WO2011009813A1 - Lagereinheit - Google Patents

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    • F16C2360/00—Engines or pumps
    • F16C2360/23—Gas turbine engines
    • F16C2360/24—Turbochargers

Definitions

  • the invention relates to a bearing unit of a shaft of an exhaust gas turbocharger, wherein the bearing unit comprises two axially spaced ball bearings with outer rings and inner rings and arranged between the rings balls and wherein the outer rings are arranged in a housing.
  • a storage unit of this type is known for example from DE 20 2004 017 194 Ul.
  • the shaft of an exhaust gas turbocharger is here - as usual - out in two angular contact ball bearings, which are employed against each other and so keep the shaft under a defined bias.
  • the disadvantage of such a solution that in order to achieve the required high speeds usually special high-precision manufactured and therefore correspondingly expensive bearings are needed.
  • the invention is based on the invention, a bearing unit of a turbocharger shaft of the type mentioned in such a way that it is possible to store using standard bearings trained the shaft precisely, with high speeds can be achieved.
  • the solution to this problem by the invention is characterized in that the two ball bearings of the bearing unit are designed as radial deep groove ball bearings, wherein between the outer ring of the deep groove ball bearings and the housing acting in the axial direction spring element is arranged.
  • the spring element is preferably arranged so that it pushes the outer ring of the deep groove ball bearing away from the other deep groove ball bearing.
  • the balls of the two deep groove ball bearings are preferably made of ceramic material.
  • the balls of the two deep groove ball bearings are usually each guided by a cage. This can be guided inside the ring.
  • the cage is preferably designed as a snap cage. It is preferably made of plastic.
  • the plastic material of the cage preferably comprises polyamide as the base material.
  • the plastic material of the cage preferably has as additive graphite; the proportion of graphite is preferably between 7 and 13 percent by weight.
  • the plastic material of the cage has as additive polytetrafluoroethylene; the proportion of polytetrafluoroethylene is preferably between 1 and 3% by weight.
  • the spring element is preferably designed as a corrugated spring.
  • the frontal contact surfaces of the wave spring are preferably arranged parallel to each other to obtain a tilt-free system.
  • the deep groove ball bearings are preferably standard bearings.
  • the shaft of the exhaust gas turbocharger can adjoin with their end faces on end faces of the inner rings of the two deep groove ball bearings.
  • preferably deep groove ball bearings are used as bearings.
  • the proposed embodiment of the storage unit allows very high speeds of rotation of the shaft, for example, 240,000 l / min.
  • the axial preload of the bearing unit by means of the spring element (multi-layer spring) ensures zero backlash of the bearings.
  • the realization of the storage unit and thus the entire turbocharger can be cost-effective, since it can be used on standard products that can be manufactured inexpensively. Also, the assembly of the arrangement is simple and therefore cost possible. In addition, cost efficiency generally results from the modular design of the unit with simple components.
  • FIG. 1 shows the radial section (section A-A according to FIG. 2) through an exhaust-gas turbocharger
  • FIG. 5 shows the radial section through an exhaust gas turbocharger according to a somewhat modified embodiment of the invention.
  • FIGS. 1 to 4 show an exhaust-gas turbocharger which has a housing 11 in which a shaft 2 is mounted by means of a bearing unit 1.
  • the bearing unit 1 comprises two ball bearings 3 and 4, each of which is designed as a radial deep groove ball bearing.
  • Each ball bearing 3, 4 has an outer ring 5 and 6, which is arranged in a bore in the housing 11.
  • Each ball bearing 3, 4 further has respective inner rings 7 and 8, wherein between the inner rings 7, 8 and the Au texen 5, 6 balls 9, 10 are arranged.
  • the balls 9, 10 are made of ceramic material. Ceramic balls are particularly suitable for very fast running bearings.
  • snap cages 13 and 14 are provided, which consist of plastic material.
  • the shaft 2 abuts with their end faces 15 and 16 on the end faces 17 and 18 of the two inner rings 7, 8 of the ball bearings 3, 4th
  • a acting spring element 12 is arranged between the outer ring 5 of the deep groove ball bearing 4 and the housing 11 in the axial direction.
  • a receiving space 19 is formed in the housing 11, which has a rectangular contour in radial section.
  • the spring element 12 is designed as a corrugated spring.
  • the end faces of the corrugated spring are formed parallel to each other, so that the corrugated spring 12 can abut both on the end face of the outer ring 6 and on the end face of the receiving space 19 in the housing 11.
  • the lubrication of the bearing arrangement is carried out by engine oil in combustion engine applications.
  • oil supply holes 20 and 21 are provided, via which the oil can be passed into the interior of the storage unit.
  • Oil return bores in the housing 11 are identified by 24.
  • the bearing rings 5, 6, 7, 8 are made of stainless steel (440 C).
  • a bore 22 is introduced in the largely rotationally symmetrical housing 11 (see Fig. 3), in which a locking pin (not shown) can engage.
  • Fig. 5 a slightly modified embodiment of an exhaust gas turbocharger according to the invention is shown.
  • the corrugated spring 12 is arranged here on the other side in the region of the deep groove ball bearing 3, where in the housing 11 of the corresponding receiving space 19 for the corrugated spring 12 is located.
  • the orientation of the ⁇ lzuate- tion hole 21 is radial in this embodiment, while the bores 20, 21 are otherwise arranged at an angle to the radial direction.
  • the corrugated spring 12 always maintains the axial bias in the bearing unit even with changes in the temperature of the bearing unit. Accordingly, the bearings 3, 4 - without that further action must be taken - play.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Supercharger (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lagereinheit (1) einer Welle (2) eines Abgasturboladers, wobei die Lagereinheit (1) zwei in axialem Abstand zueinander angeordnete Kugellager (3, 4) mit Außenringen (5, 6) und Innenringen (7, 8) sowie zwischen den Ringen (5, 6, 7, 8) angeordneten Kugeln (9, 10) umfasst und wobei die Außenringe (5, 6) in einem Gehäuse (11) angeordnet sind. Um hohe Drehzahlen der Welle bei einwandfreiem Lauf derselben zu ermöglichen, sieht die Erfindung vor, dass die beiden Kugellager (3, 4) als Radial-Rillenkugellager ausgebildet sind, wobei zwischen dem Außenring (5) eines der Rillenkugellager (4) und dem Gehäuse (11) ein in axiale Richtung (a) wirkendes Federelement (12) angeordnet ist.

Description

B e s c h r e i b u n g Lagereinheit
Die Erfindung betrifft eine Lagereinheit einer Welle eines Abgasturboladers, wobei die Lagereinheit zwei in axialem Abstand zueinander angeordnete Kugellager mit Außenringen und Innenringen sowie zwischen den Ringen angeordneten Kugeln umfasst und wobei die Außenringe in einem Gehäuse angeordnet sind. Eine Lagereinheit dieser Art ist beispielsweise aus der DE 20 2004 017 194 Ul bekannt. Die Welle eines Abgasturboladers ist hier - wie üblich - in zwei Schrägkugellagern geführt, die gegeneinander angestellt sind und so die Welle unter einer definierten Vorspannung halten. Nachteilig ist bei einer solchen Lösung, dass zwecks Erreichens der benötigten hohen Drehzahlen zumeist spezielle hochpräzise gefertigte und daher entsprechend teure Lager benötigt werden.
Der Erfindung liegt die A u f g a b e zugrunde, eine Lagereinheit einer Turbolader-Welle der eingangs genannten Art so auszubilden, dass es möglich ist, unter Einsatz standardgemäß ausgebildeter Lager die Welle präzise lagern zu können, wobei hohe Drehzahlen erreicht werden können.
Die L ö s u n g dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kugellager der Lagereinheit als Radial-Rillenkugellager ausgebildet sind, wobei zwischen dem Außenring eines der Rillenkugellager und dem Gehäuse ein in axiale Richtung wirkendes Federelement angeordnet ist. Das Federelement ist dabei bevorzugt so angeordnet, dass es den Außenring des Rillenkugellagers vom anderen Rillenkugellager weg drückt.
Die Kugeln der beiden Rillenkugellager bestehen bevorzugt aus keramischem Mate- rial.
Die Kugeln der beiden Rillenkugellager werden zumeist jeweils durch einen Käfig geführt. Dieser kann innenringgeführt sein. Der Käfig ist bevorzugt als Schnappkäfig ausgebildet. Er besteht bevorzugt aus Kunststoff. Das Kunststoffmaterial des Käfigs weist bevorzugt als Grundmaterial Polyamid auf. Das Kunststoffmaterial des Käfigs weist dabei bevorzugt als Zusatzstoff Graphit auf; der Anteil an Graphit beträgt bevorzugt zwischen 7 und 13 Gewichtsprozent. Ferner kann vorgesehen sein, dass das Kunststoffmaterial des Käfigs als Zusatzstoff Polytetrafluorethylen aufweist; der Anteil an Polytetrafluorethylen liegt bevorzugt zwischen 1 und 3 Ge- wichtsprozent.
Das Federelement ist bevorzugt als Wellfeder ausgebildet. Die stirnseitigen Anlageflächen der Wellfeder sind dabei bevorzugt parallel zueinander angeordnet, um eine kippfreie Anlage zu erhalten.
Bei den Rillenkugellagern handelt es sich bevorzugt um Standardlager.
Die Welle des Abgasturboladers kann mit ihren Stirnseiten an Stirnseiten der Innenringe der beiden Rillenkugellager angrenzen.
Wie erwähnt, kommen als Lager bevorzugt standardgemäß gefertigte Rillenkugellager zum Einsatz. Die vorgeschlagene Ausgestaltung der Lagereinheit erlaubt sehr hohe Drehzahlen der Welle von beispielsweise 240.000 l/min. Die axiale Vorspannung der Lagereinheit mittels des Federelements (Mehrlagenfeder) stellt Spielfreiheit der Lager sicher. Die Realisierung der Lagereinheit und damit des gesamten Turboladers kann kostengünstig erfolgen, da auf Standardprodukte zurückgegriffen werden kann, die kostengünstig gefertigt werden können. Auch ist die Montage der Anordnung einfach und damit kostengünstig möglich. Kosteneffizienz ergibt sich darüber hinaus generell durch den modularen Aufbau der Einheit mit einfachen Komponenten.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 den Radialschnitt (Schnitt A-A gemäß Fig. 2) durch einen Abgasturbolader,
Fig. 2 den Abgasturbolader gemäß Ansicht B nach Fig. 1 , Fig. 3 den Abgasturbolader gemäß Ansicht C nach Fig. 2, Fig. 4 den Abgasturbolader gemäß Ansicht D nach Fig. 2 und
Fig. 5 den Radialschnitt durch einen Abgasturbolader gemäß einer etwas modi- fizierten Ausführungsform der Erfindung.
In Fig. 1 bis Fig. 4 ist ein Abgasturbolader zu sehen, der ein Gehäuse 11 aufweist, in dem eine Welle 2 mittels einer Lagereinheit 1 gelagert ist. Die Lagereinheit 1 umfasst zwei Kugellager 3 und 4, die jeweils als Radial-Rillenkugellager ausgebil- det sind. Jedes Kugellager 3, 4 hat einen Außenring 5 bzw. 6, der in einer Bohrung im Gehäuse 11 angeordnet ist.
Die Bohrung im Gehäuse 11, die den Außenring 6 des Rillenkugellagers 4 aufnimmt, ist dabei durch Spielpassung so toleriert, dass der Außenring 6 in axiale Richtung a im Gehäuse 11 verschieblich ist. Jedes Kugellager 3, 4 hat des weiteren jeweilige Innenringe 7 bzw. 8, wobei zwischen den Innenringen 7, 8 und den Au- ßenringen 5, 6 Kugeln 9, 10 angeordnet sind. Die Kugeln 9, 10 bestehen aus keramischem Material. Keramikkugeln eignen sich besonders für sehr schnell laufende Lager. Zur Führung der Kugeln 9, 10 sind Schnappkäfige 13 bzw. 14 vorgesehen, die aus Kunststoffmaterial bestehen.
Wie weiter gesehen werden kann, stößt die Welle 2 mit ihren Stirnseiten 15 und 16 auf die Stirnseiten 17 bzw. 18 der beiden Innenringe 7, 8 der Kugellager 3, 4.
Wesentlich ist, dass zwischen dem Außenring 5 des Rillenkugellagers 4 und dem Gehäuse 11 ein in axiale Richtung a wirkendes Federelement 12 angeordnet ist. Zur Aufnahme des Federelements 12 ist im Gehäuse 11 ein Aufnahmeraum 19 ausgebildet, der im Radialschnitt eine rechteckförmige Kontur aufweist.
Das Federelement 12 ist als Wellfeder ausgebildet. Die Stirnseiten der Wellfeder sind parallel zueinander ausgebildet, so dass die Wellfeder 12 sowohl an der Stirnseite des Außenrings 6 als auch an der Stirnseite des Aufnahmeraums 19 im Gehäuse 11 anliegen kann.
Durch das Federelement 12 wird eine dauerhafte elastische Vorspannung der Rillenkugellager 3, 4 in axiale Richtung a aufrecht erhalten.
Die Schmierung der Lageranordnung erfolgt in der Anwendung in Verbrennungs- motoren durch Motoröl. Hierfür sind Ölzuführungsbohrungen 20 und 21 vorgesehen, über die das Öl in das Innere der Lagereinheit geleitet werden kann. Ölrück- laufbohrungen im Gehäuse 11 sind mit 24 gekennzeichnet.
Die Lagerringe 5, 6, 7, 8 sind aus nichtrostendem Stahl gefertigt (440 C). Zur Verdrehsicherung ist im weitgehend rotationssymmetrischen Gehäuse 11 eine Bohrung 22 eingebracht (s. Fig. 3), in die ein Arretierungsstift (nicht dargestellt) eingreifen kann. In Fig. 5 ist eine geringfügig modifizierte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers dargestellt. Die Wellfeder 12 ist hier auf der anderen Seite im Bereich des Rillenkugellagers 3 angeordnet, wo sich im Gehäuse 11 der entsprechende Aufnahmeraum 19 für die Wellfeder 12 befindet. Die Ausrichtung der Ölzufüh- rungsbohrung 21 ist in diesem Ausführungsbeispiel radial, während die Bohrungen 20, 21 ansonsten unter einem Winkel zur radialen Richtung angeordnet sind.
Die Wellfeder 12 hält auch bei Veränderungen der Temperatur der Lagereinheit stets die axiale Vorspannung in der Lagereinheit aufrecht. Demgemäß arbeiten die Lager 3, 4 - ohne, dass weitere Maßnahmen ergriffen werden müssen - spielfrei.
Bezugszeichenliste
1 Lageremheit
2 Welle des Abgasturboladers
3 Kugellager (Radial-Rillenkugellager)
4 Kugellager (Radial-Rillenkugellager)
5 Außenring
6 Außenring
7 Innenring
8 Innenring
9 Kugel
10 Kugel
11 Gehäuse
12 Federelement (Wellfeder)
13 Käfig
14 Käfig
15 Stirnseite der Welle
16 Stirnseite der Welle
17 Stirnseite des Innenrings
18 Stirnseite des Innenrings
19 Aufnahmeraum
20 Ölzuführungsbohrung
21 Ölzuführungsbohrung
22 Bohrung
24 Rücklaufbohrung aa axiale Richtung

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Lagereinheit
1. Lagereinheit (1) einer Welle (2) eines Abgasturboladers, wobei die Lagereinheit (1) zwei in axialem Abstand zueinander angeordnete Kugellager (3, 4) mit Außenringen (5, 6) und Innenringen (7, 8) sowie zwischen den Ringen (5, 6, 7, 8) angeordneten Kugeln (9, 10) umfasst und wobei die Außenringe (5, 6) in einem Gehäuse (11) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kugellager (3, 4) als Radial-Rillenkugellager ausgebildet sind, wobei zwischen dem Außenring (5) eines der Rillenkugellager (4) und dem Ge- häuse (11) ein in axiale Richtung (a) wirkendes Federelement (12) angeordnet ist.
2. Lagereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (12) so angeordnet ist, dass es den Außenring (5) des Rillenkugellagers (4) vom anderen Rillenkugellager (3) weg drückt.
3. Lagereinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln (9, 10) der beiden Rillenkugellager (3, 4) aus keramischem Material bestehen.
4. Lagereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln (9, 10) der beiden Rillenkugellager (3, 4) jeweils durch einen Käfig (13, 14) geführt werden.
5. Lagereinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (13, 14) als Schnappkäfig ausgebildet ist.
6. Lagereinheit nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (13, 14) aus Kunststoff besteht.
7. Lagereinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffmaterial des Käfigs (13, 14) als Grundmaterial Polyamid aufweist.
8. Lagereinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoff- material des Käfigs (13, 14) als Zusatzstoff Graphit aufweist.
9. Lagereinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Graphit zwischen 7 und 13 Gewichtsprozent beträgt.
10. Lagereinheit nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffmaterial des Käfigs (13, 14) als Zusatzstoff Polytetrafluorethy- len aufweist.
11. Lagereinheit nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Polytetrafluorethylen zwischen 1 und 3 Gewichtsprozent beträgt.
12. Lagereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (12) als Wellfeder ausgebildet ist.
13. Lagereinheit nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die stirnseitigen Anlageflächen der Wellfeder (12) parallel zueinander angeordnet sind.
14. Lagereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Rillenkugellager (3, 4) als Standardlager ausgeführt sind.
15. Lagereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (2) des Abgasturboladers mit ihren Stirnseiten (15, 16) an Stirnseiten (17, 18) der Innenringe (7, 8) der beiden Rillenkugellager (3, 4) angrenzt.
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