DE102008061111B4

DE102008061111B4 - Abgasturbolader

Info

Publication number: DE102008061111B4
Application number: DE102008061111.5A
Authority: DE
Inventors: Dr. Münz Stefan; Martin Rauscher; Jan Patrick Häntsche
Original assignee: BMTS Technology GmbH and Co KG
Current assignee: BMTS Technology GmbH and Co KG
Priority date: 2008-12-09
Filing date: 2008-12-09
Publication date: 2020-03-12
Anticipated expiration: 2028-12-10
Also published as: DE102008061111A1

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.

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 und EP 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 bis 4 jeweils einen stark vereinfachten, prinzipiellen Längsschnitt durch einen Abgasturbolader im Bereich einer Lageranordnung, bei verschiedenen Ausführungsformen.

Entsprechend den 1 bis 4 umfasst ein Abgasturbolader 1, 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 Rotor 2 und einen Stator 3, die hier jeweils nur unvollständig dargestellt sind. Ferner ist eine Lageranordnung 4 vorgesehen, um den Rotor 2 im Stator 3 um eine Rotationsachse 5 drehbar zu lagern. Dabei weist die Lageranordnung 4 zumindest zwei Wälzlager 6 auf, die axial, also parallel zur Rotationsachse 5 voneinander beabstandet angeordnet sind. Bevorzugt sind dabei die Wälzlager als Schrägwälzlager 6 ausgestaltet. Alternativ können auch andere Wälzlager 6 verwendet werden, z.B. Radialwälzlager oder Axialwälzlager. Jedes Schrägwälzlager 6 weist mehrere Wälzkörper 7 auf, die zweckmäßig als Kugeln oder Rollen ausgestaltet sind. Die Wälzkörper 7 laufen dabei radial innen auf einer inneren Wälzkörperlauffläche 8 und radial außen auf einer äußeren Wälzkörperlauffläche 9 bezüglich der Rotationsachse 5 in Umfangsrichtung um. Üblicherweise sind die Wälzkörperlaufflächen 8, 9 an Lagerringen des Schrägwälzlagers 6 ausgebildet bzw. integral ausgeformt. Die innere Wälzkörperlauffläche 8 befindet sich dabei an der Außenseite eines inneren Lagerrings 10, während sich die äußere Wälzkörperlauffläche 9 an der Innenseite eines äußeren Lagerrings 11 befindet. Die Lageranordnung 4 umfasst somit zwei innere Wälzkörperlaufflächen 8 und zwei äußere Wälzkörperlaufflächen 9, also insgesamt vier Wälzkörperlaufflächen 8, 9.
Zur Vereinfachung der Herstellung der Lageranordnung 4 und somit des Abgasturboladers 1 ist zumindest eine der insgesamt vier Wälzkörperlaufflächen 8, 9 integral am Rotor 2 bzw. am Stator 3 ausgeformt. Beispielsweise ist in 1 im links dargestellten Schrägwälzlager 6 die innere Wälzkörperlauffläche 8 integral am Rotor 2 ausgebildet. Sie ist hierbei integral an einer Welle 12 des - Rotors 2 ausgeformt. Besagte Rotorwelle 12 trägt üblicherweise ein Verdichterrad und ein Turbinenrad des Abgasturboladers 1 und ist mit diesen Rädern drehfest verbunden. Die beiden Räder bilden zusammen mit der Welle 12 den Rotor 2. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform ist nur eine einzige der insgesamt vier Wälzkörperlaufflächen 8, 9 integral am Rotor 2 bzw. integral am Gehäuse 3 ausgeformt.
2 zeigt eine Ausführungsform, bei der sowohl am linken Schrägwälzlager 6 als auch am rechten Schrägwälzlager 6 die jeweilige innere Wälzkörperlauffläche 8 integral am Rotor 2 bzw. an der Welle 12 ausgeformt ist. Darüber hinaus ist bei dieser speziellen Ausführungsform außerdem beim links gezeigten Schrägwälzlager 6 die äußere Wälzkörperlauffläche 9 integral am Stator 3 ausgeformt, und zwar vorzugsweise an einem Gehäuse 13 des Stators 3. Alternativ ist es ebenso möglich, die linke äußere Wälzkörperlauffläche 9 an einem entsprechenden äußeren Lagerring 11 auszubilden. In diesem Fall sind dann nur zwei von 4 Wälzkörperlaufflächen 8, 9 integral am Rotor 2 bzw. am Stator 3 ausgeformt. 2 zeigt somit eine Ausführungsform, bei der insgesamt drei von vier Wälzkörperlaufflächen 8, 9 am Rotor 2 bzw. am Stator 3 integral ausgeformt sind.
Auch 3 zeigt eine Ausführungsform bei der insgesamt drei von vier Wälzkörperlaufflächen 8, 9 am Rotor 2 bzw. am Stator 3 integral ausgeformt sind. Dabei handelt es sich um die beiden äußeren Wälzkörperlaufflächen 9 und um die innere Wälzkörperlauffläche 8 des linken Schrägwälzlagers 6. Auch hier ist es grundsätzlich möglich, die linke innere Wälzkörperlauffläche 8 an einem entsprechenden inneren Lagerring 10 auszubilden. In diesem Fall sind dann zwei von vier Wälzkörperlaufflächen 8, 9 integral am Rotor 2 bzw. am Stator 3 ausgeformt.
Schließlich zeigt 4 noch eine Ausführungsform, bei der wieder nur eine einzige Wälzkörperlauffläche 8, 9 integral am Rotor 2 bzw. am Stator 3 ausgeformt ist. Im Beispiel ist die äußere Wälzkörperlauffläche 9 des links gezeigten Schrägwälzlagers 6 integral am Stator 3 bzw. am Gehäuse 13 ausgeformt.
Um die jeweilige innere Wälzkörperlauffläche 8 integral an der Welle 12 des Rotors 2 auszuformen, kann es zweckmäßig sein, die Welle 12 insgesamt oder zumindest an ihrer Oberfläche zu härten. Zweckmäßig ist die dem Stator 13 zugewandte Wellenoberfläche zumindest im Bereich der integral ausgeformten inneren Wälzkörperlauffläche 8 gehärtet. Entsprechendes gilt auch für das Gehäuse 13. Dieses kann insgesamt oder zumindest an seiner Oberfläche gehärtet sein. Zweckmäßig kann auch hier vorgesehen sein, das Gehäuse 13 lediglich in einem Bereich seiner dem Rotor 2 zugewandten Gehäuseoberfläche zu härten, in dem die jeweilige äußere Wälzkörperlauffläche 9 realisiert ist.
Die hier gezeigten Ausführungsformen zeigen eine optional realisierbare weitere Besonderheit. Die Lageranordnung 4 besitzt eine interne axiale Vorspannung 14, die in den 1 bis 4 durch zwei aufeinanderzu orientierte Pfeile symbolisiert ist. Diese interne Vorspannung 14 beaufschlagt die beiden Schrägwälzlager 6 und wird für optimale Laufeigenschaften benötigt. Erzeugt wird diese Vorspannung 14 dadurch, dass während der Montage entsprechend zwei Pfeilen 15 (actio = reactio) eine äußere Vorspannung auf einen der Lagerringe 10, 11 aufgebracht wird. Das Bezugszeichen des jeweiligen Lagerrings 10, 11 ist dabei mit einem Hochkomma gekennzeichnet. Zur vereinfachten Darstellung sind die besagten Lagerringe 10' bzw. 11' jeweils rechts dargestellt. In den 1, 3 und 4 handelt es sich jeweils um den inneren Lagerring 10' und bei 2 um den äußeren Lagerring 11'. Damit diese Lagerringe 10', 11' durch die Belastung mit der äußeren Vorspannkraft 15 innerhalb der Lageranordnung 4 die gewünschte interne Vorspannung 14 erzeugen können, muss dieser spezielle Lagerring 10', 11' für die Montage axial verstellbar am Rotor 2 bzw. am Gehäuse 3 angeordnet sein. Mit diesem verstellbaren Lagerring 10', 11' ist dann auch die zugehörige Wälzkörperlauffläche 8 bzw. 9 axial verstellbar. Im Unterschied dazu ist die wenigstens eine andere innere Wälzkörperlauffläche 8 relativ zum Rotor 2 lagefixiert, während außerdem die wenigstens eine andere äußere Wälzkörperlauffläche 9 relativ zum Stator 3 lagefixiert ist. Sofern Lagerringe 10, 11 zum Einsatz kommen, stützen diese sich axial über Anschlagflächen 16 am Stator 3 bzw. über Anschlagflächen 17 am Rotor 2 ab. Auf diese Weise kann ein in sich geschlossener Kraftpfad gebildet werden.
Beispielsweise wird bei der in 1 gezeigten Ausführungsform der Rotor 2 axial fixiert, um dann die äußere Vorspannung 15 auf den axial verstellbaren Lagerring 10' aufzubringen. Hierdurch ergibt sich eine relative Verschiebung in axialer Richtung zwischen dem verstellbaren Lagerring 10' und dem Rotor 2. Gleichzeitig wird dabei der Stator 3 relativ zu den Schrägwälzlagern 6 zentriert. Sämtliches Spiel wird eliminiert und die interne Vorspannung 14 wird aufgebaut. Anschließend wird der verstellbare Lagerring 10' am Rotor 2 lagefixiert. Dies erfolgt bevorzugt über eine Fixierstelle 18, 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 Vorspannung 15 entfernt werden. Die innere Vorspannung 14 bleibt erhalten.
Eine entsprechende Vorgehensweise ist auch bei den anderen hier gezeigten Ausführungsformen möglich. Beispielsweise wird bei 2 der Stator 3 fixiert, um dann über den äußeren Lagerring 11' die äußere Vorspannung 15 aufzubringen. Hierbei verschiebt sich der äußere Lagerring 11' relativ zum Stator 3 und zentriert Rotor 2 zwischen den Schrägwälzlagern 6. Sobald die Relativlage, welche die gewünschte interne axiale Vorspannung 14 generiert, gefunden ist, erfolgt auch hier die Fixierung 18 des jeweiligen Lagerrings 11'.
Die beiden Schrägwälzlager 4 können dabei entsprechend den 1, 3 und 4 als O-Anordnung oder entsprechend 2 als X-Anordnung konfiguriert sein.
4 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform, bei welcher der verschiebbare Lagerring, hier der rechts gezeigte innere Lagerring 10', nicht wie bei den anderen Ausführungsformen direkt über die Fixierung 18 mit dem Rotor 2 bzw. mit dem Stator 3 fest verbunden ist, sondern über einen Stützring 19. An diesem Stützring 19 stützt sich im Beispiel der 4 der im Rahmen der Montage axial verstellbare innere Lagerring 10' axial ab. Die Lagefixierung dieses verstellbaren Lagerrings 10' wird somit indirekt über den lagefixierten Stützring 19 realisiert, der seinerseits über besagte Fixierung 18 mit dem Rotor 2 oder bei einem verstellbaren äußeren Lagerring 11' mit dem Stator 3 fest verbunden ist.

Claims

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 bis 4, 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 oder 8, 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 oder 9, 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 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Fixierung (18) durch eine Schweißverbindung gebildet ist.