DE102008061111B4 - Abgasturbolader - Google Patents
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Abstract
Abgasturbolader zum Aufladen einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs,
- mit einem Rotor (2), der mittels einer Lageranordnung (4) in einem Stator (3) um eine Rotationsachse (5) drehbar gelagert ist,
- wobei die Lageranordnung (4) mindestens zwei bezüglich der Rotationsachse (5) axial voneinander beabstandete Wälzlager (6) aufweist, die jeweils eine innere Wälzkörperlauffläche (8) und eine äußere Wälzkörperlauffläche (9) aufweisen,
- wobei zumindest eine der inneren Wälzkörperlaufflächen (8) integral am Rotor (2) ausgeformt ist und/oder zumindest eine der äußeren Wälzkörperlaufflächen (9) integral am Stator (3) ausgeformt ist,
- wobei zumindest eine der äußeren Wälzkörperlaufflächen (9) integral an einem Gehäuse (13) des Stators (3) ausgeformt ist.
- mit einem Rotor (2), der mittels einer Lageranordnung (4) in einem Stator (3) um eine Rotationsachse (5) drehbar gelagert ist,
- wobei die Lageranordnung (4) mindestens zwei bezüglich der Rotationsachse (5) axial voneinander beabstandete Wälzlager (6) aufweist, die jeweils eine innere Wälzkörperlauffläche (8) und eine äußere Wälzkörperlauffläche (9) aufweisen,
- wobei zumindest eine der inneren Wälzkörperlaufflächen (8) integral am Rotor (2) ausgeformt ist und/oder zumindest eine der äußeren Wälzkörperlaufflächen (9) integral am Stator (3) ausgeformt ist,
- wobei zumindest eine der äußeren Wälzkörperlaufflächen (9) integral an einem Gehäuse (13) des Stators (3) ausgeformt ist.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgasturbolader zum Aufladen einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs.
- Ein Abgasturbolader weist üblicherweise einen Rotor auf, der mittels einer Lageranordnung in einem Stator um eine Rotationsachse drehbar gelagert ist. Dabei kann eine derartige Lageranordnung mindestens zwei bezüglich der Rotationsachse axial voneinander beabstandete Wälzlager aufweisen. Ein derartiges Wälzlager weist jeweils eine radial innen liegende innere Wälzkörperlauffläche und eine radial außen liegende äußere Wälzkörperlauffläche auf. Die Wälzlager können z.B. als Radialwälzlager oder als Axialwälzlager oder als Schrägwälzlager ausgestaltet sein. Durch die Verwendung von zwei Schrägwälzlagern kann eine axiale und radiale Abstützung des Rotors im Stator realisiert werden.
- Derartige Lageranordnungen sind exemplarisch in den Dokumenten
DE 43 27 815 C2 ,DE 20 2004 017 194 U1 undEP 1 288 021 A2 beschrieben. - Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Abgasturbolader der eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine vereinfachte bzw. preiswertere Herstellbarkeit auszeichnet.
- Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
- Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei wenigstens einem der Wälzlager wenigstens eine der Wälzkörperlaufflächen integral am Rotor bzw. integral am Stator auszuformen. Hierdurch kann ein innerer bzw. äußerer Lagerring entfallen, der beim jeweiligen Wälzlager üblicherweise die jeweilige Wälzkörperlauffläche aufweist. Durch das Ausbilden der inneren Wälzkörperlauffläche unmittelbar am Rotor bzw. der äußeren Wälzkörperlauffläche unmittelbar am Stator, kann außerdem die radiale Abmessung der Wälzlager reduziert werden. Der Abgasturbolader kann dadurch in radialer Richtung kompakter bauen. Darüber hinaus ergibt sich bei einer integralen Ausformung der inneren Wälzkörperlauffläche am Rotor die Möglichkeit, den mittleren Lagerdurchmesser des jeweiligen Wälzlagers zu reduzieren. Dies kann zur Erhöhung der Drehzahl des Rotors genutzt werden. Diesbezüglich beruht die Erfindung auf der Erkenntnis, dass bei der Auslegung von Wälzlagern das Produkt aus mittlerem Lagerdurchmesser und maximaler Drehzahl im Wesentlichen konstant ist und eine Auslegungsgrenze bildet. Durch Reduzieren des mittleren Lagerdurchmessers lässt sich somit die maximal zulässige Drehzahl erhöhen. Wenn erfindungsgemäß die innere Wälzkörperlauffläche integral am Rotor ausgeformt wird, kann in jedem Fall auf die radiale Wandstärke eines inneren Lagerrings verzichtet werden, wodurch der mittlere Lagerdurchmesser abnimmt. In der Folge sind grundsätzlich größere Drehzahlen zulässig. Bei gleicher Drehzahl ist das jeweilige Wälzlager überdimensioniert, so dass es sich dann durch eine größere Standzeit auszeichnet.
- Vorzugsweise kann die in den Rotor integrierte innere Wälzkörperlauffläche integral an einer Welle des Rotors ausgeformt sein. Diese Rotorwelle zeichnet sich durch eine vergleichsweise hohe Festigkeit aus, so dass sich ihre Oberfläche zur Realisierung einer Wälzkörperlauffläche in besonderer Weise eignet. Optional kann die Welle zumindest im Bereich der inneren Wälzkörperlauffläche eine gehärtete Oberfläche aufweisen. Die in den Stator integrierte äußere Wälzkörperlauffläche ist an einem Gehäuse des Stators integral ausgeformt sein, wobei es auch hier prinzipiell möglich ist, den betroffenen Bereich der Gehäuseoberfläche zu härten.
- Sofern die beiden Wälzlager als Schrägwälzlager ausgestaltet sind und axial vorgespannt sein sollen, kann entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform diese axiale Vorspannung dadurch erzeugt werden, dass die Schrägwälzlager in einer die axiale Vorspannung erzeugenden Relativlage zueinander lagefixiert sind. Hierdurch ergibt sich eine extreme Vereinfachung bei der Herstellung der vorgespannten Schrägwälzlager-Paarung. Durch die Lagefixierung kann bspw. eine Temperaturabhängigkeit der Vorspannung weitgehend eliminiert werden. Eine derartige Temperaturabhängigkeit liegt bspw. dann vor, wenn die Vorspannung auf konventionelle Weise mittels einer entsprechenden Vorspannfeder realisiert wird, deren Federkennlinie üblicherweise eine Temperaturabhängigkeit zeigt. Ferner lässt sich durch Einstellen einer Relativlage, welche die jeweilige Vorspannung erzeugt, und durch Fixieren dieser Relativlage, wodurch die innere Vorspannung konserviert wird, die erforderliche axiale Vorspannung relativ preiswert realisieren. Beispielweise müssen keine engen Toleranzen bei der Herstellung von axialen Widerlagerstellen für die Schrägwälzlager eingehalten werden.
- Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
- Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
- Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
- Es zeigen, jeweils schematisch,
-
1 bis4 jeweils einen stark vereinfachten, prinzipiellen Längsschnitt durch einen Abgasturbolader im Bereich einer Lageranordnung, bei verschiedenen Ausführungsformen. - Entsprechend den
1 bis4 umfasst ein Abgasturbolader1 , mit dessen Hilfe eine hier nicht gezeigte Brennkraftmaschine, die sich bevorzugt in einem Kraftfahrzeug befindet, aufladen lässt bzw. auf ein erhöhtes Druckniveau bringen lässt, einen Rotor2 und einen Stator3 , die hier jeweils nur unvollständig dargestellt sind. Ferner ist eine Lageranordnung4 vorgesehen, um den Rotor2 im Stator3 um eine Rotationsachse5 drehbar zu lagern. Dabei weist die Lageranordnung4 zumindest zwei Wälzlager6 auf, die axial, also parallel zur Rotationsachse5 voneinander beabstandet angeordnet sind. Bevorzugt sind dabei die Wälzlager als Schrägwälzlager6 ausgestaltet. Alternativ können auch andere Wälzlager6 verwendet werden, z.B. Radialwälzlager oder Axialwälzlager. Jedes Schrägwälzlager6 weist mehrere Wälzkörper7 auf, die zweckmäßig als Kugeln oder Rollen ausgestaltet sind. Die Wälzkörper7 laufen dabei radial innen auf einer inneren Wälzkörperlauffläche8 und radial außen auf einer äußeren Wälzkörperlauffläche9 bezüglich der Rotationsachse5 in Umfangsrichtung um. Üblicherweise sind die Wälzkörperlaufflächen8 ,9 an Lagerringen des Schrägwälzlagers6 ausgebildet bzw. integral ausgeformt. Die innere Wälzkörperlauffläche8 befindet sich dabei an der Außenseite eines inneren Lagerrings10 , während sich die äußere Wälzkörperlauffläche9 an der Innenseite eines äußeren Lagerrings11 befindet. Die Lageranordnung4 umfasst somit zwei innere Wälzkörperlaufflächen8 und zwei äußere Wälzkörperlaufflächen9 , also insgesamt vier Wälzkörperlaufflächen8 ,9 . - Zur Vereinfachung der Herstellung der Lageranordnung
4 und somit des Abgasturboladers1 ist zumindest eine der insgesamt vier Wälzkörperlaufflächen8 ,9 integral am Rotor2 bzw. am Stator3 ausgeformt. Beispielsweise ist in1 im links dargestellten Schrägwälzlager6 die innere Wälzkörperlauffläche8 integral am Rotor2 ausgebildet. Sie ist hierbei integral an einer Welle12 des - Rotors 2 ausgeformt. Besagte Rotorwelle12 trägt üblicherweise ein Verdichterrad und ein Turbinenrad des Abgasturboladers1 und ist mit diesen Rädern drehfest verbunden. Die beiden Räder bilden zusammen mit der Welle12 den Rotor2 . Bei der in1 gezeigten Ausführungsform ist nur eine einzige der insgesamt vier Wälzkörperlaufflächen8 ,9 integral am Rotor2 bzw. integral am Gehäuse3 ausgeformt. -
2 zeigt eine Ausführungsform, bei der sowohl am linken Schrägwälzlager6 als auch am rechten Schrägwälzlager6 die jeweilige innere Wälzkörperlauffläche8 integral am Rotor2 bzw. an der Welle12 ausgeformt ist. Darüber hinaus ist bei dieser speziellen Ausführungsform außerdem beim links gezeigten Schrägwälzlager6 die äußere Wälzkörperlauffläche9 integral am Stator3 ausgeformt, und zwar vorzugsweise an einem Gehäuse13 des Stators3 . Alternativ ist es ebenso möglich, die linke äußere Wälzkörperlauffläche9 an einem entsprechenden äußeren Lagerring11 auszubilden. In diesem Fall sind dann nur zwei von 4 Wälzkörperlaufflächen8 ,9 integral am Rotor2 bzw. am Stator3 ausgeformt.2 zeigt somit eine Ausführungsform, bei der insgesamt drei von vier Wälzkörperlaufflächen8 ,9 am Rotor2 bzw. am Stator3 integral ausgeformt sind. - Auch
3 zeigt eine Ausführungsform bei der insgesamt drei von vier Wälzkörperlaufflächen8 ,9 am Rotor2 bzw. am Stator3 integral ausgeformt sind. Dabei handelt es sich um die beiden äußeren Wälzkörperlaufflächen9 und um die innere Wälzkörperlauffläche8 des linken Schrägwälzlagers6 . Auch hier ist es grundsätzlich möglich, die linke innere Wälzkörperlauffläche8 an einem entsprechenden inneren Lagerring10 auszubilden. In diesem Fall sind dann zwei von vier Wälzkörperlaufflächen8 ,9 integral am Rotor2 bzw. am Stator3 ausgeformt. - Schließlich zeigt
4 noch eine Ausführungsform, bei der wieder nur eine einzige Wälzkörperlauffläche8 ,9 integral am Rotor2 bzw. am Stator3 ausgeformt ist. Im Beispiel ist die äußere Wälzkörperlauffläche9 des links gezeigten Schrägwälzlagers6 integral am Stator3 bzw. am Gehäuse13 ausgeformt. - Um die jeweilige innere Wälzkörperlauffläche
8 integral an der Welle12 des Rotors2 auszuformen, kann es zweckmäßig sein, die Welle12 insgesamt oder zumindest an ihrer Oberfläche zu härten. Zweckmäßig ist die dem Stator13 zugewandte Wellenoberfläche zumindest im Bereich der integral ausgeformten inneren Wälzkörperlauffläche8 gehärtet. Entsprechendes gilt auch für das Gehäuse13 . Dieses kann insgesamt oder zumindest an seiner Oberfläche gehärtet sein. Zweckmäßig kann auch hier vorgesehen sein, das Gehäuse13 lediglich in einem Bereich seiner dem Rotor2 zugewandten Gehäuseoberfläche zu härten, in dem die jeweilige äußere Wälzkörperlauffläche9 realisiert ist. - Die hier gezeigten Ausführungsformen zeigen eine optional realisierbare weitere Besonderheit. Die Lageranordnung
4 besitzt eine interne axiale Vorspannung14 , die in den1 bis4 durch zwei aufeinanderzu orientierte Pfeile symbolisiert ist. Diese interne Vorspannung14 beaufschlagt die beiden Schrägwälzlager6 und wird für optimale Laufeigenschaften benötigt. Erzeugt wird diese Vorspannung14 dadurch, dass während der Montage entsprechend zwei Pfeilen15 (actio = reactio) eine äußere Vorspannung auf einen der Lagerringe10 ,11 aufgebracht wird. Das Bezugszeichen des jeweiligen Lagerrings10 ,11 ist dabei mit einem Hochkomma gekennzeichnet. Zur vereinfachten Darstellung sind die besagten Lagerringe10' bzw.11' jeweils rechts dargestellt. In den1 ,3 und4 handelt es sich jeweils um den inneren Lagerring10' und bei2 um den äußeren Lagerring11' . Damit diese Lagerringe10' ,11' durch die Belastung mit der äußeren Vorspannkraft15 innerhalb der Lageranordnung4 die gewünschte interne Vorspannung14 erzeugen können, muss dieser spezielle Lagerring10' ,11' für die Montage axial verstellbar am Rotor2 bzw. am Gehäuse3 angeordnet sein. Mit diesem verstellbaren Lagerring10' ,11' ist dann auch die zugehörige Wälzkörperlauffläche8 bzw.9 axial verstellbar. Im Unterschied dazu ist die wenigstens eine andere innere Wälzkörperlauffläche8 relativ zum Rotor2 lagefixiert, während außerdem die wenigstens eine andere äußere Wälzkörperlauffläche9 relativ zum Stator3 lagefixiert ist. Sofern Lagerringe10 ,11 zum Einsatz kommen, stützen diese sich axial über Anschlagflächen16 am Stator3 bzw. über Anschlagflächen17 am Rotor2 ab. Auf diese Weise kann ein in sich geschlossener Kraftpfad gebildet werden. - Beispielsweise wird bei der in
1 gezeigten Ausführungsform der Rotor2 axial fixiert, um dann die äußere Vorspannung15 auf den axial verstellbaren Lagerring10' aufzubringen. Hierdurch ergibt sich eine relative Verschiebung in axialer Richtung zwischen dem verstellbaren Lagerring10' und dem Rotor2 . Gleichzeitig wird dabei der Stator3 relativ zu den Schrägwälzlagern6 zentriert. Sämtliches Spiel wird eliminiert und die interne Vorspannung14 wird aufgebaut. Anschließend wird der verstellbare Lagerring10' am Rotor2 lagefixiert. Dies erfolgt bevorzugt über eine Fixierstelle18 , die durch eine Schweißverbindung realisiert sein kann. Beispielsweise können mehrere Schweißpunkte in Umfangsrichtung beabstandet vorgesehen werden. Ebenso ist eine umlaufende Schweißnaht denkbar. Nach der Lagefixierung kann die äußere Vorspannung15 entfernt werden. Die innere Vorspannung14 bleibt erhalten. - Eine entsprechende Vorgehensweise ist auch bei den anderen hier gezeigten Ausführungsformen möglich. Beispielsweise wird bei
2 der Stator3 fixiert, um dann über den äußeren Lagerring11' die äußere Vorspannung15 aufzubringen. Hierbei verschiebt sich der äußere Lagerring11' relativ zum Stator3 und zentriert Rotor2 zwischen den Schrägwälzlagern6 . Sobald die Relativlage, welche die gewünschte interne axiale Vorspannung14 generiert, gefunden ist, erfolgt auch hier die Fixierung18 des jeweiligen Lagerrings11' . - Die beiden Schrägwälzlager
4 können dabei entsprechend den1 ,3 und4 als O-Anordnung oder entsprechend2 als X-Anordnung konfiguriert sein. -
4 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform, bei welcher der verschiebbare Lagerring, hier der rechts gezeigte innere Lagerring10' , nicht wie bei den anderen Ausführungsformen direkt über die Fixierung18 mit dem Rotor2 bzw. mit dem Stator3 fest verbunden ist, sondern über einen Stützring19 . An diesem Stützring19 stützt sich im Beispiel der4 der im Rahmen der Montage axial verstellbare innere Lagerring10' axial ab. Die Lagefixierung dieses verstellbaren Lagerrings10' wird somit indirekt über den lagefixierten Stützring19 realisiert, der seinerseits über besagte Fixierung18 mit dem Rotor2 oder bei einem verstellbaren äußeren Lagerring11' mit dem Stator3 fest verbunden ist.
Claims (11)
- Abgasturbolader zum Aufladen einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, - mit einem Rotor (2), der mittels einer Lageranordnung (4) in einem Stator (3) um eine Rotationsachse (5) drehbar gelagert ist, - wobei die Lageranordnung (4) mindestens zwei bezüglich der Rotationsachse (5) axial voneinander beabstandete Wälzlager (6) aufweist, die jeweils eine innere Wälzkörperlauffläche (8) und eine äußere Wälzkörperlauffläche (9) aufweisen, - wobei zumindest eine der inneren Wälzkörperlaufflächen (8) integral am Rotor (2) ausgeformt ist und/oder zumindest eine der äußeren Wälzkörperlaufflächen (9) integral am Stator (3) ausgeformt ist, - wobei zumindest eine der äußeren Wälzkörperlaufflächen (9) integral an einem Gehäuse (13) des Stators (3) ausgeformt ist.
- Abgasturbolader nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der inneren Wälzkörperlaufflächen (8) integral an einer Welle (12) des Rotors (2) ausgeformt ist. - Abgasturbolader nach
Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (12) zumindest im Bereich einer die innere Wälzkörperlauffläche (8) aufweisenden Wellenoberfläche gehärtet ist. - Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (13) zumindest in einem die äußere Wälzkörperlauffläche (9) aufweisenden Bereich der Gehäuseoberfläche gehärtet ist.
- Abgasturbolader nach einem der
Ansprüche 1 bis4 , dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzlager als Schrägwälzlager (6) ausgestaltet sind. - Abgasturbolader nach
Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Schrägwälzlager (6) mit einer axialen Vorspannung (15) beaufschlagt sind. - Abgasturbolader nach
Anspruch 6 , dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Vorspannung (14) dadurch erzeugt wird, dass die Schrägwälzlager (6) in einer die axiale Vorspannung (14) erzeugenden Relativlage zueinander lagefixiert sind. - Abgasturbolader nach
Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet, dass bei einem der Schrägwälzlager (4) ein die äußere Wälzkörperlauffläche (9) aufweisender äußerer Lagerring (11') am Stator (3) axial fixiert ist. - Abgasturbolader nach
Anspruch 7 oder8 , dadurch gekennzeichnet, dass bei einem der Schrägwälzlager (4) ein die innere Wälzkörperlauffläche (8) aufweisender innerer Lagerring (10') am Rotor (2) axial fixiert ist. - Abgasturbolader nach
Anspruch 8 oder9 , dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Fixierung des jeweiligen Lagerrings (10', 11') dadurch erfolgt, dass sich der jeweilige Lagerring (10', 11') axial an einem Stützring (19) abstützt, der am Stator (3) oder am Rotor (2) axial fixiert ist. - Abgasturbolader nach einem der
Ansprüche 7 bis10 , dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Fixierung (18) durch eine Schweißverbindung gebildet ist.
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