DE102014219732B3

DE102014219732B3 - Turbolader-Lageranordnung

Info

Publication number: DE102014219732B3
Application number: DE102014219732.5A
Authority: DE
Inventors: Volker Wendt; Rainer Spies
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2014-09-29
Filing date: 2014-09-29
Publication date: 2016-02-04
Anticipated expiration: 2034-09-30

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbolader-Lageranordnung (1), umfassend eine in einem Gehäuse (2) gelagerte Welle (3), wobei die Welle (3) im Gehäuse (2) mittels zweier axial beabstandeter Wälzlager (4, 5) gelagert ist, wobei zwischen einer radial innenliegenden Fläche (6) des Gehäuses (2) und einer radial außenliegenden Fläche (7) der Welle (3) ein Ringraum (8) eingeschlossen ist. Um in kostengünstiger Weise eine Einheit bereitzustellen, die eine gute Schmutzabschirmung aufweist und eine betriebsgerechte Schmierung hat, sieht die Erfindung vor, dass die radial außenliegende Fläche (7) der Welle (3) abschnittsweise (a1, a2) konisch verläuft und der Ringraum (8) in fluidischer Verbindung (9) mit einer Zuluftöffnung (10) im Gehäuse (2) steht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbolader-Lageranordnung, umfassend eine in einem Gehäuse gelagerte Welle, wobei die Welle im Gehäuse mittels zweier axial beabstandeter Lager gelagert ist, wobei zwischen einer radial innenliegenden Fläche des Gehäuses und einer radial außenliegenden Fläche der Welle ein Ringraum eingeschlossen ist.
In Fahrzeugen werden häufig Turbolader eingesetzt, um die Leistung eines Verbrennungsmotors zu erhöhen. Der Turbolader umfasst dabei eine in einem Gehäuse gelagerte Welle, die mit hoher Drehzahl rotieren muss, um einen verwertbaren Ladedruck zu erzeugen.
Eine gattungsgemäße Lageranordnung für einen Turbolader ist aus der DE 10 2008 059 598 A1 bekannt. Eine ähnliche Lösung zeigt die DE 196 48 641 A1 .
Ein Problem, das bei Turbolader-Lagerungen besteht, ist die Abdichtung, d. h. das Verhindern eines Schmutzeintritts in die Turboladereinheit. Hierbei ist die Verwendung von Sperrluft eine gängige Methode, um dieses Ziel zu erreichen, da bei den sehr hohen Drehzahlen des Rotors des Turboladers die Verwendung von berührenden Dichtungen infolge entstehender Reibungswärme meist nicht möglich ist.
Übliche Lagerungen von Turboladern verwenden zumeist ölgeschmierte Gleitlager, um eine stabile Lagerung bei hohen Drehzahlen sicherzustellen. Nachteilig ist bei solchen Lagersystemen eine ungünstige Dynamik der Lagerung, d. h. ein relativ langsames Beschleunigen der Welle des Turboladers und ein nachteilig verzögerter Aufbau des Ladedrucks; somit kann nur ein langsames Einstellen auf die verschiedenen Betriebsbedingungen erfolgen. Das für den Betrieb benötigte relativ hohe Ölaufkommen in den Lagern birgt die Gefahr eines Verkokens der Abdichtungen namentlich auf der Abgasseite des Turboladers.
Wälzlager wären insofern günstiger, allerdings ist es hier schwierig, die Umgebungsbedingungen zu schaffen, die für einen dauerhaft stabilen Lagerbetrieb nötig sind.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Turbolader-Lageranordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der es möglich ist, in kostengünstiger Weise eine Einheit bereitzustellen, die eine gute Schmutzabschirmung aufweist und eine betriebsgerechte Schmierung hat. Die Lagerung, Schmutzabschirmung und betriebsgerechte Schmiermengenzuführung sollen dabei in einfacher und kostengünstiger Weise realisiert werden.
Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lager Wälzlager sind und dass die radial außenliegende Fläche der Welle abschnittsweise konisch verläuft und der Ringraum in fluidischer Verbindung mit einer Zuluftöffnung im Gehäuse steht, wobei die radial außenliegende Fläche der Welle in zwei axialen Abschnitten konisch verläuft, wobei die Kegelwinkel der beiden axialen Abschnitten gegensinnig zueinander orientiert sind, wobei die Zuluftöffnung im Gehäuse am Übergang zwischen den beiden konisch verlaufenden axialen Abschnitten angeordnet ist und wobei im Bereich der Zuluftöffnung Mittel zur Zugabe von Öl angeordnet sind.
Die radial innenliegende Fläche des Gehäuses ist dabei bevorzugt zur abschnittsweise konisch verlaufenden radial außenliegenden Fläche der Welle kongruent ausgeformt, so dass der Ringraum in diesem Bereich im Radialschnitt eine konstante radiale Dicke aufweist.
Die Kegelwinkel sind dabei bevorzugt gleich groß. Die Welle weist bevorzugt am Übergang zwischen den beiden konisch verlaufenden axialen Abschnitten ihren kleinsten Durchmesser auf.
Die Mittel zur Zugabe von Öl können ein Bauteil aus porösem Material, insbesondere aus Filz, umfassen.
Die beiden Wälzlager sind bevorzugt als Kugellager ausgebildet, insbesondere als Schrägkugellager. Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass die Laufbahnen der beiden Kugellager direkt in das Gehäuse und/oder in die Welle eingeschliffen sind.
Somit stellt die Erfindung eine Turboladereinheit zur Verfügung, die eine integrierte Sperrlufterzeugung aufweist. Somit liegt ein in sich abgestimmtes System vor, das sich selbst die für die Dichtung benötigte Sperrluft erzeugt und so einen sicheren Betrieb ermöglicht.
Die vorgesehene Ausgestaltung der Turbolader-Lageranordnung stellt durch die Formgebung insbesondere der Welle, aber auch durch die Formung des Gehäuses eine Förderwirkung bereit, die die Luft bzw. mit Öl beladene Luft an die Lagerstellen transportiert.
Hierfür muss im Außenring lediglich eine Öffnung vorgesehen werden, die auch beispielsweise durch eine Fräsung mit einem Scheibenfräser hergestellt werden kann.
Denkbar ist auch eine drucklose Öl- und Luftzufuhr zu dieser Öffnung, wobei über einen Einsatz aus einem geeigneten Kunststoff der Luftzutritt ermöglicht werden kann, um das Öl in großem Maße abzuschirmen und in kleinem Maße beispielsweise über einen Filz mittels einer Tropfölschmierung in den Spalt zwischen Welle und Gehäuse einzugeben und so die angesaugte Luft mit Öl zu beladen.
Über berührungslose Deckscheiben und entsprechende Spaltmaße neben den Kugelsätzen lässt sich auch die Förderwirkung auf die Betriebsdrehzahlen abstimmen. Schleuderscheiben können den Bereich der ölhaltigen Luft und den Bereich der Abgasluft voneinander trennen.
Somit wird es in vorteilhafter Weise möglich, die Lagerung, die Schmutzabschirmung und die betriebsgerechte Schmiermengenzuführung in einfacher und somit kostengünstiger Weise in einer Einheit zusammenzufassen.
Dies erlaubt in einfacher Weise die Beherrschung der Einbau- und Betriebsbedingungen und somit eine hohe Akzeptanz einer Wälzlagerung in Turbolader-Lagereinheiten.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
1 im Radialschnitt eine Turbolader-Lageranordnung mit zwei Schrägkugellagern und
2 den Schnitt A-B gemäß 1.
In 1 ist im Radialschnitt eine Turbolader-Lageranordnung 1 skizziert. Diese besteht im wesentlichen aus einem Gehäuse 2, in dem eine Welle 3 drehbar, aber axial festgelegt rotieren kann. Hierfür sind zwei Wälzlager 4 und 5 vorhanden. Die Laufbahnen der beiden Wälzlager 4, 5 sind im vorliegenden Falle direkt in das Gehäuse 2 bzw. in die Welle 3 eingeschliffen; demgemäß fungieren das Gehäuse 2 bzw. die Welle 3 jeweils als Lagerring.
Die beiden Wälzlager 4, 5 sind hier als Schrägkugellager in O-Anordnung ausgeführt bzw. angeordnet.
An den linken Endbereich der Welle 3 schließt sich in axiale Richtung a ein nicht dargestelltes Turbinenrad des Turboladers an. Der demzufolge hier vorliegende Abgasbereich C wird mittels einer Deckscheibe 12 vom Bereich der ölhaltigen Luft D per Spaltdichtung 13 getrennt, wozu auf der Welle die Deckscheibe 12 montiert ist. Eine analoge Deckscheibe 12 findet sich im rechten Endbereich des Gehäuses 2.
Das Gehäuse 2 hat eine radial innenliegende Fläche 6, die Welle 3 eine radial außenliegende Fläche 7. Wesentlich ist, dass die radial außenliegende Fläche 7 der Welle 3 abschnittsweise – nämlich in den beiden Abschnitten a₁ und a₂ – konisch verläuft und der Ringraum 8, der zwischen den Flächen 6 und 7 gebildet wird, in fluidischer Verbindung 9 mit einer Zuluftöffnung 10 im Gehäuse 2 steht. Hierbei ist konkret vorgesehen, dass die radiale Dicke d, die sich für den Ringraum 8 zwischen Gehäuse 2 und Welle 3 ergibt, einen konstanten Betrag aufweist. Demzufolge ist der Ringraum 8 in beiden Bereichen a₁ und a₂ als kegelförmiger Ringspalt ausgebildet.
Die Zuluftöffnung 10 ist in axialer Richtung a genau an dem Ort platziert, an dem die Welle 3 ihren geringsten Durchmesser D aufweist, denn die Welle 3 und korrespondierend das Gehäuse 2 sind in den beiden Abschnitten a₁ und a₂ mit gegensinnig orientierten Kegelflächen ausgebildet. Der Kegelwinkel ist mit α angegeben und beträgt zumeist zwischen 10° und 30°.
Luftpartikel, die an der Wellenoberfläche anhaften, werden durch die Zentrifugalkräfte aufgrund der hohen Wellendrehzahl radial weggeschleudert und erzeugen so einen Luftstrom von der Zuluftöffnung zu den beiden Wälzlagern 4, 5. Dies ist mit Pfeilen angedeutet.
Damit die Wälzlager 4, 5 mit Schmierstoff versorgt werden, sind im Bereich der Zuluftöffnung 10 Mittel 11 zur Zugabe von Öl angeordnet.
Im vorliegenden Falle bestehen diese Mittel 11 – wie am besten aus der Zusammenschau der 1 und 2 gesehen werden kann – aus einem Bauteil aus porösem Material, das mit Öl versorgt bzw. getränkt wird. Im konkreten Ausführungsbeispiel ist ein Filzelement vorgesehen (s. 2), das in dem Bereich platziert wird, der von der angesaugten Luft passiert wird.
Es können, was in 2 angedeutet ist, Öltröpfchen durch die Zuluftöffnung 10 ins Innere des Gehäuses 2 fallen, wobei diese dann weiter zerstäubt werden und infolge des Stromes an Luft zu den Wälzlagern transportiert werden.
Es wird so im Betrieb der Lageranordnung ein Luftstrom generiert, der nicht nur die Wälzlager 4, 5 mit Schmierstoff versorgt, sondern auch autark alleine durch ihren Betrieb Sperrluft bereitstellt, die die Lageranordnung gegen den Eintritt von Verunreinigungen abschirmt.
Die vorgeschlagene Anordnung kann als kompakte Einheit kostengünstig realisiert werden.
Bezugszeichenliste

1: Turbolader-Lageranordnung
2: Gehäuse
3: Welle
4: Wälzlager
5: Wälzlager
6: radial innenliegende Fläche des Gehäuses
7: radial außenliegende Fläche der Welle
8: Ringraum
9: fluidische Verbindung
10: Zuluftöffnung
11: Mittel zur Zugabe von Öl
12: Deckscheibe
13: Spaltdichtung
a₁: erster Abschnitt
a₂: erster Abschnitt
a: axiale Richtung
d: radiale Dicke des Ringraums
D: Durchmesser
α: Kegelwinkel
C: Abgasbereich
D: Bereich der ölhaltigen Luft

Claims

Turbolader-Lageranordnung (1), umfassend eine in einem Gehäuse (2) gelagerte Welle (3), wobei die Welle (3) im Gehäuse (2) mittels zweier axial beabstandeter Lager (4, 5) gelagert ist, wobei zwischen einer radial innenliegenden Fläche (6) des Gehäuses (2) und einer radial außenliegenden Fläche (7) der Welle (3) ein Ringraum (8) eingeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lager (4, 5) Wälzlager sind und dass die radial außenliegende Fläche (7) der Welle (3) abschnittsweise (a₁, a₂) konisch verläuft und der Ringraum (8) in fluidischer Verbindung (9) mit einer Zuluftöffnung (10) im Gehäuse (2) steht, wobei die radial außenliegende Fläche (7) der Welle (3) in zwei axialen Abschnitten (a₁, a₂) konisch verläuft, wobei die Kegelwinkel (α) der beiden axialen Abschnitten (a₁, a₂) gegensinnig zueinander orientiert sind, wobei die Zuluftöffnung (10) im Gehäuse (2) am Übergang zwischen den beiden konisch verlaufenden axialen Abschnitten (a₁, a₂) angeordnet ist und wobei im Bereich der Zuluftöffnung (10) Mittel (11) zur Zugabe von Öl angeordnet sind.
Turbolader-Lageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die radial innenliegende Fläche (6) des Gehäuses (2) zur abschnittsweise konisch verlaufenden radial außenliegenden Fläche (7) der Welle (3) kongruent ausgeformt ist, so dass der Ringraum (8) in diesem Bereich im Radialschnitt eine konstante radiale Dicke (d) aufweist.
Turbolader-Lageranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kegelwinkel (α) gleich groß sind.
Turbolader-Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (3) am Übergang zwischen den beiden konisch verlaufenden axialen Abschnitten (a₁, a₂) ihren kleinsten Durchmesser (D) aufweist.
Turbolader-Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (11) zur Zugabe von Öl ein Bauteil aus porösem Material umfassen.
Turbolader-Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Wälzlager (4, 5) als Kugellager ausgebildet sind.
Turbolader-Lageranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufbahnen der beiden Kugellager (4, 5) direkt in das Gehäuse (2) und/oder in die Welle (3) eingeschliffen sind.