WO2015086111A1 - Lagervorrichtung für einen abgasturbolader und abgasturbolader - Google Patents

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WO2015086111A1
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radial bearing
radial
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Wolfgang Köhl
Richard Markert
Martin Kreschel
Dietmar FILSINGER
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Ihi Charging Systems International Gmbh
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a bearing device for an exhaust gas turbocharger of the type specified in the preamble of patent claim 1 and to an exhaust gas turbocharger according to claim 4.
  • a fundamental problem of a bearing of a shaft is a bending of the shaft both in the static state, i. without rotation of the shaft, as well as in a dynamic state, thus during the rotation, due to its gravity and rotation due to an imbalance.
  • the shaft is rotatably mounted in exhaust gas turbochargers at two end portions of the shaft by means of radial bearings.
  • the patent DE 36 01 082 C2 discloses an exhaust gas turbocharger, the running tool, comprising a compressor wheel, a turbine wheel and a compressor wheel rotatably connected to the turbine shaft connecting shaft is slidably received by means of a bearing device in a bearing portion of the exhaust gas turbocharger.
  • the bearing device comprises a bearing sleeve which extends, as it were, from one end of the shaft to the other end of the shaft, wherein a radial bearing in the form of a sliding bearing is formed in each case in the region of its ends. For torsional strength of the bearing sleeve locking means are formed.
  • the object of the present invention is a storage device for a
  • Another aspect of the invention is to provide an exhaust gas turbocharger with an improved bearing device.
  • the first aspect of the invention relates to a bearing device for an exhaust gas turbocharger with a first radial bearing and a second radial bearing, wherein the first radial bearing and the second radial bearing for radially supporting a shaft of the exhaust gas turbocharger are formed, wherein the first radial bearing a first bearing axis and the second radial bearing a second bearing axis, and wherein the first bearing axis and the second bearing axis are formed coaxially.
  • a third radial bearing is formed with a third bearing axis, wherein the third bearing axis is positioned parallel to a distance from the first bearing axis and the second bearing axis.
  • the third bearing axis is positioned offset parallel to the first bearing axis and the second bearing axis.
  • the third radial bearing is thus not in one, based on the first bearing axis and the second bearing axis, escape with the first radial bearing and the second radial bearing. This means that the wave, which with the help of the first
  • Radial bearing and the second radial bearing is mounted, clamped position is. That is, on the shaft, a clamping force with the help of the third radial bearing exercisable, which is referred to as biasing force.
  • a preload force acts significantly radially and should compensate for missing rotor weight. This means that the shaft with the aid of the third radial bearing is not only radially mounted, but due to the positioned with the distance to the first bearing axis and the second bearing axis third bearing axis of the third radial bearing indirectly axial bearing is exerted by the biasing force on the shaft.
  • This indirect axial bearing can be brought about by limiting the bending of the shaft occurring in a conventional bearing device with a first radial bearing and a second radial bearing, as a rule axially centrally between the first radial bearing and the second radial bearing, with the aid of the third radial bearing is, wherein the biasing force is exerted on the shaft, since the shaft is prevented at its actual deflection by the third radial bearing.
  • the shaft is thus quasi-statically supported by a force acting on the shaft. In other words, an extra bearing load has been created, with the help of an extra, eccentric
  • the third radial bearing which acts in addition to their effect on the first radial bearing and the second radial bearing on the third radial bearing.
  • the advantage of this invention is a reduction or elimination of the "oil whipping", i.e. of the oil whirl, so that on the one hand a noise reduction in the operation of the shaft and on the other a stable storage and thus a
  • Another advantage of the bearing device according to the invention is the reduction of a possible tilting of the shaft in the radial bearings, since the bending or deflection of the shaft and a resulting skew of the shaft is significantly reduced in the radial bearings. This is particularly advantageous for so-called
  • a floating sleeve bearing characterized in that a movable sleeve is formed between the shaft and a stationary sleeve bearing housing of the journal bearing, such that the shaft is received in the sleeve and a lubricating film between the shaft and the sleeve and between the sleeve and a
  • Plain bearing housing is present.
  • the third radial bearing is designed in the form of a sliding bearing.
  • the sliding bearing is a low-cost bearing for supporting the shaft.
  • the third radial bearing is in the axial direction between the first
  • the second aspect of the invention relates to an exhaust gas turbocharger with a rotor, the rotor comprising a compressor wheel, a turbine wheel and a shaft rotatably connecting the compressor wheel with the turbine wheel, wherein the rotor is rotatably mounted in a bearing portion by means of a bearing device, and wherein the running tool a shaft and a rotationally fixed to the shaft connected compressor wheel and a rotationally fixed to the shaft connected turbine wheel, wherein the
  • bearing device according to one of claims 1 to 3 is formed.
  • the advantage of this invention is in addition to the realization of a low-noise exhaust gas turbocharger a service life extension of the exhaust gas turbocharger due to an improved
  • Exhaust gas turbocharger using the improved storage device significantly reduced because the phenomenon of oil whirls or oil whips, which are reduced by means of the exhaust gas turbocharger according to the invention, provides a significant contribution to the friction of the exhaust gas turbocharger. This improved or reduced friction of the
  • Exhaust gas turbocharger leads to a reduction of fuel demand associated with the exhaust gas turbocharger
  • both the shaft and the third radial bearing are made of steel. This favors not only an extended service life due to the high-quality and high-strength steel material but also the sliding properties of the component pairing shaft-radial bearings, so that a further reduction in friction can be achieved.
  • the third radial bearing by means of a press fit in the
  • Figure 1 is a conceptual view of a longitudinal section of a running gear of an exhaust gas turbocharger according to the invention with a storage device according to the invention.
  • Fig. 2 is a diagram of a center position of a shaft of a running tool in
  • a power tool 2 of an exhaust gas turbocharger 1 according to the invention is in one
  • the exhaust gas turbocharger 1 has a flow-through exhaust gas guide section (not shown in more detail), which is flowed through by exhaust gas during operation of the exhaust gas turbocharger 1, as a rule by exhaust gas.
  • the exhaust gas is generally but not necessarily a
  • Combustion product of an internal combustion engine not shown.
  • the exhaust gas turbocharger 1 is a non-illustrated throughflow
  • the running gear 2 has a compressor wheel 4 and a turbine wheel 5, which are rotatably connected to each other by means of a shaft 6.
  • the compressor 4 is in a non-illustrated Compressor wheel chamber of the air guide portion for sucking generally fresh air arranged.
  • the turbine wheel 5 is in a not-shown
  • Wheel chamber of the exhaust gas guide section rotatably received.
  • the turbine 5 is in the operation of the exhaust gas turbocharger 1 of the
  • Exhaust gas flowing portion exhaust gas flowing and driven, wherein it can perform a rotational movement.
  • This rotational movement can be transmitted to the compressor wheel 4 with the aid of the shaft 6, which thus can execute a rotational movement simultaneously with the rotational movement of the turbine wheel 5.
  • With the help of the compressor wheel 4 and its rotary motion fresh air is sucked in, which is compressed in the air guide section.
  • the shaft 6 of the power tool 2 is rotatably mounted in the bearing section 3 by means of a bearing device 7, comprising a first radial bearing 8 and a second radial bearing 9.
  • a bearing device 7 comprising a first radial bearing 8 and a second radial bearing 9.
  • an axial bearing 15 is furthermore designed for axial bearing.
  • the first radial bearing 8 and the second radial bearing 9 in the form of a floating bushing bearing.
  • the first radial bearing 8 has a first bearing axis 10, which is positioned coaxially to a second bearing axis 11 of the second radial bearing 9. Ideally, an axis of rotation 12 of the moving tool corresponds in an operating state of the first bearing axle 10 or the second bearing axle 11.
  • a third radial bearing 13 is provided with a third bearing axis 14.
  • the third radial bearing 13 is received in the bearing section 3 such that the third bearing axis 14 parallel to the first bearing axis 10 and the second
  • Bearing axis 11 is arranged, while maintaining a radial distance E.
  • the third radial bearing 13 is equally spaced between the first radial bearing 8 and the second radial bearing 9 of these two, in other words, between the first radial bearing 8 and the second radial bearing 9, Training a preload positioned.
  • the third radial bearing 13 obtains due to its eccentric positioning in
  • Bearing section 3 quasi-static bearing forces, which lead to a quasi-static storage of the rotor 2. Stiffnesses of the first radial bearing 8, the second radial bearing 9 and the third radial bearing 13 itself are due to the arrangement of the third radial bearing 13 in the bearing section 3 significantly higher than in a coaxial positioning the third radial bearing 13 and the first radial bearing 8 and the second radial bearing 9.
  • This radial distance E is a measure of a so-called quasi-static load. The larger this distance E is chosen, the larger the quasi-static load.
  • the determination of the optimum distance E should cause a reduction, in particular a complete elimination of susceptible movements of the shaft 6 over a large speed range, at best over the entire speed range.
  • Under a subsynchronous movement of the shaft 6 are vibrations of the shaft 6 in rational sub-ratios of a rotor speed, the speed of the shaft 6 to understand.
  • FIG. 2 results of computer simulation to movement of the shaft 6 at a speed of 228 000 min "1 in a graph are shown.
  • a first motion curve 16 is a center movement of the shaft 6, which shaft 6 describes at the speed of 228 000 min '1 , exclusively under storage with the help of the first
  • the third radial bearing 13 could also be configured in the form of a so-called lemon bearing, Kippsegementlagers or a multi-keel bearing in an alternative embodiment.
  • the advantage of these bearing shapes is a shift of the possible oil-whirls or oil-whips towards higher speeds compared to a conventional cylindrical plain bearing.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lagervorrichtung für einen Abgasturbolader, aufweisend ein erstes Radiallager (8) und ein zweites Radiallager (9), wobei das erste Radiallager (8) und das zweite Radiallager (9) zur radialen Lagerung einer Welle (6) des Abgasturboladers (1) ausgebildet sind, wobei das erste Radiallager (8) eine erste Lagerachse (10) und das zweite Radiallager (9) eine zweite Lagerachse (11) aufweist, und wobei die erste Lagerachse (10) und die zweite Lagerachse (11) koaxial ausgebildet sind. Erfindungsgemäß ist ein drittes Radiallager (13) mit einer dritten Lagerachse (14) ausgebildet, wobei die dritte Lagerachse (14) parallel mit einem Abstand (E) zur ersten Lagerachse (10) und zur zweiten Lagerachse (11) positioniert ist.

Description

Lagervorrichtung für einen Abgasturbolader und Abgasturbolader
Die Erfindung betrifft eine Lagervorrichtung für einen Abgasturbolader der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art sowie einen Abgasturbolader gemäß Anspruch 4.
Eine grundsätzliche Problematik einer Lagerung einer Welle ist eine Durchbiegung der Welle sowohl im statischen Zustand, d.h. ohne Rotation der Welle, als auch in einem dynamischen Zustand, somit während der Rotation, aufgrund ihrer Schwerkraft und bei Rotation aufgrund einer Unwucht. Üblicherweise ist die Welle bei Abgasturboladern an zwei Endbereichen der Welle mit Hilfe von Radiallagern drehbar gelagert. Die
Durchbiegung ist im Allgemeinen bei kleinen Abgasturboladern, wie sie insbesondere bei PKW-Motoren eingesetzt werden, aufgrund eines geringen Gewichts der Welle gering. Allerdings weisen diese Abgasturbolader im Betrieb eine Drehzahl weit über 150000 min"1 auf, so dass aufgrund der Unwucht umlaufende Schwingungen bzw. Biegeschwingungen in Erscheinung treten, wobei im ungünstigen Fall eine Berührung zwischen der Welle und einem Gehäuseabschnitt erfolgen kann. Zusätzlich treten ölinduzierte niederfrequente Schwingungen auf, auch bezeichnet als oil-whirl oder oil-whip. Dies führt zum einen zu einer Geräuschemission, zum anderen zu einer Reduzierung einer Lebensdauer der Radiallager und somit zur Reduzierung der Lebensdauer des Abgasturboladers.
Die Patentschrift DE 36 01 082 C2 offenbart einen Abgasturbolader, dessen Laufzeug, umfassend ein Verdichterrad, ein Turbinenrad sowie eine das Verdichterrad mit dem Turbinenrad drehfest verbindende Welle, gleitgelagert mit Hilfe einer Lagervorrichtung in einem Lagerabschnitt des Abgasturboladers aufgenommen ist. Die Lagervorrichtung umfasst eine sich quasi von einem Ende der Welle bis zum anderen Ende der Welle erstreckende Lagerhülse, wobei im Bereich deren Enden jeweils ein Radiallager in Form eines Gleitlagers ausgebildet ist. Zur Verdrehfestigkeit der Lagerhülse sind Feststellmittel ausgebildet. Damit ein der Lagervorrichtung zugeführtes Schmiermittel zur Vermeidung eines so genannten oil whirls bzw. oil whips zuverlässig abgeführt werden kann, sind Aussparungen in der Lagerhülse zwischen den Radiallagern ausgebildet. Eine gesicherte Steifigkeit der Lagerhülse wird mit Hilfe zweier Stege, welche im Bereich der Aussparungen ausgebildet sind, realisiert. Eine Herstellung der solchen Lagerhülse ist aufgrund der Stege und der Aussparungen kostenintensiv.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Lagervorrichtung für einen
Abgasturbolader bereitzustellen, mit deren Hilfe eine quasistatische Lagerung einer Welle des Abgasturboladers herbeiführbar ist. Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist einen Abgasturbolader mit einer verbesserten Lagervorrichtung bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch eine Lagervorrichtung für einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch einen Abgasturbolader gemäß des Patentanspruchs 4 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nichttrivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Der erste Aspekt der Erfindung betrifft eine Lagervorrichtung für einen Abgasturbolader mit einem ersten Radiallager und einem zweiten Radiallager, wobei das erste Radiallager und das zweite Radiallager zur radialen Lagerung einer Welle des Abgasturboladers ausgebildet sind, wobei das erste Radiallager eine erste Lagerachse und das zweite Radiallager eine zweite Lagerachse aufweist, und wobei die erste Lagerachse und die zweite Lagerachse koaxial ausgebildet sind.
Erfindungsgemäß ist ein drittes Radiallager mit einer dritten Lagerachse ausgebildet, wobei die dritte Lagerachse parallel mit einem Abstand zur ersten Lagerachse und zur zweiten Lagerachse positioniert ist. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass die dritte Lagerachse parallel versetzt zu der ersten Lagerachse und der zweiten Lagerachse positioniert ist. Das dritte Radiallager liegt somit nicht in einer, bezogen auf die erste Lagerachse und die zweite Lagerachse, Flucht mit dem ersten Radiallager und dem zweiten Radiallager. Das bedeutet, dass die Welle, welche mit Hilfe des ersten
Radiallagers und des zweiten Radiallagers gelagert ist, verspannt zu positionieren ist. Das heißt, auf die Welle ist eine Verspannkraft mit Hilfe des dritten Radiallagers ausübbar, welche im Weiteren als Vorspannkraft bezeichnet ist. Eine Vorspannkraft wirkt maßgeblich radial und soll fehlendes Rotorgewicht kompensieren. Das bedeutet, dass die Welle mit Hilfe des dritten Radiallagers nicht nur radial gelagert ist, sondern aufgrund der mit dem Abstand zu der ersten Lagerachse und der zweiten Lagerachse positionierten dritten Lagerachse des dritten Radiallagers wird mittelbar eine axiale Lagerung durch die Vorspannkraft auf die Welle ausgeübt. Durch diese Vorspannkraft wird die Welle und somit das Laufzeug in einen von einem üblichen Bewegungspunkt ausgehend exzentrisch dazu positionierten Bewegungspunkt gezwungen, so dass sich das Laufzeug prinzipiell wie ein„schweres" Laufzeug verhalten kann, d.h. wie ein Laufzeug eines bspw. in einem LKW-Antriebsstrang einzusetzenden Abgasturboladers oder wie ein Laufzeug eines Abgasturboladers eines Schiffsdieselmotors.
Diese mittelbare axiale Lagerung ist dadurch herbeiführbar, dass die bei einer üblichen Lagervorrichtung mit einem ersten Radiallager und einem zweiten Radiallager auftretende Biegung der Welle, in der Regel axial mittig zwischen dem ersten Radiallager und dem zweiten Radiallager, mit Hilfe des dritten Radiallagers in radialer Richtung begrenzt wird, wobei die Vorspannkraft auf die Welle ausgeübt wird, da die Welle an ihrer eigentlichen Durchbiegung durch das dritte Radiallager gehindert ist. Die Welle ist somit durch eine Krafteinwirkung auf die Welle quasistatisch gelagert. Mit anderen Worten ist eine zusätzliche Lagerlast erzeugt worden, mit Hilfe eines zusätzlichen, exzentrisch
positionierten Gleitlagers, das dritte Radiallager, welche neben ihrer Wirkung auf das erste Radiallager und das zweite Radiallager auch auf das dritte Radiallager wirkt.
Der Vorteil dieser Erfindung ist eine Reduzierung oder Beseitigung des„Ölschlagens", d.h. des oil whirls bzw. des oil whips, so dass zum einen eine Geräuschreduzierung im Betrieb der Welle sowie zum anderen eine stabile Lagerung und somit eine
Lebensdauerverlängerung der mit Hilfe der erfindungsgemäßen Lagervorrichtung gelagerten Welle realisiert sind.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lagervorrichtung ist die Reduzierung einer möglichen Verkantung der Welle in den Radiallagern, da die Biegung oder Durchbiegung der Welle und eine daraus resultierende Schrägstellung der Welle in den Radiallagern erheblich reduziert ist. Insbesondere von Vorteil ist dies somit für so genannte
Schwimmbuchsenlager, welche sich dadurch auszeichnen, dass eine bewegbare Buchse zwischen der Welle und einem stationären Gleitlagergehäuse des Gleitlagers ausgebildet ist, derart, dass die Welle in der Buchse aufgenommen ist und ein Schmierfilm sowohl zwischen der Welle und der Buchse als auch zwischen der Buchse und einem
Gleitlagergehäuse vorliegt.
In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lagervorrichtung ist das dritte Radiallager in Form eines Gleitlagers ausgebildet. Das Gleitlager ist ein kostengünstiges Lager zur Lagerung der Welle. Idealerweise ist das dritte Radiallager in axialer Richtung zwischen dem ersten
Radiallager und dem zweiten Radiallager positioniert. Diese Positionierung des dritten Radiallagers bewirkt eine weitere Reduzierung der Durchbiegung der Welle, so dass die Durchbiegung und ebenso die Schrägstellung der Welle in dem ersten Radiallager und dem zweiten Radiallager weitestgehend reduziert sind. Somit ist dies eine zusätzliche Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lagervorrichtung zur Realisierung der statisch unbestimmt gelagerten Welle.
Der zweite Aspekt der Erfindung betrifft einen Abgasturbolader mit einem Laufzeug, wobei das Laufzeug ein Verdichterrad, ein Turbinenrad und eine das Verdichterrad mit dem Turbinenrad drehfest verbindende Welle umfasst, wobei das Laufzeug in einem Lagerabschnitt mit Hilfe einer Lagervorrichtung drehbar gelagert ist, und wobei das Laufzeug eine Welle und ein verdrehfest mit der Welle verbundenes Verdichterrad sowie ein verdrehfest mit der Welle verbundenes Turbinenrad aufweist, wobei die
Lagervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 ausgebildet ist. Der Vorteil dieser Erfindung ist neben der Realisierung eines geräuscharmen Abgasturboladers eine Lebensdauerverlängerung des Abgasturboladers aufgrund einer verbesserten
Lagervorrichtung des Laufzeugs. Des Weiteren ist eine Reibleistung des
Abgasturboladers mit Hilfe der verbesserten Lagervorrichtung wesentlich reduziert, da das Phänomen des oil whirls bzw. des oil whips, welche mit Hilfe des erfindungsgemäßen Abgasturboladers reduziert sind, einen wesentlichen Beitrag zur Reibleistung des Abgasturboladers liefert. Diese verbesserte bzw. reduzierte Reibleistung des
erfindungsgemäßen Abgasturboladers führt beispielsweise zu einer Reduzierung eines Kraftstoffbedarfs einer mit dem Abgasturbolader verbundenen
Verbrennungskraftmaschine, da der erfindungsgemäße Abgasturbolader einen geringeren Abgasmassendurchsatz zur Erzielung einer gleichen Leistung eines
Abgasturboladers gemäß dem Stand der Technik benötigt.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgasturboladers sind sowohl die Welle als auch das dritte Radiallager aus Stahl ausgebildet. Dies begünstigt neben einer verlängerten Lebensdauer aufgrund des hochwertigen und hochfesten Materials Stahl auch die Gleiteigenschaften der Bauteilpaarung Welle-Radiallager, so dass eine weitere Reibungsreduzierung erzielbar ist. In einer einfachsten und somit kostengünstigen Herstellung des erfindungsgemäßen Abgasturboladers ist das dritte Radiallager mit Hilfe einer Presspassung in den
Lagerabschnitt eingepresst positioniert.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und
Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
Fig. 1 in einer konzeptionellen Darstellung einen Längsschnitt eines Laufzeugs eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers mit einer erfindungsgemäßen Lagervorrichtung; und
Fig. 2 ein Diagramm einer Mittelpunktposition einer Welle eines Laufzeugs in
Abhängigkeit einer Vorspannkraft der erfindungsgemäßen Lagervorrichtung.
Ein Laufzeug 2 eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers 1 ist in einem
exemplarischen Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ausgebildet. Der Abgasturbolader 1 weist einen nicht näher dargestellten durchströmbaren Abgasführungsabschnitt auf, welcher im Betrieb des Abgasturboladers 1 von einem Fluid, in der Regel von Abgas durchströmt wird. Das Abgas ist im Allgemeinen, aber nicht zwangsweise, ein
Verbrennungsprodukt einer nicht näher dargestellten Brennkraftmaschine.
Dem Abgasturbolader 1 ist ein nicht näher dargestellter durchströmbarer
Luftführungsabschnitt sowie ein zwischen dem Abgasführungsabschnitt und dem
Luftführungsabschnitt positionierter Lagerabschnitt 3 zugeordnet, wobei im
Lagerabschnitt 3 das Laufzeug 2 drehbar aufgenommen ist. Das Laufzeug 2 weist ein Verdichterrad 4 und ein Turbinenrad 5 auf, welche miteinander mit Hilfe einer Welle 6 drehfest verbunden sind. Das Verdichterrad 4 ist in einer nicht näher dargestellten Verdichterradkammer des Luftführungsabschnitts zum Ansaugen von im Allgemeinen Frischluft angeordnet. Das Turbinenrad 5 ist in einer nicht näher dargestellten
Radkammer des Abgasführungsabschnitts drehbar aufgenommen.
Das Turbinenrad 5 wird im Betrieb des Abgasturboladers 1 von dem den
Abgasführungsabschnitt durchströmenden Abgas beaufschlagt und angetrieben, wobei es eine Drehbewegung ausführen kann. Diese Drehbewegung ist mit Hilfe der Welle 6 auf das Verdichterrad 4 übertragbar, welches somit simultan zur Drehbewegung des Turbinenrads 5 eine Drehbewegung ausführen kann. Mit Hilfe des Verdichterrades 4 und dessen Drehbewegung wird Frischluft angesaugt, welche im Luftführungsabschnitt verdichtet wird.
Die Welle 6 des Laufzeugs 2 ist im Lagerabschnitt 3 mit Hilfe einer Lagervorrichtung 7, umfassend ein erstes Radiallager 8 und ein zweites Radiallagers 9 drehbar gelagert. Im Bereich des Verdichterrades 4 ist des Weiteren zur axialen Lagerung ein Axiallager 15 ausgebildet. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weisen das erste Radiallager 8 und das zweite Radiallager 9 die Form eines Schwimmbuchsenlagers auf.
Das erste Radiallager 8 weist eine erste Lagerachse 10 auf, welche koaxial zu einer zweiten Lagerachse 11 des zweiten Radiallagers 9 positioniert ist. Idealerweise entspricht eine Drehachse 12 des Laufzeugs in einem Betriebszustand der ersten Lagerachse 10 bzw. der zweiten Lagerachse 11.
Im Lagerabschnitt 3 ist ein drittes Radiallager 13 mit einer dritten Lagerachse 14 vorgesehen. Das dritte Radiallager 13 ist derart im Lagerabschnitt 3 aufgenommen, dass die dritte Lagerachse 14 parallel zu der ersten Lagerachse 10 bzw. der zweiten
Lagerachse 11 angeordnet ist, unter Einhaltung eines radialen Abstandes E. Das dritte Radiallager 13 ist zwischen dem ersten Radiallager 8 und dem zweiten Radiallager 9 von diesen beiden gleichmäßig beabstandet, mit anderen Worten mittig, zwischen dem ersten Radiallager 8 und dem zweiten Radiallager 9, zur Ausbildung einer Vorspannkraft positioniert.
Das dritte Radiallager 13 erwirkt aufgrund seiner exzentrischen Positionierung im
Lagerabschnitt 3 quasi-statische Lagerkräfte, welche zu einer quasi-statischen Lagerung des Laufzeugs 2 führen. Steifigkeiten des ersten Radiallagers 8, des zweiten Radiallagers 9 sowie des dritten Radiallagers 13 selbst sind aufgrund der Anordnung des dritten Radiallagers 13 im Lagerabschnitt 3 deutlich höher als bei einer koaxialen Positionierung des dritten Radiallagers 13 und des ersten Radiallagers 8 bzw. des zweiten Radiallagers 9.
Dieser radiale Abstand E ist ein Maß für eine so genannte quasistatische Last. Je größer dieser Abstand E gewählt ist, desto größer ist die quasistatische Last. Diese
quasistatische Last ermöglicht, je größer sie ist, eine Reduzierung des so genannten oil whirls bzw. oil whips, allerdings sollte die Last ein bestimmtes Maß nicht überschreiten, da unter Umständen Reibungsverluste nicht reduziert, sondern gesteigert werden. Dies allerdings ist wesentlich abhängig von der Größe des Abgasturboladers 1 , von dessen Betriebsbereich, insbesondere von einer Drehzahl. Weitere Abhängigkeiten ergeben sich durch das im Abgasturbolader 1 eingesetzte Schmiermittel, insbesondere Schmieröl. Unterschiedliche Öle weisen unterschiedliche Viskositäten auf, und der Abstand E ist ebenso von dem im Abgasturbolader 1 eingesetzten Öl abhängig. Das bedeutet, dass der für einen bestimmten Abgasturbolader 1 optimale Abstand E mit Hilfe einer
Computersimulation zu ermitteln ist.
Die Ermittlung des optimalen Abstandes E sollte eine Verminderung, insbesondere eine vollständige Eliminierung susynchroner Bewegungen der Welle 6 über einen großen Drehzahlbereich hinweg, im besten Falle über den gesamten Drehzahlbereich hinweg bewirken. Unter einer subsynchronen Bewegung der Welle 6 sind Schwingungen der Welle 6 in rationalen Teilverhältnissen einer Rotordrehzahl, der Drehzahl der Welle 6, zu verstehen.
In Fig. 2 sind Ergebnisse einer Computersimulation zur Bewegung der Welle 6 bei einer Drehzahl von 228 000 min"1 in einem Diagramm dargestellt. Eine erste Bewegungskurve 16 zeigt eine Mittelpunktsbewegung der Welle 6, die die Welle 6 beschreibt bei der Drehzahl von 228 000 min'1, ausschließlich unter Lagerung mit Hilfe des ersten
Radiallagers 8 und des zweiten Radiallagers 9, d.h. ohne das dritte Radiallager 13.
Bereits die Positionierung des dritten Radiallagers 13 mit einem geringen radialen
Abstand E zur ersten Lagerachse 10 bzw. zweiten Lagerachse 11 , und somit unter einer geringen zusätzlichen Vorspannkraft, ergibt eine deutliche Reduzierung der
Mittelpunktsbewegung der Welle 6 gem. der zweiten Bewegungskurve 7. Mit steigender Vorspannkraft, d.h. mit zunehmendem Abstand E, verkleinert sich die Bewegungskurve bzw. der Wellenorbit. Je kleiner die Bewegungskurve ist, desto größer ist eine
Reduzierung der Schwingungen der Welle 6. Die Möglichkeit eines oil-whirls oder oil- whips der Welle 6 findet in der Regel bei höheren Drehzahlen statt, so dass die
Schallemission als auch eine Gefahr der Beschädigung reduziert sind. Idealerweise ist als ein besonders zu bevorzugendes Material Stahl zur Herstellung der Welle 6 sowie des dritten Radiallagers 13, welches in Form eines kreiszylindrischen und vollumschlossenen Gleitlagers ausgebildet ist, einzusetzen. Grundsätzlich ist jedes Material bevorzugt einzusetzen, welches eine hohe Schlagzähigkeit aufweist bei gleichzeitiger Abriebfestigkeit.
Das dritte Radiallager 13 könnte in einer alternativen Ausführung ebenso in Form eines so genannten Zitronenlagers, Kippsegementlagers oder eines Mehrkeillagers ausgestaltet sein. Der Vorteil dieser Lagerformen ist eine Verschiebung des möglichen oil-whirls oder oil-whips hin zu höheren Drehzahlen gegenüber einem üblichen zylindrischen Gleitlager.

Claims

Patentansprüche
Lagervorrichtung für einen Abgasturbolader, aufweisend ein erstes Radiallager (8) und ein zweites Radiallager (9), wobei das erste Radiallager (8) und das zweite Radiallager (9) zur radialen Lagerung einer Welle (6) des Abgasturboladers (1) ausgebildet sind, wobei das erste Radiallager (8) eine erste Lagerachse (10) und das zweite Radiallager (9) eine zweite Lagerachse (11 ) aufweist, und wobei die erste Lagerachse (10) und die zweite Lagerachse (11 ) koaxial ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass
ein drittes Radiallager (13) mit einer dritten Lagerachse (14) ausgebildet ist, wobei die dritte Lagerachse (14) parallel mit einem Abstand (E) zur ersten Lagerachse (10) und zur zweiten Lagerachse (11 ) positioniert ist.
Lagervorrichtung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
das dritte Radiallager (13) in Form eines Gleitlagers ausgebildet ist.
Lagervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das dritte Radiallager (13) in axialer Richtung zwischen dem ersten Radiallager (8) und dem zweiten Radiallager (9) positioniert ist.
Abgasturbolader mit einem Laufzeug, wobei das Laufzeug (2) ein Verdichterrad (4), ein Turbinenrad (5) und eine das Verdichterrad (4) mit dem Turbinenrad (5) drehfest verbindende Welle (6) umfasst, wobei das Laufzeug (2) in einem
Lagerabschnitt (3) mit Hilfe einer Lagervorrichtung (7) drehbar gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagervorrichtung (7) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 ausgebildet ist.
5. Abgasturbolader nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
sowohl die Welle (6) als auch das dritte Radiallager (13) aus Stahl ausgebildet sind.
6. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
das dritte Radiallager (13) mit Hilfe einer Presspassung in den Lagerabschnitt (3) eingepresst positioniert ist.
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