DE3801590C2 - Axial vorgespannte Wälzlagerung - Google Patents

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 ein scheibenförmiges, axialsymmetrisches, fliegend gelagertes 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.

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 60000 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 aufrechtzuer­ halten, darf sie nicht zu klein sein, was eine nicht unbedeu­ tende Lagerverlustleistung zur Folge hat. Sie beeinträchtigt die Lebensdauer der Kugellager und im Fahrbetrieb das Hochbe­ schleunigen des Läufers bei einer Lastzunahme des Fahrzeugs.

Bei einer in der Fig. 1 der DE-OS 35 31 313 dargestellten La­ gerung eines Turboladerläufers, die dort als zum Stand der Technik gehörend erwähnt ist, erfolgt die axiale Vorspannung der beiden Kugellager durch eine die Lagerwelle koaxial umge­ bende Schraubenfeder, 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 ra­ diale Spiel zwischen den besagten Büchsen und der sie aufneh­ menden Bohrung durch das unter Druck stehende Lagerschmieröl ausgefüllt, wodurch eine beschränkt nachgiebige, aber stabile Lage der Wellenachse erreicht werden soll (s. dazu auch Fig. 1 der nachveröffentlichten DE-PS 39 18 323).

Daß die beiden, die Kugellager aufnehmenden Büchsen von ein­ ander getrennt sind und sich daher unabhängig von einander bewegen können, hat gemäß der DE-OS 35 31 313 den Nachteil, daß die Stabilität der Drehbewegung bzw. die Lage der Lader­ welle nicht in erwünschtem Masse gewährleistet ist. Darüber hinaus soll bei dieser Ausführung die axiale Vorspannkraft ziemlich groß sein mit der Folge einer Verringerung der La­ gerlebensdauer und des mechanischen Wirkungsgrades.

Als Abhilfe wird daher dort vorgeschlagen, für die zwei Ku­ gellager 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 Lagerge­ häusebohrung sowie durch eine gegen das turbinenseitige Ku­ gellager gerichtete Bohrung in der Büchse gelangt Schmieröl in das Innere der Büchse und zerstäubt zu einem Schmierölnebel, der eine sichere Schmierung der beiden Kugellager ge­ währleistet. Durch die genannte Bohrung wird das Öl auch ge­ gen das stärker wärmebelastete turbinenseitige Kugellager ge­ spritzt und dieses dadurch auch gekühlt.

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

Es ist Aufgabe der erfindungsgemäßen Lagerung zur Verbesse­ rung des mechanischen Wirkungsgrades den letztgenannten Nach­ teil der erwähnten bekannten Bauart von Lagerungen für hoch­ tourige Läufer und ähnliche Maschinenteile zu vermeiden. 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 dreh­ zahlabhängigen hydraulischen Druckwirkungen erreicht. Man er­ hält dadurch eine mit steigender Drehzahl zunehmende axiale Vorspannung, wobei diese im Stillstand gleich Null und im un­ teren Bereich viel geringer ist als bei den oben erwähnten Bauarten mit konstant großer Vorspannung und dadurch auch bei tieferen Drehzahlen entsprechend größerer Reibungsver­ lustleistung. Der drehzahlabhängige Verlauf der Vorspannung führt also zu einem wenigstens annähernd idealen Betriebsver­ halten der Lagerung, da mit der Drehzahl auch die Lagervor­ spannung zunimmt und dadurch die eingangs genannten Nachteile der bekannten Lagerungen vermieden werden.

Die erfindungsgemäße axial vorgespannte Wälzlagerung zeichnet sich dadurch aus, daß die Dämpfungsbüchsen im wesentli­ chen aus zwei Büchsenteilen unterschiedlichen Außendurchmessers bestehende Körper sind, mit je einem Büchsenteil größeren Außen- und Innendurchmessers, der den Außenring des be­ treffenden Wälzlagers aufnimmt und mit radialem Spiel in der Lagerbüchse sitzt, so daß die Außenfläche dieses Büchsen­ teiles mit der ihn aufnehmenden Bohrung der Lagerbüchse einen Ringraum begrenzt, und je einem Büchsenteil kleineren Außen- und Innendurchmessers, der mit einer kreiszylindrischen Außenfläche verschieblich in einer Bohrung der Lagerbüchse sitzt und mit dieser einen Ringkanal begrenzt, welche letzte­ ren Büchsenteile je eine Bohrung aufweisen, die gemeinsam mit der Welle Ringspalte begrenzen, welche die Wälzlagerräume mit dem Kanal zur Schmiermittelabfuhr verbinden, daß der Kanal zur Zufuhr von Schmieröl zu den Wälzlagern über Ölzuführbohrungen in der Lagerbüchse mit den erwähnten Ringräumen zwi­ schen den Außenflächen der Büchsenteile größeren Durchmes­ sers und der Lagerbüchse kommuniziert, daß der Kanal ferner über Ölzuführbohrungen in der Lagerbüchse mit den Ringkanä­ len kommuniziert, und daß diese Ringkanäle über Ölzuführbohrungen in den Dämpfungsbüchsen mit dem Wälzkörperraum der Wälzlager in leitender Verbindung stehen, wobei der Quer­ schnitt der Ölzuführbohrungen in den Dämpfungsbüchsen klei­ ner ist als der Querschnitt der Ölzuführbohrungen in der La­ gerbüchse.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Zeichnun­ gen dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. In der Zeichnung stellen 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.

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 obe­ ren Teil eine Ölzuführbohrung 3 und in seinem unteren Teil einen Ölablaufkanal 4 aufweist. Das Lagergehäuse 2 nimmt ei­ ne Lagerbüchse 5 auf, die sich über die ganze Länge des La­ gergehäuses 2 erstreckt und einseitig einen Flansch 6 auf­ weist, mit der sie durch Schrauben 7 auf der Seite des sche­ matisch dargestellten Verdichterlaufrades 8 an der Stirnseite des Lagergehäuses 2 befestigt ist. Das Verdichterlaufrad 8 sitzt auf einem Wellenzapfen 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 Schrägkugella­ ger 12 und 13, die in gleich gestalteten Dämpfungsbüchsen 14 bzw. 15 sitzen. Diese sind im Durchmesser abgesetzt, wobei der mit größerem Außen- und Innendurchmesser ausgebildete Büchsenteil 16 bzw. 17 das betreffende Kugellager 12 bzw. 13 aufnimmt, während der jeweilige, im Außen- und Innendurch­ messer kleinere Büchsenteil 18 bzw. 19 die Turboladerwelle 10 mit Spiel anschließt und mit einem an seinem freien Ende vorgesehenen Kragen 20 bzw. 21 mit Schiebesitz in einer Boh­ rung der Lagerbüchse 5 sitzt. Die mit größerem Außen- und Innendurchmesser ausgebildeten Büchsenteile 16, 17 der beiden Dämpferbüchsen 14 bzw. 15 sitzen hingegen mit einem nennens­ werten Spiel in den für sie bestimmten Bohrungen der Lager­ büchse 5. Diese Bohrungen sind in etwa der Mitte ihrer axia­ len Länge mit Ringnuten 22, 23 versehen, die über Ölzuführbohrungen 24 bzw. 25 mit einem im Querschnitt etwa rechtecki­ gen Ölverteilkanal 26 in der Lagerbüchse 5, dem das Schmier­ öl über die Ölzuführbohrung 3 zugeleitet wird, sowie über im Querschnitt ebenfalls rechteckige 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 minde­ stens je eine weitere Ölzuführbohrung 33, 34 in den Dämp­ fungsbüchsen 14 bzw. 15 auf die Kugeln und Laufrillen der Ku­ gellager 12, 13 gelangt.

Das über die Bohrungen 29 bzw. 30 in die Ringkanäle 31, 32 strömende 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 Außenlaufringe in beiden Kugel lagern durch das in den Ringkanälen gestaute Öl in Richtung zum Verdichter- bzw. Turbinenläufer gedrückt. Vorhandene Kugellagerspiele werden also ausgeglichen, wobei die axiale Vorspannkraft mit zuneh­ mender Turboladerdrehzahl und entsprechend steigendem Ölförderstrom gemäß hydraulischen Gesetzmäßigkeiten wächst.

Aus den Ringkanälen 31, 32 gelangt das Öl, wie gesagt, durch die Ölzuführbohrungen 33, 34, zur Schmierung in die Kugella­ ger 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 mit größerem Außen- und Innendurchmesser ausge­ bildeten 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 ausge­ füllt wird und dadurch die im Betrieb auftretenden Stoßbelastungen dämpft. Das an den Stirnseiten der Dämpfungsbüchsen 14, 15 austretende 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 (3)

1. Axial vorgespannte Wälzlagerung einer Welle (10) in ei­ nem Gehäuse (1), wobei die Welle (10) an mindestens ei­ nem ihrer beiden Wellenenden ein scheibenförmiges, axialsymmetrisches, fliegend gelagertes Bauteil (8, 11) aufweist und die beiden, einwärts der Wellenenden ange­ ordneten Wälzlager (12, 13) mit ihrem Innenring auf der Welle (10) axial starr verspannt sind und mit ihrem Außenring in je einer Dämpfungsbüchse (14, 15) sitzen, wel­ che 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 Ölsumpf eines Schmierölkreislaufes, wobei die Dämpfungsbüchsen (14, 15) im wesentlichen aus zwei Büchsenteilen unter­ schiedlichen Außendurchmessers bestehende Körper sind, mit je einem Büchsenteil (16, 17) größeren Außen- und Innendurchmessers, der den Außenring des betreffenden Wälzlagers (12, 13) aufnimmt und mit radialem Spiel in der Lagerbüchse (5) sitzt, so daß die Außenfläche die­ ses Büchsenteiles (16, 17) mit der ihn aufnehmenden Boh­ rung der Lagerbüchse (5) einen Ringraum begrenzt, und je einem Büchsenteil (18, 19) kleineren Außen- und Innen­ durchmessers, der mit einer kreiszylindrischen Außenfläche verschieblich in einer Bohrung der Lagerbüchse (5) sitzt und mit dieser einen Ringkanal (31, 32) be­ grenzt, welche letzteren 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 Lager­ büchse (5) mit den erwähnten Ringräumen zwischen den Außenflächen der Büchsenteile (16, 17) größeren Durch­ messers und der Lagerbüchse (5) kommuniziert, daß der Kanal (3) ferner über Ölzuführbohrungen (29, 30) in der Lagerbüchse (5) mit den Ringkanälen (31, 32) kommuni­ ziert, 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) klei­ ner ist als der Querschnitt der Ölzuführbohrungen (29, 30) in der Lagerbüchse (5).

2. Axial vorgespannte Wälzlagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerbüchse (5) einen mit der Ölzuführbohrung (3) des Lagergehäuses (2) kommunizie­ renden Ölverteilkanal (26) aufweist, von dem Schmieröl­ nuten (27, 28) zu den Ölzuführbohrungen (24, 25) für die Ringräume zwischen den Außenflächen der Büchsenteile (16, 17) größeren Durchmessers 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 Ölzuführbohrungen (29, 30) abzweigen, die in die Ringkanäle (31, 32) zwischen der Lagerbüchse (5) und der Außenfläche der Büchsenteile (18, 19) kleineren Durchmessers der Dämp­ fungsbüchsen (14, 15) einmünden.

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