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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Turbolader-Lagerkonstruktion.
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Schwimmende Lager („floating-type
bearings") sind
als Turbolader-Lager allgemein bekannt. Ein schwimmendes Lager ist
zwischen einer Turbinenwelle und einem an einem Gehäuse (Turbinengehäuse, Kompressorgehäuse) befindlichen
Lagerträger
derart angeordnet, dass ein dünner Ölfilm zwischen
der Turbinenwelle und dem Lager und zwischen dem Lagerträger und
dem Lager ausgebildet ist, und das Lager kann sich relativ zur Turbinenwelle und
dem Lagerträger
drehen. Das Lager dreht sich relativ zur Turbinenwelle, die sich
mit hoher Geschwindigkeit dreht, mit einer geringeren Geschwindigkeit
als die Turbinenwelle, mit dem Effekt, dass nicht nur ein Lagerfressen
durch Knappheit an Öl
verhindert wird, sondern dass außerdem Vibrationen der Turbinenwelle
gedämpft
und unterdrückt
werden. Bei manchen Turboladern ist an der äußeren Umfangsseite des Lagers
ein Ölfilmdämpfer vorgesehen,
um die Drehstabilität
der Welle zu erhöhen.
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6 der
beigefügten
Zeichnungen zeigt eine herkömmliche
Konstruktion eines Lagerteils mit einem derartigen Ölfilmdämpfer. Ein
Lager 50 ist zwischen einer Turbinenwelle 56 und
einem an dem Gehäuse 52 befindlichen
Lagerträger 54 angeordnet. An
der inneren und äußeren Umfangsseite
des Lagers 50 sind dünne
Spalte 58 bzw. 60 vorgesehen, in die Schmieröl eingeführt wird,
um einen Ölfilmdämpfer auszubilden.
Ein Austreten von Öl
wird insbesondere durch das Vorsehen von O-Ringen 62 verhindert,
die an der äußeren Umfangsseite
an die Spalte 60 angrenzen.
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Bei dieser herkömmlichen Konstruktion wird die
Vibration der Turbinenwelle 56 durch die Ölfilmdämpfer unterdrückt, die
in den Spalten 58, 60 an der inneren und äußeren Umfangsseite
des Lagers 50 ausgebildet sind. Um die Spalte 60 dieser
Konstruktion mit ausreichend Öl
zu füllen,
ist es jedoch nötig, beim
Zusammensetzen Luft, die sich in den Spalten 60 befindet,
auszutreiben, jedoch besteht das Problem, dass die Luftausgänge durch
die O-Ringe 62 abgedichtet sind, dass die Ölfüllung unzureichend
ist und dass der Dämpfungseffekt
unzureichend ist. Gleichzeitig tragen die O-Ringe 62 ebenfalls
zum Unterdrücken
der Vibration der Turbinenwelle 56 bei, aber der Effekt
ist gering, weil ihre Steifigkeit und Federkraft nicht besonders
groß sind.
Darüber
hinaus muss das Lager 50 präzise zentriert werden und die Dicke
des Ölfilmdämpfers genau
beibehalten werden, aber es ist aufgrund ihrer geringen Steifigkeit nicht
zu erwarten, dass der O-Ring in dieser Hinsicht viel beiträgt.
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Bei der Turbolader-Lagerkonstruktion
gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Lager zwischen einer Turbinenwelle
und einem gehäuseseitigen
Lagerträger
angeordnet, ist ein erster Spalt, in dem ein Ölfilmdämpfer ausgebildet werden kann,
zwischen dem Lager und dem Lagerträger vorgesehen, ist ein Paar
von zweiten, größeren Spalten an
den ersten Spalt angrenzend an beiden Enden des ersten Spaltes in
longitudinaler Richtung der Turbinenwelle vorgesehen, und ist ein
Paar von luftdurchlässigen
Elementen, die jeweils fähig
sind, eine vorbestimmte Federkraft auf das Lager auszuüben, um
den gesamten Umfang herum in den zweiten Spalten angeordnet.
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Da die luftdurchlässigen Elemente in den zweiten
Spalten angeordnet sind, wird die Luft im ersten Spalt beim Zusammensetzen
durch die luftdurchlässigen
Elemente leicht nach außen
gedrängt,
d. h., die Elemente in den zweiten Spalten verschließen nicht
die Auslässe
für die
Luft, die sich im ersten Spalt befindet. Demnach kann das Öl sanft
in den ersten Spalt eingefüllt
werden und wird der Ölfilmdämpfer auf
zuverlässige
Weise ausgebildet. Die luftdurchlässigen Elemente können Federelemente sein.
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Durch die Federelemente wird eine
vorbestimmte Federkraft auf das Lager ausgeübt, die größer ist als diejenige, die
von den O-Ringen der herkömmlichen
Anordnung auf das Lager ausgeübt wird,
so dass die Vibrationen der Turbinenwelle wirkungsvoller unterdrückt wird.
Federelemente, die geeignet sind, die Vibratio nen der Turbinenwelle
zu unterdrücken,
können
der Anwendung gemäß beliebig gewählt werden.
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Ein jedes der Federelemente kann
aus Metall hergestellt sein. Ein jedes der Federelemente kann ein
Plattenelement beinhalten, das sich um den ganzen Umfang des zweiten
Spaltes erstreckt, und konvexe Teile, die in radialer Richtung nach
innen oder außen
in gleichen Abständen
von dem Plattenelement abstehen. Ein jedes der konvexen Teile ist
in der Breitenrichtung des Plattenelementes länglich (aber erstreckt sich
vorzugsweise nicht über
die gesamte Breite des Plattenelementes), und hat Seitenwände (Endwände), die
mit dem Plattenelement an beiden Längsenden zusammenhängen. Die
konvexen Teile sind mit der äußeren Umfangsfläche des Lagers
in Kontakt, wenn sie sich radial inwärts erstrecken, und mit dem
Lagerträger
in Kontakt, wenn sie sich radial auswärts erstrecken, und sie umgeben das
Lager in der Umfangsrichtung des Lagers, so dass die Zentrierung
des Lagers in beiden Fällen
beibehalten wird. Dementsprechend kann die Dicke des Ölfilmdämpfers akkurat
beibehalten werden.
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1 ist
eine Längsschnittansicht
einer Turbolader-Lagerkonstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung.
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2 ist
eine Schrägansicht
eines Federelementes.
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3 ist
eine Schrägansicht
eines anderen Federelementes.
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4 ist
eine Schnittansicht des Federelementes in seinem deformierten Zustand,
geschnitten in der Umfangsrichtung.
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5 ist
eine geschnittene Teilansicht des Lagers, geschnitten in Umfangsrichtung.
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6 ist
eine Längsschnittansicht
einer herkömmlichen
Turbolader-Lagerkonstruktion.
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Es folgt eine detaillierte Beschreibung
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die auf die beiliegenden Zeichnungen
gestützt
ist.
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Wie den 1 und 6 zu
entnehmen ist, hat eine Turbolader-Lagerkonstruktion gemäß der vorliegenden
Erfindung mehr oder weniger die gleiche Konfiguration wie im Stand
der Technik. Wie in 1 gezeigt
ist, ist bei dieser Ausführungsform
ein Lager 4 zwischen einer Turbinenwelle 3 und
einem Lagerträger
(Lagergehäuse) 2,
der sich an der Seite des Gehäuses 1 befindet,
angeordnet. Ein Turbinenrad, das in dem Diagramm nicht dargestellt
ist, ist an der rechten Seite der Turbinenwelle 3 vorgesehen.
Mit anderen Worten ist hier die Konfiguration auf der Turbinenseite
dargestellt.
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Ein Lagergehäuse 2 ist in das Gehäuse 1 eingepasst,
ist ringförmig
und hat ein zentrales Loch 5, in das ein Lager 4 eingepasst
ist. In dem Lagergehäuse 2 ist
ein Ölloch 6 vorgesehen.
Der Einlass des Öllochs 6 verläuft bis
zu einer Ölzufuhrleitung 7 des Gehäuses 1.
Der Auslass des Öllochs 6 verläuft bis zu
einer inneren umlaufenden Rinne 8, die an einem inneren
umlaufenden Teil des Lagergehäuses 2 vorgesehen
ist. Die innere umlaufende Rinne 8 ist über den gesamten Umfang ausgebildet
und öffnet
sich an der Fläche
des zentralen Lochs 5.
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Das Lager 4 beinhaltet im
Wesentlichen ein radial äußeres Trageelement 9,
ein radial inneres Segmentlager (englisch "tilting pad bearing") 10 und ein Paar von Verbindungsplatten 11,
die sie verbinden. Das Segmentlager 10 ist in das Trageelement 9 eingepasst
und hat eine innere Umfangsfläche 12, die
an der Turbinenwelle 3 aufliegt. Die Auflagefläche 12 wird
hergestellt, indem in die innere Umfangsfläche des Segmentlagers 10 ein
vergleichsweise weiches, auf Zinn basierendes Metall wie beispielsweise Weißmetall
gegossen wird. Der Innendurchmesser des Auflageteils 12 ist
etwas größer als
der Außendurchmesser
der Turbinenwelle 3, so dass ein Ölfilm ausgebildet werden kann.
Die Verbindungsplatten 11 sind an den beiden Axialenden
des Trageelementes 9 unter Verwendung von Bolzen 13 befestigt,
und das Segmentlager 10 wird dazwischengesetzt und an seinen
beiden Seiten von den Platten 11 gehalten. Eine äußere umlaufende
Rinne 14, die mit der oben genannten inneren umlaufenden
Rinne 8 zusam menpasst, ist in der äußeren Umfangsfläche des
Trageelementes 9 vorgesehen. Außerdem ist ein radial ausgerichtetes
Schraubloch 15 von dem Boden der äußeren umlaufenden Rinne 14 durch
das Trageelement 9 geschraubt, und eine Schraube 16 ist
darin hineingepasst, so dass das Segmentlager 10 gehalten wird.
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5 zeigt
das Trageelement 9 und das Segmentlager 10 in
verbundenem Zustand. Wie aus dem Diagramm ersichtlich ist, sind
radiale Ölzufuhrlöcher 17 in
vorbestimmten Intervallen in Umfangsrichtung in dem Trageelement 9 vorgesehen,
und das Segmentlager 10 ist derart in Segmente unterteilt, dass
sie jeweils mit den Positionen der Ölzufuhrlöcher 17 übereinstimmen.
Mit anderen Worten sind eine Mehrzahl von Segmentlagersegmenten 10 in vorbestimmten
Intervallen in der Umfangsrichtung aufgereiht, und für ein jedes
Segmentlager 10 ist eine separate Schraube zur Befestigung
vorgesehen. Somit gelangt das Öl,
das aus dem Ölloch 6 (1) des Lagergehäuses 2 zugeführt wird,
durch die äußere umlaufende
Rinne 14 und bewegt sich über den gesamten Umfang und
läuft durch
die Ölzufuhrlöcher 17 und
die Zwischenräume
zwischen den Segmenten 10 des Segmentlagers hindurch, wodurch
es dem Spalt zwischen der Auflagefläche 12 des Lagers 4 und
der Turbinenwelle 3 zugeführt wird.
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Wie in 1 dargestellt
ist, ist der Außendurchmesser
des Trageelementes 9 mit einem etwas geringen Durchmesser
ausgebildet als der Durchmesser des Zentrallochs 5 des
Lagergehäuses 2. Dadurch
wird ein Spalt (erster Spalt) 18 zwischen der äußeren Umfangsfläche des
Trageelementes 9 und der Fläche des Zentrallochs 5 ausgebildet,
mit einer Dicke, die es gestattet, dass ein Ölfilmdämpfer ausgebildet wird. Mit
anderen Worten wird ein Teil des Öls, das der äußeren umlaufenden
Rinne 14 des Trageelementes 9 zugeführt wird,
dem ersten Spalt 18 zugeführt, und mit diesem Öl wird ein
dünner Ölfilmdämpfer erzeugt.
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Darüber hinaus hat das Zentralloch 5 an
seinen beiden axialen Enden Bereiche 19 mit vergrößertem Durchmesser.
Dadurch wird ein Paar von zweiten Spalte 20, die größer sind
als die ersten Spalte 18, zwischen der äußeren Umfangsfläche des
Trageelementes 9 und der Fläche des Abschnittes 19 mit vergrößertem Durchmesser
ausgebildet. Die zweiten Spalte 20 sind in axialer Richtung
neben den Enden der ersten Spalte 18 und daran angrenzend
ausgebildet. Man beachte, dass die ersten Spalte 18 in
Axialrichtung der Welle als Paar in der Mitte angeordnet sind, wobei
sie die innere umlaufende Rinne 8 und die äußere umlaufende
Rinne 14 in ihre Mitte nehmen.
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Der Raum des Spaltes 20 ist
größer als
der Raum des Spaltes 18. Wenn das Öl aus der inneren umlaufenden
Rinne 8 und der äußeren umlaufenden Rinne 14 in
den Spalt 18 fließt,
wird somit in dem Spalt 18 befindliche Luft komprimiert
und durch den Druck des Öls
in den Raum des Spaltes 20 ausgetrieben, und der Spalt 18 kann
mit Öl
gefüllt
werden.
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Bei der vorliegenden Erfindung ist
insbesondere ein Federelement 21 in einem jeden der zweiten Spalte 20 vorgesehen.
Die Konfiguration eines Federelementes 21 ist in 2 gezeigt. Das Federelement 21 ist
eine integral ausgebildete Komponente aus Metall und ist ringförmig um
den gesamten Umfang des zweiten Spaltes 20 ausgebildet.
Darüber
hinaus umfasst es ein ringförmiges
Plattenelement 22 und eine Mehrzahl von konvexen Teilen 23,
die radial nach außen
von dem Plattenelement 22 abstehen. Die konvexen Teile 23 sind
in gleichen Abständen
in Umfangsrichtung ausgebildet und haben einen halbkreisförmigen Querschnitt
(siehe durchgezogene Linie in 4).
Ein jedes der konvexen Teile 23 ist in Breitenrichtung
des Plattenelementes 22 länglich und hat an beiden Längsenden
Seitenwände
(Endwände) 24,
die mit dem Plattenelement 22 zusammenhängen. Die konvexen Teile 23 sind
in Breitenrichtung von den beiden Enden des Plattenelementes 22 um
einen vorbestimmten Abstand nach innen versetzt ausgebildet, oder
anders gesagt behält
das Plattenelement 22 an beiden Seiten entlang des gesamten
Umfangs Ränder.
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Das Federelement 21 unterdrückt radiale
Vibrationen der Turbinenwelle 3 durch Verformung (Einfallen)
in der Höhenrichtung
der konvexen Teile 23. In diesem Fall ist die Anordnung
insbesondere so, dass die Deformation der individuellen konvexen Teile 23 keinen
Einfluss auf die anderen Teile hat. Wenn die konvexen Teile 23 durch
externe Kräfte
kollabieren, wie in 4 gezeigt
ist, verformen sie sich mit anderen Worten von der durchgezogenen
Linie zu der strichpunktierten Linie, während die Länge L in Umfangsrichtung sich
nicht ändert.
Das liegt an den Seitenwänden 24 in
den konvexen Teilen 23 und daran, dass Plattenelemente 22 an
beiden Seitenenden übrig
sind. Ohne diese würden
die konvexen Teile 23 deformiert werden und dafür offen
sein, eine Länge L1
in Umfangsrichtung zu haben, wie durch die gestrichelte Linie (L1 > L) angezeigt ist,
und die anderen Teile beeinflussen, unter Veränderung der Deformationseigenschaften
solcher Teile. Ein Federelement 21 absorbiert lokalisierte äußere Kräfte nur
an ihrem Ort und erzeugt den gleichen Effekt wie eine Anzahl von radial
ausgerichteten Sprungfedern, die in Umfangsrichtung aufgereiht sind.
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Das Federelement 21 kann
wie in 3 gezeigt geartet
sein. Bei diesem Federelement 21 ist das Plattenelement 22 an
einer Stelle in der Umfangsrichtung unverbunden, und die konvexen
Teile 23 stehen radial nach innen ab. Da auch in diesem Fall
die konvexen Teile 23 individuell deformiert werden können, gibt
es keine Veränderung
in den Deformationseigenschaften im Bereich des Ortes der Trennung
und des Mittelteils des Federelementes 21.
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Die Federelemente 21 mit
derartiger Konfiguration werden in die zugehörigen zweiten Spalte 20 von
entgegengesetzten axialen Richtungen eingesetzt (in der Darstellung
von 1 von links und rechts).
Wenn dies geschehen ist, wird das Lager 4 gleichförmig von
der gesamten Umfangsseite gehalten und koaxial mit dem Zentralloch 5 positioniert. Das
Entnehmen der Federelemente 21 wird durch das Gehäuse 1 (Zentrumsabdeckung)
und einen Turbinenlabyrinthring 72 vollständig verhindert.
Selbstverständlich
wirken in der Praxis externe Kräfte
vom Lager 4 und während
des Betriebs Zentrifugalkräfte auf
die Federelemente 21 und/oder es wirkt eine kollektive
Federkraft (Vorspannung) von den konvexen Teilen 23, so
dass die Federelemente 21 nicht abfallen würden.
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Unter Verwendung dieser Konfiguration
und der Dämpfungskraft,
die auf die Vibration der Turbinenwelle 3 durch den Ölfilmdämpfer im
ersten Spalt 18 wie beim Stand der Technik ausgeübt wird,
kann insbesondere eine vergleichsweise starke Federkraft durch das
Federelement 21 in dem zweiten Spalt 20 ausgeübt werden.
Auf diese Weise werden axiale Vibrationen zwangsläufig unterdrückt, und eine
wesentliche Verbesserung in der Rotationsstabilität kann erreicht
werden. Darüber
hinaus haben die Federelemente 21 den Effekt, das Lager 4 zu
zentrieren, so dass die Dicke des Ölfilmdämpfers während des Betriebs präzise beibehalten
werden kann, und sie sind außerdem
nützlich
für große und schwere Turbinenwellen 3 und
Lager 4. Darüber
hinaus hat das Federelement 21 den Effekt, dass es verhindert, dass Öl aus dem
ersten Spalt 18 austritt, und dass es die Funktion des Ölfilmdämpfers zuverlässig beibehält. Darüber hinaus
ist es insofern vorteilhaft, als es eine gute Langlebigkeit hat
und anders als ein herkömmlicher
O-Ring keine Ringnut
in der Innenfläche des
Zentrallochs 5 benötigt,
so das es leicht einsetzbar ist.
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Da das Federelement 21 wie
oben beschrieben konfiguriert ist, hat es darüber hinaus gute Deformationseigenschaften
und ist es geeignet, Vibrationen der Turbinenwelle 3 zu
unterdrücken.
Man beachte, dass die 1 eine
Lagerkonstruktion auf der Turbinenseite zeigt, aber es ist eine ähnliche
Lagerkonstruktion auch auf der Kompressorseite (nicht gezeigt) vorgesehen.
Das Herausfallen des Federelementes wird durch eine Lagerabdeckung
und einen Axiallagerträger
auf der Kompressorseite verhindert.
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Obwohl eine Beschreibung einer bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung vorgelegt wurde, kann die Konfiguration
beispielsweise des Federelementes auf geeignete Weise verändert werden
und das Lager kann eine herkömmliche
integrale Konfiguration ohne das Segmentlager haben.