterer Teil des von oben zugeführten Schmieröls gelangt durch die Ölzuführbohrungen 24, 25 in der Lagerbüchse 5 in die Ringnuten 22 und 23 im Bereich der zylindrischen Außenfläche der größeren Büchsenteile 16, 17 der Dämpfungsbüchsen 14 bzw. 15. Zwischen diesen Außenflächen und den entsprechenden Bohrun gen in der Lagerbüchse 5 ist ein merkliches, in der Zeichnung nicht darstellbares Spiel vorhanden, das im Betrieb durch den sich aus den Ringnuten 22, 23 verteilenden Ölstrom ausgefüllt wird und dadurch die im Betrieb auftretenden Stoßbelastungen dämpft. Das an den Stirnseiten der Dämpfungsbüchsen 14, 15 aus tretende Öl läuft über die Kugellager ebenfalls in den Ölsumpf und in den Schmierölkreislauf zurück.

Die Distanzscheiben 36 im Bereich der Ringkanäle 31, 32 zwischen den Dämpfungsbüchsen 14, 15 und der Lagerbüchse 5 dienen zur Einstellung eines axialen Minimalspiels der Kugellager im kalten Zustand. Im betriebswarmen Zustand erwärmt sich die Welle 10 mit den beiden Kugellagerinnenringen und der zwischen diesen sitzen den Distanzhülse 37 von den im Gehäuse befindlichen Elementen am stärksten, wobei das auftretende Axialspiel, wie beschrieben, durch den Öldruck in den Ringkanälen 31, 32 aufgehoben wird. Zwischen der Turbine und dem Gehäuse 1 ist ein Hitzeschild 38 angeordnet, um die Erwärmung des Gehäuses und seines Inhaltes möglichst niedrig zu halten.

Claims

1. Axial vorgespannte Wälzlagerung einer Welle (10) in einem Gehäuse (1), wobei die Welle (10) an mindestens einem ihrer beiden Wellenenden einen scheibenförmigen, axialsymmet rischen, fliegend gelagerten Bauteil (8, 11) aufweist und die beiden, einwärts der Wellenenden angeordneten Wälzlager (12, 13) mit ihrem Innenring auf der Welle (10) axial starr verspannt sind und mit ihrem Außenring in je einer Dämp fungsbüchse (14, 15) sitzen, welche ihrerseits im Inneren einer in einem Lagergehäuse (2) befestigten Lagerbüchse (5) an deren beiden Enden axialverschieblich gelagert sind, ferner mit Kanälen (3, 4) zur Zufuhr von Schmieröl zu den Wälzlagern (12, 13) bzw. aus ihnen weg zurück in einen Öl sumpf eines Schmierölkreislaufes, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsbüchsen (14, 15) im wesentlichen aus zwei Büchsen unterschiedlichen Außendurchmessers bestehende Körper sind, mit je einem größeren Büchsenteil (16, 17), der den Außenring des betreffenden Wälzlagers (12, 13) auf nimmt und mit radialem Spiel in der Lagerbüchse (5) sitzt, so daß die Außenfläche dieses größeren Büchsenteiles (16, 17) mit der ihn aufnehmenden Bohrung der Lagerbüchse (5) einen Ringraum begrenzt, und je einem kleineren Büchsenteil (18, 19), der mit einer kreiszylindrischen Außenfläche verschieblich in einer Bohrung der Lagerbüchse (5) sitzt und mit dieser einen Ringkanal (31, 32) begrenzt, welche kleineren Büchsenteile (18, 19) je eine Bohrung aufweisen, die gemeinsam mit der Welle (10) Ringspalte begrenzen, welche die Wälzlagerräume mit dem Kanal (4) zur Schmiermittelabfuhr verbinden, daß der Kanal (3) zur Zufuhr von Schmieröl zu den Wälzlagern (12, 13) über Ölzuführbohrungen (24, 25) in der Lagerbüchse (5) mit den erwähnten Ringräumen zwischen den Außenflächen der größeren Büchsenteile (16, 17) und der Lagerbüchse (5) kommuniziert, daß der Kanal (3) ferner über Ölzuführbohrungen (29, 30) in der Lagerbüchse (5) mit den Ringkanälen (31, 32) kommuniziert, und daß diese Ringkanäle (31, 32) über Ölzuführbohrungen (33, 34) in den Dämpfungsbüchsen (14, 15) mit dem Wälzkörperraum der Wälzlager (12, 13) in leitender Verbindung stehen, wobei der Querschnitt der Ölzuführbohrungen (33, 34) in den Dämpfungsbüchsen (14, 15) kleiner ist als der Querschnitt der Ölzuführbohrungen (29, 30) in der Lagerbüchse (5).

2. Wälzlagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerbüchse (5) einen mit der Ölzuführbohrung (3) des Lagergehäuses (2) kommunizierenden Ölverteilkanal (26) aufweist, von dem Schmierölnuten (27, 28) zu den Ölzuführ bohrungen (24, 25) für die Ringräume zwischen den Außenflä chen der erwähnten größeren Büchsenteile (16, 17) und der Lagerbüchse (5) abzweigen, daß diese Ölzuführbohrungen (24, 25) in Ringnuten (22, 23) in der Lagerbüchse (5) münden, welche Ringnuten (22, 23) die erwähnten Ringräume umgeben, und daß aus dem Ölverteilkanal (26) auch die Ölzuführ bohrungen (29, 30) abzweigen, die in die Ringkanäle (31, 32) zwischen der Lagerbüchse (5) und der Außenfläche der kleineren Büchsenteile (18, 19) der Dämpfungsbüchsen (14, 15) einmünden.

3. Wälzlagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzlager Schrägkugellager (12, 13) sind.