DE69012143T2 - Turbolader mit verbesserter wälzlagerung der welle. - Google Patents

Turbolader mit verbesserter wälzlagerung der welle.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für Kraftfahrzeuge.
  • Zur Verbesserung des Ansprechverhaltens werden bei fortschrittlichen Turboladerkonstruktionen Wälzlagerelemente zur Stützung der Welle eingesetzt, an welcher das Turbinenrad und das Verdichterrad angebracht sind. Die Innenringe der Lager, welche entgegengesetzte Enden der Welle stützen, sind direkt an der Welle angebracht, um eine hohe radiale Steifheit und eine hohe Biegesteifheit des Rotorsystems vorzusehen. Der große Oberflächenbereich zwischen den Lagerringen und der Welle führt zu einer effizienten Wärmeübertragungsgrenze, die es dem Lager ermöglicht Temperaturen zu erreichen, die nah an der Temperatur der Welle liegen. Da die Welle direkt mit dem Turbinenrad verbunden ist, das aufgrund des durch das Turbinenrad übertragenen Abgases eine sehr hohe Temperatur erreicht, erreicht auch der Lagerinnenring eine sehr hohe Temperatur, insbesondere unmittelbar nach einer Motorabschaltung, wodurch der Strom verhältnismaßig kalter Umluft durch den Verdichterbereich des Turboladers unterbrochen wird, und wodurch außerdem der Fluß von Schmieröl durch das Lager unterbrochen wird. Demgemäß wurde Wasserkühlung zur Temperaturbegrenzung der nichtdrehenden Teile nach einem warmen Abschalten vorgeschlagen, doch führt die Wärmeübertragung von dem Turbinenrad auf die Lagerinnenringe zu sehr hohen Lagerinnenring-Temperaturen.
  • Die vorstehenden Schwierigkeiten können durch die Verwendung von warmfestem Stahl für die Lager und durch Lagersysteme mit großem Lagerspiel überwunden werden. Warmfeste Stahle für die Lager sind relativ teuer und Lagersysteme mit großem Lagerspiel erfordern eine Vorbelastung mit komplizierten, elastischen Federsicherungselementen, wobei sie hohe Temperaturunterschiede zwischen den Lagerinnenringen und den Lageraußenringen zulassen, ohne daß die Lager dabei beschädigt werden. Die U.S. Patente US- A-4.652.219 und US-A-4.798.523 offenbaren ein repräsentatives Lagersystem mit großen Lagerspielen, wobei elastische Federelemente für die Lagervorbelastung verwendet werden.
  • Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Verwendung von Lagermaterialen verhältnismäßig kostengünstiger Güteklassen, und ferner ermöglicht die Erfindung die Verwendung von Lagersystemen ohne elastische Federelemente, und zwar selbst bei Brennkraftmaschinen, die eine verhältnismäßig hohe Abgastemperatur erzeugen. Die vorliegende Erfindung verwendet eine Stufenwelle mit entsprechenden Unterschieden des Innendurchmessers des Lagerinnenrings. Demgemäß wird der Zusammenbau des Lagers auf die Welle erleichtert, da das Spiel zwischen dem Lager und der Welle so lange besteht, bis das Lager tatsächlich an der letztendlichen Anordnungsposition angebracht wird.
  • Diese und andere Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in bezug auf die beigefügten Zeichnungen deutlich. Es zeigen:
  • Figur 1 eine Querschnittsansicht eines Abgasturboladers mit einer Lagereinrichtung, die gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung hergestellt worden ist; und
  • Figur 2 eine vergrößerte Ansicht des umschriebenen Abschnittes aus Figur 1.
  • In bezug auf die Zeichnungen umfaßt ein Abgasturbolader, der allgemein durch die Bezugsziffer 10 bezeichnet ist, ein Mittelgehäuse 12, ein durch Bolzen 16 an dem Mittelgehäuse 12 befestigtes Turbinengehäuse 14, und ein Verdichtergehäuse 18, das durch den Haltering 20 an dem zu dem Turbinengehäuse 14 entgegengesetzten Ende des Mittelgehäuses 12 befestigt ist. Das Verdichtergehäuse 18 umfaßt einen Einlaß 22, der mit einer Quelle gefilterter Umluft verbunden ist, und einen Auslaßdiffusor 24, der mit dem Ansaugluftverteiler des Motors verbunden ist. Das Turbinengehäuse 14 umfaßt einen Einlaßdiffusor 26, der mit dem Auspuffkrümmer des Motors verbunden ist, an welchem der Turbolader 10 verwendet wird, und einen Auslaß 28, der mit dem Abgassystem des Fahrzeuges verbunden ist.
  • Ein Turbinenrad 30 ist an einem Ende einer Welle 32 angebracht, die sich in das Turbinengehäuse 14 erstreckt. Das Turbinenrad 30 umfaßt die Turbinenschaufeln 34, durch welche Abgase verlaufen, die von dem Diffusor 26 zu dem Auslaß 28 strömen, wodurch eine Rotation des Turbinenrads 30 bewirkt wird, sowie folglich auch eine Rotation der Welle 32. Zwischen dem Turbinenrad 30 und dem Mittelgehäuse 12 befindet sich eine herkömmliche Wirbelwand 36, um eine Wärmeübertragung zwischen den beiden Komponenten zu vermeiden. In dem Verdichtergehäuse 18 ist an dem Ende der Welle 32, das entgegengesetzt zu dem Ende ist, an dem das Turbinenrad 30 angebracht ist, ein Verdichterrad 38 angebracht. Das Verdichterrad 38 umfaßt die Schaufeln 40, durch welche Luft tritt, die zu dem Einlaß 22 übertragen wird. Durch eine Rotation des Verdichterrads 38 wird Luft verdichtet und in den Auslaßdiffusor 24 geleitet.
  • Eine allgemein mit der Bezugsziffer 42 bezeichnete Lagerkassette befestigt die Welle 32 drehbar in dem Lagerträger 44, der einen Teil des Mittelgehäuses 12 bildet. Das Mittelgehäuse 12 umfaßt ferner geeignete Kühlmitteldurchgänge 46, welche Motorkühlmittel in das Mittelgehäuse 12 befördern, und das Gehäuse umfaßt ferner Öleinlaßdurchgänge 48 und den Ölauslaßdurchgang 50, welche Schmieröl an die Lagereinrichtung 42 befördern. Die Welle 32 umfaßt neben dem Ende der Welle 32, an dem das Turbinenrad 30 befestigt ist, ein Teilstück bzw. eine Nabe 52 mit vergrößertem Durchmesser. Die Nabe 52 trägt die Turbinendichtung 54. Die Dichtungen 56 sind dazu vorgesehen, ein Auslaufen in das Verdichtergehäuse 18 zu vermeiden.
  • In bezug auf Figur 2 umfaßt die Lagereinrichtung 42 einen Lageraußenring 58, der in einer Bohrung 60 des Lagerträgers 44 aufgenommen wird. Der Lageraußenring 58 stellt ein starres, durchgehendes Element dar, welches für eine strukturelle Verbindung zwischen einer ersten Anordnung umfänglich mit Zwischenabständen angeordneter, herkömmlicher Kugellagerelemente 62 und einer zweiten Anordnung umfänglich mit Zwischenabständen angeordneter, starrer Kugellagerelemente 64 sorgt. Bei den Kugellagerelementen 62, 64 handelt es sich um gewöhnliche Elemente, welche den Lagerinnenring 66 drehbar an dem Lageraußenring 58 stützen. Wie dies erkennbar sein wird, dreht sich der Lagerinnenring 66 während dem Betrieb des Turboladers mit der Welle 32. Bei den Lagerelementen 62, 64 handelt es sich um herkömmliche Kugellagerelemente einer Art, die dem Fachmann allgemein bekannt ist.
  • Die Welle 32 ist mit Paßflächen 68, 70, 72 versehen, die mit entsprechenden Paßflächen 74, 76 und 78 an dem Lagerinnenring 66 eingreifen, und zwar mit einem leichten Preßsitz für eine hohe radiale Steifheit zwischen dem Lagerinnenring 66 und der Welle 32. Die Paßflächen sind präzise schlicht bearbeitet, so daß ein leichter Preßsitz zwischen den Paßflächen 68, 70, 72 an der Welle und den Paßflächen 74, 76 und 78 an dem Lagerinnenring 66 erreicht wird. Hiermit wird festgestellt, daß der Lagerinnenring 66 in die Abschnitte 82, 84 geteilt ist, wie etwa bei 80, so daß die Paßfläche 76 an dem Innenring 66 zwischen den Abschnitten 80, 84 geteilt ist, wobei die Paßfläche 76 an beiden Abschnitten des Lagerinnenrings 66 jedoch mit der Paßfläche 70 an der Welle 32 eingreift. Die Welle 32 definiert ferner die Teilstücke 86, 88 zwischen den Paßflächen 68, 70, 72. Diese Zwischenabschnitte 86, 88 wirken mit dem Innenring 66 zusammen, so daß sie kleine, sich umfänglich erstreckende Luftspalte G bilden, die als Wärmeisolator wirken, um die Wärmeübertragung zwischen der verhältnismäßig heißen Welle 32, die fast bis auf die Temperatur des Turbinenrads 30 erwärmt wird, und dem Lagerinnenring 66 abzuschwächen. Der Durchmesser D1 der Paßflächen 68, 74 ist größer als der Durchmesser D2 der Paßflächen 70, 76, der wiederum größer ist als der Durchmesser D3 der Paßflächen 72, 78. Wenn der Lagerinnenring 66 folglich an der Welle 70 angebracht wird, paßt die Paßfläche 74 des Innenrings 66 aufgrund des größeren Spiels leicht über die Durchmesser D2 und D3 und trifft solange auf keinen Widerstand, bis der satt anliegende Durchmesser 74 auf dem satt anliegenden Durchmesser 68 angebracht wird. In ähnlicher Weise paßt der satt anliegende Durchmesser 76 leicht über den satt anliegenden Durchmesser 72, wodurch die Anbringung des satt anliegenden Durchmessers 76 auf der Paßfläche 70 der Welle 32 erleichtert wird.
  • Das Ende des Innenrings 66 ist mit einem sich umfänglich erstreckenden, axial vorstehenden Teilstück 90 versehen, welches mit der sich umfänglich erstreckenden, radial vorstehenden Oberfläche 92 eingreift, welche zwischen der Nabe 52 und der Welle 32 definiert ist. Der Vorsprung 90 wird durch Senkung des Endes des Innenrings 66 gebildet, so daß ein Luftspalt A zwischen dem vorstehenden Teilstuck 90 und der Welle 32 vorgesehen ist. Somit wird die Kontaktfläche zwischen dem vorstehenden Teilstück 90 und der Fläche 92 minimiert.
  • Die Nabe 52, die sich unmittelbar neben dem Turbinenrad 30 befindet, ist das Teilstück der Welle 32, das auf die höchste Temperatur erwärmt wird. Demgemäß ist es wünschenswert, die Kontaktflache zwischen dem vorstehenden Teilstück 90 und der Fläche 92 zu minimieren, so daß die Wärmeübertragung durch Leitung von der Welle 32 zu dem Innenring 66 so weit wie möglich eingeschränkt wird, jedoch muß diese Kontaktfläche ausreichende groß sein, so daß das Ende des Innenrings 66 mit der Nabe 50 ausreichend eingreift, so daß der Innenring 66 axial in bezug auf die Welle 32 positioniert wird, so daß Biegekräfte vermieden werden, die auf die Welle durch dynamische Kräfte einwirken, die von den Rädern ausgeübt werden. Diese Kontaktfläche kann durch Senkung des Endes des Innenrings 66 genau geregelt werden.
  • Ferner muß ebenso die Strecke 1 genau geregelt werden, bei der es sich um die Kontaktfläche zwischen dem satt anliegenden Durchmesser 68 und dem satt anliegenden Durchmesser 74 handelt. Da sich diese Paßfläche am nahesten an der Nabe 52 befindet, wird das Teilstück der Welle 32, welches die Paßfläche 68 trägt, auf eine höhere Temperatur erwärmt als die Teilstücke der Welle, welche die Paßflächen 70 bwz. 72 tragen. Um somit die Wärmeübertragung durch Leitung von der Welle auf die Lageranordnung zu minimieren, ist es wünschenswert, die Länge des Kontaktes 1 zwischen den Paßflächen 68, 74 so kurz wie möglich zu gestalten. Die Strecke 1 muß jedoch auch ausreichend lang sein, um der Einrichtung eine ausreichende radiale Steifheit zu verleihen. Demgemäß kann die Länge des satt anliegenden Durchmessers 68 genau geregelt werden, wenn die Welle 32 zum Beispiel unter Verwendung eines Planschleifverfahrens hergestellt wird. Somit ist die Länge der Paßfläche 74, bei der es sich um ein Innenmaß handelt, dessen Länge verhältnismäßig schwer regelbar ist, nicht länger als ein kritisches Maß. Somit kann die Paßfläche 74 durch Senkung des Endes des Innenrings 66 und folgendes Fertigschleifen bearbeitet werden.
  • Hiermit wird festgestellt, daß der Innenring 66 bei 80 nur zur Erleichterung der Herstellung und der Montage auf der Welle 32 gespalten ist. Natürlich ist es auch möglich den Innenring 66 in einem Stück herzustellen, ohne die Trennung bei 80. Somit sind die Paßflächen 70, 76 nicht mehr notwendig und können weggelassen werden. Wenn folglich ein Innenring 66 aus einem Stück verwendet wird, so sind nur die Paßflächen 68, 74 und 72, 78 erforderlich.

Claims (8)

1. Abgasturbolader mit: einem Gehäuse (12, 14, 18); einer Welle (32) in dem Gehäuse (12, 14, 18), wobei die Welle ein Endenpaar umfaßt; einem Verdichterrad (38), welches an einem Ende der Welle (32) zur Drehung mit dieser in dem Gehäuse (12, 14, 18) angebracht ist; einem Turbinenrad (30), welches an dem anderen Ende der Welle (32) zur Drehung mit dieser in dem Gehäuse (12, 14, 18) angebracht ist; einer Einrichtung zur Luftübertragung durch das Verdichterrad (38); einer Einrichtung zur Übertragung von Abgas durch das Turbinenrad (30), um so zu bewirken, daß letzteres die Welle (32) und das daran angebrachte Verdichterrad (38) dreht, um die durch das Verdichterrad (38) übertragene Luft zu verdichten; eine Lagereinrichtung (42), welche die Welle (32) zur Drehung relativ zu dem Gehäuse (12, 14, 18) anbringt, wobei die Lagereinrichtung (42) einen Lageraußenring (58), einen Lagerinnenring (66) und Kugellagerelemente (62, 64) aufweist, welche den Lageraußenring (58) an dem Lagerinnenring (66) stützen, wobei die Kugellagerelemente (62, 64) eine erste Anordnung von Elementen (62) und eine zweite Anordnung von Elementen (64) umfassen, die zu der ersten Anordnung axial mit Zwischenabstand angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Lageraußenring (58) ein starres, ununterbrochenes Element darstellt, welches eine ununterbrochene, strukturelle Verbindung zwischen der ersten und zweiten Anordnung vorsieht, um den axialen Zwischenabstand zwischen den Anordnungen zu erzeugen, wobei ein Paar axial mit Zwischenabstand angeordneter Paßflächen (74, 78) an dem Innenring (66) mit entsprechenden Paßflächen (68, 72) an der Welle (32) eingreift, um den Innenring (66) an der Welle (32) zu stützen, wobei eine der Paßflächen (74) an dem Innenring (66) einen größeren Durchmesser aufweist als der Durchmesser der anderen Paßfläche (78) an dem Innenring (66).
2. Abgasturbolader nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (32) eine radial vorstehende Nabe (52) umfaßt, wobei ein Ende des Innenrings (66) eine sich radial erstreckende Eingriffsoberfläche zum Eingriff mit der Nabe (52) definiert, um den Innenring (66) dadurch axial in bezug auf die Welle (32) zu positionieren.
3. Abgasturbolader nach Anspruch 2, ferner dadurch gekennzeichnet, daß sich eine der axial mit Zwischenabstand angeordneten Paßflächen (68) an der Welle (32) zwischen der Nabe (52) und der anderen Paßfläche (72) befindet, wobei der Durchmesser der genannten einen Paßfläche (68) größer ist als der Durchmesser der anderen Paßfläche (72).
4. Abgasturbolader gemäß den Ansprüchen 1-3, ferner dadurch gekennzeichnet, daß eine sich radial erstreckende Eingriffsoberfläche an einem sich umfänglich erstreckenden, axial vorstehenden Teilstück (90) des Innenrings (66) definiert ist, wobei das vorstehende Teilstück (90) des Innenrings (66) mit der Welle (32) zusammenwirkt, um dazwischen einen sich umfänglich erstreckenden Luftspalt zu definieren.
5. Abgasturbolader gemäß den Ansprüchen 1-3, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Lagereinrichtung (42) eine dritte Paßfläche (76) an dem Innenring (66) aufweist, und zwar zwischen dem Paar der Paßflächen und einer entsprechenden Paßfläche (70) an der Welle (32).
6. Abgasturbolader nach Anspruch 5, ferner dadurch gekennzeichnet, daß der Innenring (66) an der dritten Paßfläche (76) in ein Paar von Bereichen (82, 84) geteilt ist, wobei jeder der Bereiche (82, 84) ein Teilstück der dritten Paßfläche (76) trägt und wobei jedes Teilstück der dritten Paßfläche (76) mit der entsprechenden Paßfläche an der Welle (32) eingreift.
7. Abgasturbolader nach Anspruch 6, ferner dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der dritten Paßfläche (76) größer als der Durchmesser der genannten anderen Paßflache (78), jedoch kleiner als der Durchmesser der genannten einen Paßfläche (74) ist.
8. Abgasturbolader nach Anspruch 7, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (32) und der Innenring (66) eine zusammenwirkende Einrichtung umfassen, zur relativen axialen Positionierung eines Endes des Innenrings (66) zu der Welle (32), wobei sich die genannte eine Paßfläche neben dem genannten einen Ende des Innenrings (66) befindet.
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