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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Turbolader
und insbesondere eine Lagerrotoranordnung, die zum Stützen einer
rotierenden Welle in einem Turbolader verwendet wird.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Turbolader
für Benzin-
und Dieselverbrennungsmotoren sind bekannte Vorrichtungen, die in der
Technik zur Druckbeaufschlagung oder Verstärkung des zu einer Brennkammer
des Motors geleiteten Einlassluftstroms verwendet werden, indem
der Wärme-
und Volumenstrom des den Motor verlassenden Abgasstroms verwendet
wird. Insbesondere wird das den Motor verlassende Abgas so in ein
Turbinengehäuse
eines Turboladers geleitet, dass das Drehen einer abgasgetriebenen
Turbine im Gehäuse bewirkt
wird. Die abgasgetriebene Turbine ist an einem Ende einer Welle
angebracht, die einem an einem gegenüberliegenden Ende der Welle
befestigten Radialluftkompressor gemein ist. Somit bewirkt die Drehung
der Turbine auch ein Drehen des Luftkompressors in einem Kompressorgehäuse des
Turboladers, das von dem Abgasgehäuse getrennt ist. Das Drehen
des Luftkompressors bewirkt, dass Einlassluft in das Kompressorgehäuse eintritt
und in einem ausreichenden Grad druckbeaufschlagt oder verstärkt wird,
bevor sie mit Kraftstoff vermischt und in der Motorbrennkammer verbrannt
wird.
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Die
sich zwischen der Turbine und dem Kompressor erstreckende gemeinsame
Welle ist durch ein Turboladermittelgehäuse angeordnet, das eine Lageranordnung
zur (1) Erleichterung der Wellendrehung; (2) Steuerung von axial
gerichteten Wellendruckwirkungen und radial gerichteten Wellenschwingungen;
und (3) Bereitstellung der nötigen Schmierung
für die
rotierende Welle zwecks Minimierung von Reibungswirkungen und damit
verbundenem Verschleiß enthält. Die
bei Turboladeranwendungen verwendete gemeinsame Welle weist bekannterweise
Wellendrehgeschwindigkeiten in einem Bereich von 60 000 bis 80 000
U/min auf. Unter solchen Betriebsbedingungen ist es unabdinglich,
dass die Lageranordnung eine ausreichende Schmierung der Welle bereitstellt,
um die bei solch hohen Drehgeschwindigkeiten auftretenden extremen
Reibungswirkungen auf ein Minimum zu reduzieren, wodurch die Betriebslebensdauer
der Welle verlängert
wird.
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Zu
in der Technik bekannten Lageranordnungen für Turboladerwellenanwendungen
gehören
Rollenlager und Kugellager, um der Hochgeschwindigkeitsdrehung der
Welle Rechnung zu tragen. Jedoch hat sich herausgestellt, dass Lageranordnungen,
die ausschließlich
solche Kugel- oder Rollenlager verwenden, nicht die gewünschte Betriebslebensdauer für Turbolader
in Fahrzeuganwendungen bereitstellen. Andere in der Technik bekannte
Lageranordnungen für
Turboladeranwendungen nutzen Gleitlager. Jedoch hat sich herausgestellt,
dass Gleitlager bei solchen Anwendungen nicht ohne Beanstandungen sind,
weil ihre Ausführung
einen praktischen Grad an Wellenungleichgewicht nicht toleriert
und nicht dahingehend wirkt, durch ein solches Ungleichgewicht bewirkte
Resonanzschwingungen zu dämpfen,
wobei ein solches Ungleichgewicht für sich drehende Turboladerwellen
typisch ist. Weiterhin ist bekannt, dass die Unfähigkeit solcher Gleitlager,
einem Wellenungleichgewicht bei solch hohen Geschwindigkeiten Rechnung
zu tragen, ein Versagen des Ölfilms
und Metall-Metall-Kontakt bewirkt, wodurch auch die Betriebslebensdauer
der Welle verringert wird.
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Bei
einem Versuch, die Nachteile dieser Lagersysteme nach dem Stand
der Technik zu beheben, sind Lageranordnungen in Form einer frei
beweglichen Buchse ausgeführt
worden, die zwischen der rotierenden Welle und dem stationären Gehäusehohlraum,
der ein Rollen- oder
Kugellagersystem enthält,
angeordnet ist. Die Verwendung eines Rollen- oder Kugellagersystems
in Verbindung mit der frei beweglichen Buchse ist dahingehend konzipiert, sowohl
einen gewünschten
Grad an Schmierung der Welle bereitzustellen als auch durch die
Welle während
der Drehbewegung bei solch hohen Geschwindigkeiten verursachte Schwingungen
aufzunehmen. Des Weiteren werden bei solchen Lagersystemen Drucklagerflächen zur
Steuerung der axialen Wellenbewegung bei Drehung eingesetzt.
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Zum
Beispiel offenbart die
US-PS
4 641 977 ein Lagersystem mit einem Wälzlager, das mit einer frei
beweglichen Buchse dahingehend zusammenwirkt, die rotierende Turboladerwelle
zu stützen.
Insbesondere umfasst das Lagersystem einen Außenring mit einer integralen
einstückigen
länglichen
zylindrischen Außenlagerfläche, die
so ausgeführt
ist, dass sie drehbar auf einem Schmierfilm an ihrer Grenzfläche mit
dem Turboladergehäuse
getragen wird. Der Außenring
wirkt an einem seiner Enden mit einer frei beweglichen Buchse und
an einem gegenüberliegenden
Ende mit dem Rollenlager zusammen. Das Rollenlager ist zwischen
dem Außenring
und einem Innenring angeordnet, der konzentrisch um den Wellendurchmesser
herum angeordnet ist. Ein Ende des Außenrings neben dem Rollenlager
enthält
nach außen
ragende Flächen,
die ein stationäres
Drucklager-Maschinenelement bilden. Die Welle dreht sich in der
Anordnung zwischen dem Rollenlager und der frei beweglichen Buchse.
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Zu
zusätzlichen
Beispielen für
Kugellagerelemente im Lagersystem einsetzende Turbolader gehören die
US-PS 6 032 466 von Woollenweber
et al. und die
US-PS 4 460 284 von
Lauterbach et al., die jeweils eine bei einer Turboladeranwendung
eingesetzte Kugellagerkassette verwenden. Lauterbach offenbart die Verwendung
eines Kugellagers mit einem zweiteiligen Ring in Kombination mit
einem hydrodynamischen einstückigen
Lager. Woollenweber offenbart die Verwendung eines Wälzlagers
in Kombination mit einem frei beweglichen Buchsenlager.
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Obgleich
das oben besprochene Lagersystem bekannterweise die extremen Schmier-
und Dämpfungsanforderungen,
die bei Turboladerwellenanwendungen erforderlich sind, erfüllt, eignen
sich seine Ausführung
und Konstruktion nicht für
eine kostengünstige
Produktion und Montage. Turbolader für Fahrzeuganwendungen werden
unter Verwendung von Verfahren zur Großserienfertigung hergestellt, wodurch
erforderlich ist, dass die Turboladerkomponenten auf eine Art und
Weise hergestellt werden, die mit Hochleistungsmontage und Roboterhandhabungsprozessen
vereinbar ist.
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Deshalb
ist es wünschenswert,
dass eine Lageranordnung zur Verwendung in einem Turbolader auf
eine Weise ausgeführt
ist, die: (1) die Schmieranforderungen einer rotierenden Turbinenwelle
unter Betriebsbedingungen erfüllt;
(2) die erforderliche Dämpfung
für eine
schwingende Turbinenwelle im Betrieb bereitstellt; (3) Druckflächen zur
Steuerung der Axialbewegung der Turbinenwelle bei Drehbetrieb bereitstellt;
und (4) auf eine Weise ausgeführt ist,
die Großserienfertigungsverfahren
vereinfacht.
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Kurze Darstellung
der Erfindung
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Eine
gemäß den Grundzügen der
Erfindung ausgeführte
integrale Kugellagerrotoranordnung zur Verwendung mit einem Turbolader
für Verbrennungsmotoren
umfasst Folgendes: (1) ein konzentrisch in einem Lageranordnungshohlraum
eines stationären Turboladerwellengehäuses und
konzentrisch um einen Turbinenwellenaußendurchmesser herum angeordnetes rotierendes
Zapfenlager; (2) einen im Hohlraum konzentrisch um die Turbinenwelle
herum neben einem Ende des rotierenden Zapfenlagers angeordneten
zylindrischen Quetschfilmdämpfer;
(3) eine im Hohlraum an einem gegenüberliegenden Ende des Dämpfers und
um die Turbinenwelle herum angeordnete Kombination aus Kugellageraußenring/Drucklager/Filmdämpferausrichtungselement; und
(4) zwischen der Kombination aus dem Kugellageraußenringelement
und der Turbinenwelle angeordnete Kugelrollenelemente. Die Lageranordnung schmiert
die Turbinenwelle unter Betriebsbedingungen, dämpft durch die sich drehende
Turbinenwelle verursachte Schwingungen, steuert eine Axialbewegung
der Turbinenwelle im Betrieb und erleichtert Großserienfertigungsverfahren.
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Obgleich
Lageranordnungen der vorliegenden Erfindung mit einer beliebigen
Art von Hochgeschwindigkeitsmaschine verwendet werden können, die
eine Welle aufweisen, die mit hoher Geschwindigkeit, zum Beispiel
60 000 bis 80 000 U/min gedreht wird, sind sie besonders gut für Anwendungen
mit Turboladern zur Verwendung in Verbrennungsmotoren geeignet.
Bei Verwendung in Turboladern wird die Lageranordnung in einem Turboladerwellengehäuse um eine
gemeinsame rotierende Welle herum angeordnet, die ein an einer in
einem Turboladerturbinengehäuse
angeordneten Turbine befestigtes Ende und ein an einem in einem
Turboladerkompressorgehäuse
angeordneten Kompressor befestigtes gegenüberliegendes Ende aufweist.
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Die
Einzelheiten und Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen bei Bezugnahme
auf die ausführliche
Beschreibung und die Zeichnung, die eine Querschnittsseitenansicht
einer gemäß den Grundzügen der
Erfindung ausgeführten
Turboladerlageranordnung zeigt, deutlicher hervor.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Einzelheiten und Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen bei Bezugnahme
auf die ausführliche
Beschreibung und die folgenden Zeichnungen deutlicher hervor; darin
zeigt:
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1 eine
Querschnittsseitenansicht einer Turboladerlageranordnung nach einer
ersten Ausführungsform,
die gemäß den Grundzügen der
vorliegenden Erfindung ausgeführt
ist.
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Ausführliche
Beschreibung der Erfindung
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Nunmehr
auf die Zeichnung Bezug nehmend, ist eine integrale Kugellagerrotoranordnung 10 gemäß der vorliegenden
Erfindung in einem Lageranordnungshohlraum 12 angeordnet,
der sich durch eine stationäre
Turboladerwelle oder ein stationäres Turboladermittelgehäuse 14 erstreckt.
Eine gemeinsame Turbinen-/Kompressorwelle 16 ist
in dem Hohlraum 12 angeordnet und erstreckt sich in Axialrichtung
durch diesen hindurch. Eine (nicht gezeigte) Turbine ist an einem
Ende der Welle 16 befestigt, was auf der rechten Seite
der Zeichnung gezeigt wird, und ein Kompressor 18 ist am
gegenüberliegenden
Ende der Welle 16 befestigt, was auf der linken Seite der
Zeichnung gezeigt wird.
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Von
rechts nach links in der Zeichnung umfasst die Lageranordnung 10 ein
turbinenseitiges, rotierendes Doppelfilmzapfenlager 20,
das konzentrisch im Hohlraum 12 und konzentrisch um einen Wellenaußendurchmesser 22 herum
angeordnet ist. Das rotierende Zapfenlager 20 kann aus
den Materialien hergestellt sein, die herkömmlicherweise bei solchen Anwendungen
verwendet werden, und liegt in Form eines kreisförmigen Rings vor, der neben
der Turbinenseite der Welle 16 im Hohlraum 12 angeordnet
ist. Das Zapfenlager 20 enthält axial gerichtete Flächen 24,
die sich nach innen verjüngen
und auf die Welle 16 zulaufen und die dazu konzipiert sind, die
Kontaktfläche
zwischen benachbarten axialen Zapfenlager- und axialen Wellenflächen auf
ein Minimum zu reduzieren, wodurch ungewollte Reibungs- und Verschleißwirkungen
zwischen diesen benachbarten Flächen
minimiert werden.
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Des
Weiteren enthält
das Zapfenlager 20 einen oder mehrere Schmierkanäle 26,
die sich radial durch ihn hindurch vom Hohlraum 12 zum
Wellenaußendurchmesser 22 erstrecken.
Die Schmierkanäle 26 des
Zapfenlagers sind zur Strömungsverbindung mit
einem Ölkanal 28 durch
das Wellengehäuse 14 angeordnet,
um die Beförderung
von Schmieröl
zum rotierenden Zapfenlager und zur rotierenden Welle und insbesondere
sowohl zwischen dem benachbarten Hohlraum und den rotierenden Zapfenlagerflächen als
auch zwischen dem benachbarten rotierenden Zapfenlager und den Wellenaußendurchmesserflächen zu
erleichtern. Eine Schmierung zwischen dem rotierenden Zapfenlager
und dem Hohlraum ist neben der Bereitstellung von Schmierung für die Welle
erwünscht,
weil das Zapfenlager zur Drehung im Hohlraum ausgeführt ist.
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Die
axiale Platzierung des Zapfenlagers 20 von einem Turbinenende
des Hohlraums einwärts
in den Hohlraum 20 wird durch einen Rand 30 (Ringräume) begrenzt,
der radial nach innen in den Hohlraum ragt. Das Zapfenlager weist
einen Außendurchmesser
auf, der zur Erleichterung seiner Drehung im Hohlraum bemessen ist,
und weist einen Innendurchmesser auf, der zur Erleichterung der
Drehung des Wellenaußendurchmessers
darin bemessen ist.
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Ein
ringförmiger
Quetschfilmdämpfer 32 ist konzentrisch
im Hohlraum 12 angeordnet und weist eine. allgemein zylindrische
Form auf. Der Dämpfer 32 erstreckt
sich in Axialrichtung durch den Hohlraum von einem neben dem Zapfenlager 20 angeordneten Ende 34 zu
einem Kompressorende des Hohlraums. Der Dämpfer 32 enthält einen
sich in Axialrichtung erstreckenden Wandabschnitt 36 mit
einem Außendurchmesser,
der so bemessen ist, dass er seine Drehung im Hohlraum 12 erleichtert,
und weist einen Innendurchmesser auf, der größer bemessen ist als der Innendurchmesser
des Zapfenlagers, um das Passieren von Schmiermittel zwischen dem
Dämpfer und
dem Wellenaußendurchmesser 22 zu
erleichtern und so bei Wellendrehung dazwischen einen schwingungsdämpfenden
Schmierfilm zu bilden. Der Dämpfer
kann aus Materialien hergestellt werden, die herkömmlicherweise
für solche
Anwendungen verwendet werden.
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Der
Hohlraum 12 enthält
einen Abschnitt 38 mit vergrößertem Durchmesser, der sich
um den Umfang der Dämpferwand 36 erstreckt.
Ein weiterer Ölkanal 29 erstreckt
sich durch das Wellengehäuse 14 zum
Hohlraum 12 zwecks Beförderung
von Schmiermittel zur Dämpferwandaußenfläche. Sowohl
der Hohlraumabschnitt 38 mit vergrößertem Durchmesser als auch
der Ölkanal 29 sind
so ausgeführt,
dass sie dem Dämpferwandaußendurchmesser
Schmiermittel zuführen,
um bei Drehung des Dämpfers 32 im Hohlraum 12 Reibung
zu vermindern.
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Der
Dämpfer 32 enthält ein nach
außen
weisendes Ende 40 an einem Ende der Dämpferwand 36 gegenüber dem
Ende 34 und neben dem Kompressorende des Hohlraums. Das
Dämpferende 40 ragt
radial nach außen
und bildet so einen Dämpferflansch.
Das nach außen
weisende Ende oder der Flansch 40 des Dämpfers enthält eine in Axialrichtung weisende
Fläche,
die an einer komplementären, in
Axialrichtung weisenden Fläche 42 des
Hohlraums neben dem Kompressor 18 angeordnet ist, die durch eine
sich radial nach außen
erstreckende Hohlraumwand gebildet wird. Der Dämpferflansch 40 enthält mehrere
Schmierkanäle 44,
die sich von dem Hohlraum 12 durch ihn hindurch zum Wellenaußendurchmesser 22 und
genauer zu den Lagerelementen erstrecken, wie unten beschrieben.
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Schmiermittel
strömt
von dem Ölkanal 29 in das
Wellengehäuse 14 zwischen
der Hohlraum- und Dämpferwandaußenfläche, durch
die Schmiermittelkanäle 44 und
zur Drehwelle 16 und den Lagerelementen.
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Eine
Kombination aus Lagerelementaußenring/Drucklager/Dämpferausrichtungselement 46 hängt von
dem Dämpferflansch 40 entlang
der in Axialrichtung weisenden Fläche 42 des Hohlraums
ab und ist daneben angeordnet. Der Außenring 46 der Kombination
kann aus Materialien hergestellt werden, die herkömmlicherweise
zur Herstellung von Lagerelementaußenringen zur Verwendung bei
solchen Anwendungen benutzt werden. Der Außenring 46 der Kombination
ist allgemein in Form eines kreisförmigen Rings ausgebildet, der
eine Kerbe 48 aufweist, die entlang einer Axialfläche, die
zu der in Axialrichtung weisenden Fläche 42 des Hohlraums
weist, um den Umfang herum angeordnet ist, um der Anordnung des
Dämpferflansches 40 darin
Rechnung zu tragen. Der Außenring 46 der
Kombination weist eine allgemein zylindrische Außendurchmesserfläche und eine
Innendurchmesserfläche
mit einer Schulter 50 auf, die so geformt ist, dass sie
sowohl der Anordnung einer Lagerelementaußendurchmesserfläche dagegen
Rechnung trägt
als auch eine axiale Verschiebung der Lagerelemente in Richtung
des Kompressorendes des Hohlraums verhindert. Der Außenring 46 der
Kombination ist so bemessen, dass sein Innendurchmesser größer ist
als der des Dämpfers 32,
um der Anordnung mehrerer Lagerelemente zwischen der Welle und dem
Außenring
der Kombination Rechnung zu tragen.
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Wie
oben erwähnt,
sind mehrere Lagerelemente 52 zwischen dem Innendurchmesser
des Außenrings 46 der
Kombination und der Welle 16 angeordnet. Die Lagerelemente 52 können aus
herkömmlichen
Materialien bestehen, die in der Technik zur Verwendung bei solchen
Anwendungen bekannt sind und durch einen einstückigen Lagerelementhalter 54 unter
Bildung einer integralen Anordnung aus Lagerelementen und Halter
zusammen angeordnet sind. Die Lagerelemente 52 werden durch
eine Schulter 56 entlang einer Innendurchmesserfläche gestützt, wobei
die Schulter 56 entlang einem ersten Wellenabschnitt 58 mit
verringertem Durchmesser ausgebildet ist, der sowohl in den Lagerelementen 52 als
auch in dem Außenring 46 der
Kombination konzentrisch angeordnet ist. Die Schulter 50 des
Außenrings
der Kombination und die Wellenschulter 56 wirken so zusammen,
dass sie sowohl die Lagerelemente 52 dazwischen aufnehmen
als auch die axiale Lagerelement/Wellenverschiebung im Hohlraum
kontrollieren.
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Der
Außenring 46 der
Kombination ist axial zwischen der in Axialrichtung weisenden Fläche 42 des
Hohlraums auf einer Seite und einer am Wellengehäuse 14 befestigten
Kompressorgrundplatte 60 angeordnet. Insbesondere ist der
Außenring
der Kombination axial zwischen der in Axialrichtung weisenden Fläche 42 des
Hohlraums auf einer Seite und einer axialen Fläche 62 der Kompressorgrundplatte 60 eingeschlossen.
Der Außenring 46 der
Kombination kann sich im Wellengehäuse frei drehen. Eine ringförmige Öldichtungsstopfbuchse 64 ist
zwischen der Kompressorgrundplatte 60 und dem Außenring 46 der
Kombination angeordnet und wirkt auch dahingehend, den Außenring
der Kombination axial zwischen dem Wellengehäuse und der Kompressorgrundplatte
einzuschließen.
Die ringförmige Öldichtungsstopfbuchse 64 ist
konzentrisch um einen zweiten Wellenabschnitt 66 mir verringertem
Durchmesser herum angeordnet und enthält einen kreisförmigen Dichtungsring 68,
der um den Umfang eines Stopfbuchsenaußendurchmessers herum, das
heißt zwischen
benachbarten Stopfbuchsen-Kompressorgrundplattenflächen angeordnet
ist, so dass sie dazwischen eine lecksichere Dichtung bildet.
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Ein
Merkmal der erfindungsgemäßen Lageranordnung
ist die zweiteilige Ausführung
der Kombination aus Außenringelement 46 und
Dämpfer 32, die
die gewünschten
Funktionen zur Aufnahme von Drucklasten sowohl von den Lagerelementen
als auch dem Dämpfer
bietet und Großserienfertigung erleichtert.
Insbesondere ist der Außenring 46 der Kombination
so ausgeführt,
dass er Drucklasten aufnimmt und durch seinen Kontakt mit den Lagerelementen
entlang der Schulter 50 als Drucklager für die Lagerelemente 52 und
die Welle 16 wirkt, wodurch eine axiale Verschiebung der
Welle in Kompressorrichtung verhindert wird. Der Außenring 46 der
Kombination ist auch so ausgeführt,
dass er Drucklasten aufnimmt und durch seine Ausrichtung auf den Dämpferflansch 40 in
der Kerbe 48 als ein Drucklager für den Dämpfer 32 wirkt, wodurch
eine axiale Verschiebung des Dämpfers
in Kompressorrichtung verhindert wird. Ein weiteres Merkmal der
erfindungsgemäßen Lageranordnung
ist die Verwendung einer integralen Anordnung aus Lagerelementen
und Halter und die Verwendung der Welle selbst als Lagerelementinnenring.
Insbesondere wird durch Verwendung einer integralen Anordnung aus
Lagerelementen und Halter die Montage des Turboladers erleichtert,
indem die Lagerelemente, zum Beispiel Lagerkugeln, nicht einzeln
geladen werden müssen,
sondern stattdessen das Laden der Lagerelemente in einem einzigen,
Zeit sparenden Schritt gestattet wird. Darüber hinaus wird durch die Ausführung des
Lagerelementinnenrings als eine integrale Schulter der Welle das
Erfordernis vermieden, während
der Turboladermontage einen getrennten Innenring in die Welle laden
zu müssen,
wodurch der Fertigungsprozess auch verkürzt wird.
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Bei
Turboladerbetrieb und Drehbewegung der Welle funktioniert die erfindungsgemäße integrierte
Kugellagerrotoranordnung wie folgt. Das rotierende Zapfenlager 20 leitet
Schmieröl
zur Welle und nimmt die Drehbewegung der Welle neben der Turbine
bei Drehung zu einem geringeren Grad im Hohlraum 12 auf.
Der Dämpfer 32 stellt
einen dünnen Schmierölfilm zwischen
dem Hohlraum und dem Dämpferaußendurchmesser
bereit, um die Drehdämpferbewegung
im Hohlraum zu schmieren. Des Weiteren leitet der Dämpfer Schmieröl von dem
Wellengehäuse
zu den Lagerelementen 52. Der Außenring 46 der Kombination
nimmt sowohl die durch die Lagerelemente ausgeübten Radiallasten als auch
die Axiallasten auf, die durch die Lagerelemente von der Welle und
durch den Dämpfer
ausgeübt
werden, um die Axialbewegung von Welle und Dämpfer im Wellengehäusehohlraum
zu kontrollieren.
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Nach
der gerade erfolgten ausführlichen
Beschreibung, wie von der Patentsatzung erfordert, sind für Fachleute
Modifikationen der hier offenbarten besonderen Ausführungsformen
und Äquivalente
dafür offensichtlich.
Solche Modifikationen liegen im Schutzbereich der in den folgenden
Ansprüchen
definierten vorliegenden Erfindung.