WO2023030830A1 - Axiallageranordnung und verdichter mit axiallageranordnung - Google Patents

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axial
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Steffen Buhl
Felix FOERSTER
Felix WIEDMANN
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Robert Bosch Gmbh
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    • F16C2360/00Engines or pumps
    • F16C2360/44Centrifugal pumps

Definitions

  • Thrust bearing arrangement and compressor with thrust bearing arrangement are provided
  • the invention relates to an axial bearing arrangement according to the preamble of claim 1 and a compressor, in particular for a fuel cell system, with an axial bearing arrangement according to the preamble of claim 9.
  • Compressors are used in various applications to compress gases, such as air.
  • Compressors are used in fuel cell systems in order to supply the fuel cell with the air required for the chemical reaction with the fuel, in particular hydrogen, in the required quantity and at the required pressure.
  • Such a compressor is known from DE 10 2017 211 037 A1.
  • This compressor has a shaft to which a compressor wheel is connected, through which air is compressed when the shaft rotates.
  • the shaft is mounted both radially and axially in a housing.
  • the axial bearing arrangement of the shaft comprises a bearing disk arranged on the shaft and bearing plates arranged on both sides of the bearing disk. At least one bearing element is arranged between the bearing disc and the bearing plates, which bearing element is supported on the respective bearing plate and can be designed as a bearing foil.
  • An annular intermediate element is arranged between the two bearing plates, the thickness of which in the direction of the axis of rotation of the shaft is slightly greater than the thickness of the bearing disc.
  • the two bearing plates and the intermediate element are connected to the housing together by means of a plurality of fastening elements, for example screws, passing through corresponding openings in the latter.
  • the thickness of the intermediate element must be manufactured very precisely in order to have the required bearing play in the direction of the axis of rotation of the shaft between the bearing washer and the bearing plates. Since the bearing plates and the intermediate element are stacked on top of one another in the direction of the axis of rotation of the shaft, there is a large chain of tolerances between these parts in relation to the bearing disk arranged on the shaft, since the tolerances of all these parts add up. This makes it difficult to precisely align the axial bearing arrangement. In addition, there are different thermal conditions for the bearing plates during operation, so that under certain circumstances they heat up differently and the bearing play of the axial bearing arrangement changes as a result.
  • the axial bearing arrangement according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that the system of both bearing plates directly on the housing means that there is no large chain of tolerances and that the thermal conditions for both bearing plates are almost the same. This facilitates exact alignment of the axial bearing arrangement. An intermediate element for adjusting the bearing play is not required, as the contact surfaces for both bearing plates are located directly on the housing.
  • the construction according to claim 2 enables the system of the two bearing plates directly on the housing in a simple manner.
  • the embodiment according to claim 4 enables the bearing elements to be fixed in a simple manner.
  • the design according to claim 6 or alternatively claim 7 enables an elastically deformable design of the intermediate element in a simple manner.
  • FIG. 1 shows a compressor with an axial bearing arrangement in a simplified representation in a longitudinal section
  • FIG. 2 shows a detail of the axial bearing arrangement in an enlarged representation
  • FIG. 3 shows an intermediate element of the axial bearing arrangement according to a first embodiment
  • FIG. 4 shows the intermediate element according to a second embodiment.
  • FIG. 1 shows a compressor 10, which is preferably part of a fuel cell system and through which compressed air is supplied to the fuel cell.
  • the compressor 10 has a shaft 12 that rotates about an axis of rotation 14 during operation.
  • At least one compressor wheel 16 is connected to the shaft 12, through which air is compressed and conveyed to the fuel cell.
  • the shaft 12 is driven by an electric motor 18 .
  • a turbine wheel can also be connected to the shaft 12 to support the electric motor 18 and is driven by the exhaust gas flow of the fuel cell system.
  • the shaft 12 is rotatably mounted in a housing 20, with at least one radial bearing 22, preferably two radial bearings 22, 23 offset from one another in the direction of the axis of rotation 14, and an axial bearing arrangement 24 being provided.
  • the thrust bearing arrangement 24 comprises a bearing disk 26 which is arranged on the shaft 12 and whose diameter is larger than the diameter of the shaft 12.
  • the bearing disk 26 can be designed in one piece with the shaft 12 or can be designed as a separate part which is firmly connected to the shaft 12 is.
  • the axial bearing arrangement 24 also includes bearing plates 28, 30 arranged on both sides of the bearing disk 26. The bearing plates 28, 30 each have an opening for the shaft 12 to pass through.
  • At least one bearing element 32, 34 is arranged between the bearing disk 26 and the bearing plates 28, 30, which bearing element is designed, for example, as a bearing foil.
  • the bearing disk 26 and the bearing plates 28, 30 have, for example a round cross-section, but can also have a different cross-sectional shape.
  • the housing 20 has a hollow-cylindrical extension 40, within which the bearing disk 26 and the first bearing plate 28 are arranged.
  • the projection 40 has a round cross-section corresponding to the shape of the bearing disk 26 and the bearing plates 28, 30.
  • the first bearing plate 28 comes to rest on the bottom 42 of the projection 40 in the direction of the axis of rotation 14 of the shaft 12 .
  • the first bearing plate 28 is arranged in the extension 40 with little radial play with respect to the axis of rotation 14 .
  • the diameter of the bearing washer 26 is smaller than the diameter of the first bearing plate 28 so that there is a radial distance between the bearing washer 26 and the shoulder 40 .
  • the second bearing plate 30 has a larger diameter than the first bearing plate 28 and is arranged outside of the extension 40 .
  • the second bearing plate 30 comes to rest in the direction of the axis of rotation 14 on the end face 44 of the extension 40 facing away from the housing 20 .
  • the diameter of the second bearing plate 30 is approximately the same as the outer diameter of the projection 40.
  • An elastically deformable annular intermediate element 50 is arranged between the two bearing plates 28, 30, by means of which the bearing elements 32, 34 are fixed and held in contact with the bearing plates 28, 30.
  • the two bearing plates 28, 30 and the intermediate element 50 are connected to the housing 20 by at least one fastening element 52, for example in the form of a screw, whereby the contact of the first bearing plate 28 on the floor 42 and the contact of the second bearing plate 30 on the end face 44 is secured.
  • a plurality of fastening elements 52 distributed over the circumference of the bearing plates 28, 30 are preferably provided.
  • at least one centering element 53 for example in the form of a pin, can be provided in order to ensure exact alignment of the bearing plates 28, 30 with respect to the housing 20.
  • the intermediate element 50 is shown according to a first embodiment, in which this is ring-shaped and has a circumferential wave profile.
  • the wave profile has successive wave crests and wave troughs.
  • the crests of the waves are in contact with one bearing element 32 and the troughs of the waves are in contact with the other bearing element 34 .
  • the intermediate element 50 is elastically compressed so that the bearing elements 32, 34 are pressed against the respective bearing plate 28, 30 by this element.
  • the intermediate element 50 has openings 54 distributed over its circumference for the passage of the fastening elements 52 and the centering element 53 .
  • FIG. 4 shows the intermediate element 50 according to a second embodiment, in which it is ring-shaped and has a plurality of elastically deformable tongues 56 distributed over its circumference.
  • the tongues 56 protrude radially inwards from an annular base body and are elastic in the direction of the axis of rotation 14, ie resiliently deformable.
  • the tongues 56 are arranged in pairs opposite one another in the direction of the axis of rotation 14 . Longer tongues 56a and shorter tongues 56b can be provided alternately distributed over the circumference in the radial direction, as a result of which a more uniform contact pressure of the bearing elements 32, 34 is made possible.
  • the tongues 56 are elastically compressed so that the bearing elements 32, 34 are pressed against the respective bearing plate 28, 30 by them.
  • the intermediate element 50 can have peripheral regions in which there are no tongues 56 in order to create space for the fastening elements 52 and the centering element 53 to pass through.
  • the intermediate element 50 according to the above embodiments can be manufactured inexpensively from sheet metal, for example by forming or stamping.
  • the contact surfaces of the bearing plates 28, 30 on the bottom 42 and on the end face 44 of the projection 40 are both formed on the housing 20 and can therefore be manufactured and machined with great accuracy. This enables the axial bearing arrangement 24 to be precisely aligned with the shaft 12 .

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Axiallageranordnung (24) einer drehbaren Welle (12) in einem Gehäuse (20), mit einer an der Welle (12) angeordneten Lagerscheibe (26), mit beiderseits der Lagerscheibe (26) jeweils einer Lagerplatte (28, 30), wobei die Lagerplatten (28, 30) zumindest mittelbar mit dem Gehäuse (20) verbunden sind, und mit sich an den Lagerplatten (28, 30) abstützenden Lagerelementen (32, 34), an denen die Lagerscheibe (26) zur Anlage bringbar ist. Beide Lagerplatten (28, 30) sind direkt in Anlage am Gehäuse (20). Zwischen den beiden Lagerplatten (28, 30) ist ein elastisch verformbares Zwischenelement (50) angeordnet, durch das die Lagerelemente (32, 34) in Anlage an den Lagerplatten (28, 30) gehalten werden.

Description

Beschreibung
Titel
Axiallageranordnung und Verdichter mit Axiallageranordnung
Die Erfindung betrifft eine Axiallageranordnung nach der Gattung des Anspruchs 1 und einen Verdichter, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, mit Axiallageranordnung nach der Gattung des Anspruchs 9.
Stand der Technik
Verdichter kommen in verschiedenen Anwendungen zur Verdichtung von Gasen, beispielsweise Luft, zum Einsatz. In Brennstoffzellensystemen kommen Verdichter zum Einsatz um der Brennstoffzelle die für die chemische Reaktion mit dem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, erforderliche Luft in der erforderlichen Menge und mit dem erforderlichen Druck zuzuführen. Ein derartiger Verdichter ist durch die DE 10 2017 211 037 Al bekannt. Dieser Verdichter weist eine Welle auf, mit der ein Verdichterrad verbunden ist, durch das bei Rotation der Welle Luft verdichtet wird. Die Welle ist in einem Gehäuse sowohl radial als auch axial gelagert. Die Axiallageranordnung der Welle umfasst eine an der Welle angeordnete Lagerscheibe und beiderseits der Lagerscheibe angeordnete Lagerplatten. Zwischen der Lagerscheibe und den Lagerplatten ist jeweils wenigstens ein Lagerelement angeordnet, das sich an der jeweiligen Lagerplatte abstützt und als Lagerfolie ausgebildet sein kann. Zwischen den beiden Lagerplatten ist ein ringförmiges Zwischenelement angeordnet, dessen Dicke in Richtung der Drehachse der Welle etwas größer ist als die Dicke der Lagerscheibe. Die beiden Lagerplatten sowie das Zwischenelement sind zusammen mittels mehrerer durch entsprechende Öffnungen in diesen hindurchtretende Befestigungselemente, beispielsweise Schrauben, mit dem Gehäuse verbunden. Das Zwischenelement muss dabei in seiner Dicke sehr genau gefertigt sein, um das erforderliche Lagerspiel in Richtung der Drehachse der Welle zwischen der Lagerscheibe und den Lagerplatten sicherzustellen. Da die Lagerplatten und das Zwischenelement in Richtung der Drehachse der Welle aufeinandergestapelt sind ergibt sich eine große Toleranzkette dieser Teile in Bezug zu der an der Welle angeordnete Lagerscheibe, da sich die Toleranzen aller dieser Teile addieren. Eine exakte Ausrichtung der Axiallageranordnung ist dadurch erschwert. Außerdem ergeben sich für die Lagerplatten unterschiedliche thermische Verhältnisse im Betrieb, so dass sich diese unter Umständen unterschiedlich erwärmen und dadurch das Lagerspiel der Axiallageranordnung ändert.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Axiallageranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch die Anlage beider Lagerplatten direkt am Gehäuse keine große Toleranzkette vorhanden ist und sich für beide Lagerplatten nahezu gleiche thermische Verhältnisse ergeben. Dadurch wird eine exakte Ausrichtung der Axiallageranordnung erleichtert. Ein Zwischenelement zur Einstellung des Lagerspiels ist nicht erforderlich, da sich die Anlageflächen für beide Lagerplatten direkt am Gehäuse befinden.
In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
Durch die Ausbildung gemäß Anspruch 2 ist auf einfache Weise die Anlage der beiden Lagerplatten direkt am Gehäuse ermöglicht. Durch die Ausbildung gemäß Anspruch 4 ist auf einfache Weise eine Fixierung der Lagerelemente ermöglicht. Durch die Ausbildung gemäß Anspruch 6 oder alternativ Anspruch 7 ist auf einfache Weise eine elastisch verformbare Ausbildung des Zwischenelements ermöglicht. Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 einen Verdichter mit einer Axiallageranordnung in vereinfachter Darstellung in einem Längsschnitt, Figur 2 ausschnittsweise in vergrößerter Darstellung die Axiallageranordnung, Figur 3 ein Zwischenelement der Axiallageranordnung gemäß einer ersten Ausführungsform und Figur 4 das Zwischenelement gemäß einer zweiten Ausführungsform.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In Figur 1 ist ein Verdichter 10 dargestellt, der vorzugsweise Teil eines Brennstoffzellensystems ist und durch den der Brennstoffzelle verdichtete Luft zugeführt wird. Der Verdichter 10 weist eine Welle 12 auf, die im Betrieb um eine Drehachse 14 rotiert. Mit der Welle 12 ist wenigstens ein Verdichterrad 16 verbunden, durch das Luft verdichtet und zur Brennstoffzelle gefördert wird. Die Welle 12 wird durch einen Elektromotor 18 angetrieben. Zur Unterstützung des Elektromotors 18 kann außerdem ein Turbinenrad mit der Welle 12 verbunden sein, das durch den Abgasstrom des Brennstoffzellensystems angetrieben wird.
Die Welle 12 ist in einem Gehäuse 20 drehbar gelagert, wobei wenigstens ein Radiallager 22, vorzugsweise zwei in Richtung der Drehachse 14 zueinander versetzt angeordnete Radiallager 22, 23, und eine Axiallageranordnung 24 vorgesehen sind. Die Axiallageranordnung 24 umfasst eine an der Welle 12 angeordnete Lagerscheibe 26 auf, deren Durchmesser größer ist als der Durchmesser der Welle 12. Die Lagerscheibe 26 kann einstückig mit der Welle 12 ausgebildet sein oder als separates Teil ausgebildet sein, das mit der Welle 12 fest verbunden ist. Die Axiallageranordnung 24 umfasst außerdem beiderseits der Lagerscheibe 26 angeordnete Lagerplatten 28, 30. Die Lagerplatten 28, 30 weisen jeweils eine Öffnung zum Durchtritt der Welle 12 auf. Zwischen der Lagerscheibe 26 und den Lagerplatten 28, 30 ist jeweils wenigstens ein Lagerelement 32, 34 angeordnet, das beispielsweise als Lagerfolie ausgebildet ist. Die Lagerscheibe 26 sowie die Lagerplatten 28, 30 weisen beispielsweise einen runden Querschnitt auf, können jedoch auch eine andere Querschnittsform aufweisen.
Das Gehäuse 20 weist im Bereich der Axiallageranordnung 24 einen hohlzylinderförmigen Ansatz 40 auf, innerhalb dem die Lagerscheibe 26 und die erste Lagerplatte 28 angeordnet sind. Der Ansatz 40 weist entsprechend der Form der Lagerscheibe 26 und er Lagerplatten 28, 30 einen runden Querschnitt auf. Die erste Lagerplatte 28 kommt am Boden 42 des Ansatzes 40 in Richtung der Drehachse 14 der Welle 12 zur Anlage. Die erste Lagerplatte 28 ist mit geringem radialem Spiel bezüglich der Drehachse 14 im Ansatz 40 angeordnet. Der Durchmesser der Lagerscheibe 26 ist kleiner als der Durchmesser der ersten Lagerplatte 28, so dass zwischen der Lagerscheibe 26 und dem Ansatz 40 ein radialer Abstand vorhanden ist.
Die zweite Lagerplatte 30 weist einen größeren Durchmesser auf als die erste Lagerplatte 28 und ist außerhalb des Ansatzes 40 angeordnet. Die zweite Lagerplatte 30 kommt in Richtung der Drehachse 14 an der dem Gehäuse 20 abgewandten Stirnseite 44 des Ansatzes 40 zur Anlage. Der Durchmesser der zweiten Lagerplatte 30 ist etwa gleich groß wie der Außendurchmesser des Ansatzes 40.
Zwischen den beiden Lagerplatten 28, 30 ist ein elastisch verformbares ringförmiges Zwischenelement 50 angeordnet, durch das die Lagerelemente 32, 34 fixiert und in Anlage an den Lagerplatten 28, 30 gehalten werden.
Nachfolgend werden zwei mögliche Ausführungsformen des Zwischenelements 34 beschrieben. Die beiden Lagerplatten 28, 30 sowie das Zwischenelement 50 werden durch wenigstens ein Befestigungselement 52, beispielsweise in Form einer Schraube, mit dem Gehäuse 20 verbunden, wodurch die Anlage der ersten Lagerplatte 28 am Boden 42 und die Anlage der zweiten Lagerplatte 30 an der Stirnseite 44 sichergestelt wird. Vorzugsweise sind mehrere über den Umfang der Lagerplatten 28, 30 verteilt angeordnete Befestigungselemente 52 vorgesehen. Außerdem kann wenigstens ein Zentrierelement 53, beispielsweise in Form eines Stifts, vorgesehen sein, um eine exakte Ausrichtung der Lagerplatten 28, 30 zum Gehäuse 20 sicherzustellen. In Figur 3 ist das Zwischenelement 50 gemäß einer ersten Ausführungsform dargestellt, in der dieses ringförmig ausgebildet ist und ein umlaufendes Wellenprofil aufweist. Das Wellenprofil weist in Richtung der Drehachse 14 betrachtet aufeinanderfolgende Wellenberge und Wellentäler auf. Die Wellenberge liegen dabei am einen Lagerelement 32 an und die Wellentäler liegen am anderen Lagerelement 34 an. Bei der Befestigung der Lagerplatten 28, 30 am Gehäuse 20 wird das Zwischenelement 50 elastisch zusammengedrückt, so dass durch dieses die Lagerelemente 32, 34 gegen die jeweilige Lagerplatte 28, 30 gedrückt werden. Das Zwischenelement 50 weist über seinen Umfang verteilte Öffnungen 54 zum Durchtritt der Befestigungselemente 52 und des Zentrierelements 53 auf.
In Figur 4 ist das Zwischenelement 50 gemäß einer zweiten Ausführungsform dargestellt, in der dieses ringförmig ausgebildet ist und über seinen Umfang verteilt mehrere elastisch verformbare Zungen 56 aufweist. Die Zungen 56 ragen von einem ringförmigen Grundkörper radial nach innen und sind in Richtung der Drehachse 14 elastisch, also federnd verformbar. Die Zungen 56 sind in Richtung der Drehachse 14 einander gegenüberliegend paarweise angeordnet. Es können über den Umfang verteilt abwechselnd in radialer Richtung längere Zungen 56a und kürzere Zungen 56b vorgesehen sein, wodurch eine gleichmäßigere Anpressung der Lagerelemente 32, 34 ermöglicht ist. Bei der Befestigung der Lagerplatten 28, 30 am Gehäuse 20 werden die Zungen 56 elastisch zusammengedrückt, so dass durch diese die Lagerelemente 32, 34 gegen die jeweilige Lagerplatte 28, 30 gedrückt werden. Das Zwischenelement 50 kann Umfangsbereiche aufweisen, in denen keine Zungen 56 vorhanden sind um Platz für den Durchtritt der Befestigungselemente 52 und des Zentrierelements 53 zu schaffen.
Das Zwischenelement 50 gemäß den vorstehenden Ausführungsformen kann kostengünstig aus Blech hergestellt sein, beispielsweise durch Umformen oder Stanzen. Die Anlageflächen der Lagerplatten 28, 30 am Boden 42 und an der Stirnseite 44 des Ansatzes 40 sind beide am Gehäuse 20 ausgebildet und können daher mit hoher Genauigkeit hergestellt und bearbeitet werden. Hierdurch ist eine exakte Ausrichtung der Axiallageranordnung 24 zur Welle 12 ermöglicht. Außerdem ist ein direkter Wärmeübergang zwischen dem Gehäuse 20 und den Lagerplatten 28, 30 sichergestellt wodurch die Wärmeableitung aus der Axiallageranordnung 24 verbessert ist.

Claims

- 7 - Ansprüche
1. Axiallageranordnung einer drehbaren Welle (12) in einem Gehäuse (20), mit einer an der Welle (12) angeordneten Lagerscheibe (26), mit beiderseits der Lagerscheibe (26) jeweils einer Lagerplatte (28, 30), wobei die Lagerplatten (28, 30) zumindest mittelbar mit dem Gehäuse (20) verbunden sind, und mit sich an den Lagerplatten (28, 30) abstützenden Lagerelementen (32, 34), an denen die Lagerscheibe (26) zur Anlage bringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass beide Lagerplatten (28, 30) direkt in Anlage am Gehäuse (20) sind.
2. Axiallageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (20) einen hohlzylinderförmigen Ansatz (40) aufweist, innerhalb dem eine erste Lagerplatte (28) angeordnet ist, die am Boden (42) des Ansatzes (40) anliegt, und dass eine zweite Lagerplatte (30) an einer in Richtung der Drehachse (14) der Welle (12) weisenden Stirnseite (44) des Ansatzes (40) anliegt.
3. Axiallageranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Lagerplatte (30) einen größeren Querschnitt aufweist als die erste Lagerplatte (28).
4. Axiallageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Richtung der Drehachse (14) der Welle (12) zwischen den beiden Lagerplatten (28, 30) wenigstens ein ringförmiges Zwischenelement (50) angeordnet ist, das an den Lagerelementen (32, 34) anliegt.
5. Axiallageranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenelement (50) in Richtung der Drehachse (14) der Welle (12) elastisch verformbar ausgebildet ist. - 8 - Axiallageranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenelement (50) ein in Umfangsrichtung umlaufendes Wellenprofil (51) aufweist. Axiallageranordnung nach Anpruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenelement (50) über seinen Umfang verteilt mehrere elastisch verformbare Zungen (56) aufweist, die an den Lagerelementen (32, 34) anliegen. Axiallageranordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenelement (50) wenigstens eine Öffnung (54) zum Durchtritt wenigstens eines Befestigungselements (52) und/oder Zentrierelements (53) aufweist. Verdichter, insbesondere Luftverdichter für ein Brennstoffzellensystem, mit einem Gehäuse (20) und einer Welle (12), mit der wenigstens ein Verdichterrad (16) verbunden ist, wobei die Welle (12) im Gehäuse (20) über wenigstens eine Axiallageranordnung (24) drehbar gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Axiallageranordnung (24) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche ausgebildet ist.
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