DE102010054904A1

DE102010054904A1 - Lagerkartusche für einen Turbolader

Info

Publication number: DE102010054904A1
Application number: DE102010054904A
Authority: DE
Inventors: Heiko Schmidt
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-12-17
Filing date: 2010-12-17
Publication date: 2012-06-21
Also published as: WO2012079879A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lagerkartusche für einen Turbolader, umfassend einen in ein Lagergehäuse 15, 16 einpressbaren Trägerring 11, 12, 33 und einen vom Trägerring 11, 12, 33 radial umfassten Lageraußenring 13, 14, 34, wobei zwischen der zylindrischen Außenfläche des Lageraußenrings 13, 14, 34 und der hohlzylindrischen Innenfläche des Trägerrings 11, 12, 33 ein mit Öl befüllter Zwischenraum ausgebildet ist und der Trägerring 11, 12, 33 eine zur Ölversorgung des Zwischenraums ausgebildete Versorgungsbohrung 25 aufweist, wobei die Versorgungsbohrung 25 mit einer in Umfangsrichtung umlaufenden und wenigstens teilweise vom Lageraußenring gebildeten, ersten Nut 23 kommunizierend verbunden ist. Es soll eine nutzerfreundliche, transportable und werkseitig vorinstallierbare Turboladerlagerkartusche angegeben werden. Dies wird dadurch gelöst, dass der Lageraußenring 13, 14, 34 wenigstens eine Wälzkörperlaufbahn aufweist und der Trägerring 11, 12, 33 im Lagergehäuse befestigbar ist. Das Ergebnis ist eine leistungsfähige, werkseitig vormontierbare Turboladerlagerkartusche mit einer geringen Bauteilanzahl.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Lagerkartusche für einen Turbolader, umfassend einen in ein Lagergehäuse einpressbaren Trägerring und einen vom Trägerring radial umfassten Lageraußenring, wobei zwischen der zylindrischen Außenfläche des Lageraußenrings und der hohlzylindrischen Innenfläche des Trägerrings ein mit Öl befüllter Zwischenraum ausgebildet ist und der Trägerring eine zur Ölversorgung des Zwischenraums ausgebildete Versorgungsbohrung aufweist, wobei die Versorgungsbohrung mit einer in Umfangsrichtung umlaufenden und wenigstens teilweise vom Lageraußenring gebildeten, ersten Nut kommunizierend verbunden ist.
Hintergrund der Erfindung
Ein Turbolader dient üblicherweise der Leistungssteigerung von Brennkraftmaschinen durch die Nutzung von Abgasenergie. Der Turbolader besteht hierzu aus einem Verdichter und einer Turbine, die über eine innerhalb eines Lagergehäuses gelagerte Welle miteinander verbunden sind. Im Betrieb wird die Turbine durch einen Abgasstrom in Rotation versetzt und treibt über die Welle den Verdichter an, der Luft ansaugt und verdichtet. Die verdichtete Luft wird in den Motor geleitet, wobei durch den erhöhten Druck während des Ansaugtaktes eine große Menge Luft in die Zylinder gelangt. Hierdurch steigt der zur Verbrennung von Kraftstoff benötigte Sauerstoffgehalt entsprechend an, so dass bei jedem Einlasstakt mehr Sauerstoff in den Brennraum des Motors gelangt.
Dies führt zu einer Steigerung des maximalen Drehmoments, wodurch die Leistungsabgabe, also die maximale Leistung bei konstantem Arbeitsvolumen, erhöht wird. Diese Steigerung erlaubt insbesondere den Einsatz eines leistungsstärkeren Motors mit annähernd gleichen Abmessungen oder ermöglicht alternativ eine Verringerung der Motorabmessungen, also das Erzielen einer vergleichbaren Leistung bei kleineren und leichteren Maschine.
Im Betrieb eines Turboladers rotiert die Welle bei steigender Motordrehzahl mit hoher Drehgeschwindigkeit. Durch die hohe Drehgeschwindigkeit können beispielsweise durch die Rotation der Welle hervorgerufene Schwingungen auf die Lagerkartusche übertragen werden. Um hierbei einen unerwünschten Kontakt der Lagerkartusche mit dem Lagergehäuse möglichst zu verhindern und um einen störungsfreien Betrieb eines Turboladers gewährleisten zu können, werden üblicherweise Lagereinheiten eingesetzt, die durch einen sogenannten Quetschölfilm die auftretenden Schwingungen dämpfen können. Hierzu wird Öl aus dem Motorölkreislauf in einen Zwischenraum zwischen der Lagerkartusche und dem Lagergehäuse gedrückt, wobei das entstehende Ölpolster bzw. der Quetschölfilm die Funktion des Schwingungsdämpfers übernimmt. Hierdurch können sowohl eventuell auftretende kontaktbedingte Geräusche verhindert und die Lebensdauer der einzelnen Lagerkomponenten erhöht werden.
Aus DE 3617402 A1 sind Turboladerlagerkartuschen bekannt, die ein Lager mit mehrteiligem Außenring aufweisen und in einem Trägerring angeordnet sind. Dort ist ebenfalls ein sogenannter Squeezefilm zur Vibrationshemmung ausgebildet.
Aus dem Stand der Technik sind somit Turboladerlagerkartuschen bekannt, die dank einer entsprechenden zwar leicht gehandhabt werden können ohne den Zwischenraum des Squeezefilms zu exponieren. Daran ist jedoch nachteilig, dass eine entsprechende Entkopplungsvorrichtung nötig ist, die eine Vielzahl von Teilen benötigt und daher teuer ist.
Aufgabe der Erfindung
Es ist demnach eine Aufgabe der Erfindung, eine gegenüber dem Stand der Technik leicht handhabbare Turboladerlagerkartusche zur Verfügung zu stellen, die eine geringe Bauteilanzahl. aufweist, aber gleichermaßen die üblichen Vorteile bekannter Turboladerlagerkartuschen besitzt.
Lösung der Aufgabe
Die Aufgabe der Erfindung wird bei einer Lagerkartusche der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Lageraußenring wenigstens eine Wälzkörperlaufbahn aufweist und der Trägerring im Lagergehäuse befestigbar ist.
Der Lageraußenring ist vom Trägerring radial umfasst, wobei zwischen der zylindrischen Außenfläche des Lageraußenrings und der Innenfläche des Trägerrings ein mit vibrationshemmendem Öl befüllter Zwischenraum ausgebildet ist. Hierbei handelt es ich um den sogenannten Squeezefilm, der auch während des Betriebes an möglichst allen Stellen gleichmäßige Dicke aufweisen sollte. Der Trägerring weist eine zur Ölversorgung des Zwischenraums ausgebildete Versorgungsbohrung auf, wobei die Versorgungsbohrung mit einer in Umfangsrichtung umlaufenden und wenigstens teilweise vom Lageraußenring gebildeten, ersten Nut kommunizierend verbunden ist. Damit leitet er Öl aus dem Lagergehäuse weiter radial weiter nach innen, zum Lager.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform kann die die Lagerkartusche im Lagergehäuse mittels einer radialen Spielpassung oder einer radialen Übergangspassung befestigt werden. Eine Spielpassung würde durch eine entsprechende Wahl des Außendurchmessers des Trägerrings umgesetzt werden. Bei einem Negativspiel ist der Außendurchmesser des Trägerrings geringfügig größer, als der Innendurchmesser des Lagergehäuses. Deswegen wäre ein Einpressen der Lagerkartusche zwar notwendig, würde aber auch weitere Sicherungsvorrichtungen, wie zum Beispiel, eine axiale Fixierung oder Klemmung oder eine Befestigung des Trägerrings über einen am Trägerring vorgesehenen Befestigungsflansch überflüssig machen. Sollte jedoch ein positives Radialspiel zwischen dem Trägerring und dem Lagergehäuse gefragt sein, so wäre ein derartige axiale Befestigungsmethode sinnvoll. Der Trägerring könnte Bohrungen in axialer Richtung aufweisen, die eine Verschraubung des Trägerringes mit dem Gehäuse zulassen. Alternativ könnte ein Axialanschlag an einer hohlzylindrischen Einschnürung der Lagergehäuseaufnahme in Kombination mit einem axialen Befestigungselement ebenso zur axialen Befestigung herangezogen werden. Jedoch ist bei positivem Spiel auf die Vibrationseigenschaften der Gehäuse-Lageranordnung zu achten.
Des weiteren besteht die Möglichkeit einer radialen Übergangspassung. Hierbei sind Innendurchmesser des Lagergehäuses und Außendurchmesser des Trägerrings bis auf Fertigungstoleranzen gleich groß. Somit ergibt sich eine Presspassung mit vergleichsweise geringem Kraftschluss, die eine Befestigung des Trägerringes im Lagergehäuse realisiert. Optional kann diese mit einer der zuvor erwähnten axialen Befestigungsmaßnahmen unterstützt werden.
Vorteilhafterweise wird die zur vibrationshemmenden Ölfilmausbildung erforderliche Differenz des Außendurchmessers des Lageraußenrings und des Lagergehäuseinnendurchmessers durch eine radiale Einschnürung des Trägerrings beim Einpressen desselben in das Lagergehäuse hergestellt. Damit wird die Lagerkartusche vormontierbar und kann vom Anwender vor Ort ohne besondere Lagerbaukenntnisse eingepresst werden, ohne etwaige Garantieansprüche zu verlieren.
Bei der genannten Ausführungsform ist der Innendurchmesser des Trägerrings durch eine radiale Krafteinwirkung von außen veränderlich. Daher ist für die Platzierung der Lagerkartusche im Turboladergehäuse nur eine Bohrung mit einem bestimmten Innendurchmesser notwendig, womit bei Einpressung der Lagerkartusche die notwendige Radialkraft aufgebracht wird den ganzen Trägerring und somit auch dessen Innendurchmesser radial einzuschnüren, d. h. zu stauchen. Erst dann ist der gewünschte Radialabstand zwischen Außendurchmesser des Lageraußenringes beziehungsweise mehrerer Lageraußenringe und dem Trägerring hergestellt.
Dabei wird berücksichtigt, dass die Zentrierung des Lagers innerhalb des Trägerringes grundsätzlich durch die Rotation der Welle im Betrieb erreicht wird. Hier erzeugt die Unwucht der Welle eine das Lager umlaufende nach außen gerichtete Radialkraft. Bei einer exzentrischen Lage des Lagers innerhalb des Ölfilms, wenn also der Ölfilm entlang des Umfangs eine unterschiedliche Dicke aufweist, verursacht der dickere Teil des Ölfilms einen geringeren Widerstand gegenüber der Radialkraft als der dünnere Teil. Das Lager in der Kartusche bewegt sich in Richtung des geringeren Widerstands, also des dickeren Teils des Ölfilms und kann den Dickenunterschied unter Selbstzentrierung entsprechend ausgleichen. Daher ist es wichtig, dass die Geometrie des hohlzylindrischen Zwischenraumes zur Generierung eines gleichmäßigen Ölfilms durch eine radiale Einschnürung des Trägerringes beim Einpressen desselben in ein Lagergehäuse exakt hergestellt wird.
Nunmehr ist noch die Ölversorgung für den Squeezefilm sicherzustellen. Dies wird über die erste Nut bewerkstelligt, die zumindest teilweise oder ganz in Umfangsrichtung umläuft. Idealerweise weist die erste Nut eine Ringform auf. Die erste Nut sorgt an der jeweiligen Umfangsstelle für einen Transport des Schmiermittels in Umfangsrichtung, um das Öl anschließend in den hohlzylindrischen Zwischenraum zwischen Trägerring und Außenring zu leiten, wo es beginnt axial abzuwandern.
Vorteilhafterweise ist die erste Nut an der zylindrischen Außenfläche des Lageraußenrings und/oder an der hohlzylindrischen Innenfläche des Trägerrings ausgebildet. Da es sich um einen dem Anwender unzugänglichen Bereich handelt, besteht für die erste Nut eine große Gestaltungsfreiheit, die zur Optimierung der Lagerfunktionalität beiträgt.
Auch das Lagergehäuse weist eine Bohrung zur Ölversorgung auf, die mit der ersten Nut mittelbar über eine Versorgungsbohrung des Trägerringes verbunden ist. Hierbei kann nach Bedarf festgelegt werden, ob die Versorgung des Zwischenraumes über den Trägerring vertikal (beispielsweise von oben oder von unten) oder horizontal erfolgen soll. Im Trägerring kann die genannte Versorgungsbohrung oder auch mehrere Versorgungsbohrungen an jeder Umfangsstelle eingebracht werden, um in die erste Nut zu münden. Daran ist vorteilhaft, dass der Zwischenraum, in welchem sich der Squeezefilm ausbildet, einem Anwender nicht zugänglich ist. Damit kann der Hersteller entsprechende Garantien geben, da mögliche Vibrationsprobleme, dann eindeutig werkseitig entstanden sein müssen.
Weiterhin ist die Anzahl der Versorgungsbohrungen grundsätzlich nicht begrenzt. Vorzugsweise sind entsprechend mehrere Versorgungsbohrungen im Lagergehäuse, im Trägerring und/oder in den Außenringen ausgebildet, die zur Versorgung des Ölfilms zur Verfügung stehen.
Vorteilhafterweise ist der Trägerring zum Einpressen vorteilhaft ausgestaltet, d. h. er kann einen Radialflansch oder Befestigungsflansch aufweisen, der axiale Einpresskräfte optimal übertragen kann, ohne das Lagerinnere zu belasten. Nach dem Einpressen ist die Lagerkartusche operabel.
Die Lagerkartusche beinhaltet vorteilhafterweise zumindest ein Lager mit einem Lagerinnen- und einem Lageraußenring, zwischen denen eine Anzahl von Wälzkörpern geführt ist. Die Wälzkörper sind in Wälzkörperlaufbahnen geführt, die am Außenumfang des inneren Lagerrings bzw. am Innenumfang des äußeren Lagerrings eingebracht sind. Beide Lagerringe können entweder einteilig oder zweiteilig gefertigt sein.
Das Lagergehäuse kann aus verschiedenen Materialien gefertigt sein. Aufgrund der hohen Belastungen im Betrieb eines Turboladers eignen sich hierbei insbesondere temperaturfeste und korrosionsbeständige metallische Werkstoffe.
Das Lager kann als ein Wälzlager ausgebildet sein. Hierbei ist beispielsweise eine Ausgestaltung mit innerhalb eines Käfigs gehaltenen Wälzkörpern als auch eine vollkugelige Variante ohne Käfig denkbar. Im Hinblick auf die Belastungen der Lagereinheit und unter Berücksichtigung der Betriebsverhältnisse, wie beispielsweise Temperatureinflüsse oder Korrosion, sind die Lagerringe insbesondere aus temperatur- und korrosionsbeständigen Materialien gefertigt. Hierzu eignen sich beispielsweise durchgehärtete Stähle, die eine Vickershärte von mindestens 600 HV aufweisen. Die Lagerringe weisen diese Härte insbesondere an ihrer Oberfläche bzw. an den Stellen der Wälzkörperlaufbahnen auf.
Weiterhin kann in dem Lageraußenring eine Spritzölbohrung eingebracht sein, die das Öl von der ersten Nut ausgehend in den Lagerinnenraum drückt. Das Öl kann so beispielsweise auch zur Schmierung der Lagerkomponenten genutzt werden, wobei die Position der Spritzölbohrung am Umfang frei wählbar ist.
Um den Ablauf des Öls zu gewährleisten, umfasst die Lagerkartusche üblicherweise eine Ablaufnut an ihrem Außenumfang. Diese ist mit einer im Lagergehäuse zusätzlich eingebrachten Auslassbohrung kommunizierend verbunden. Auf diese Weise kann das über die Versorgungsbohrung dem Zwischenraum zugeführte Öl kontinuierlich abfließen. Der Durchmesser des Auslasses ist hierzu vorzugsweise so dimensioniert, dass ein ungestörter Ölablauf möglich ist. Weiterhin kann das Öl zusätzlich auch in axialer Richtung außen zwischen der Lagerkartusche und dem Lagergehäuse abfließen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung mündet die Versorgungsbohrung zur Ölversorgung des Zwischenraums im Wesentlichen von unten in die erste Nut. Diese Ausgestaltung unterstützt die bereits zuvor erwähnte Selbstzentrierung der Lagerkartusche innerhalb des Lagergehäuses durch einen gleichmäßigen Ölfilm, da der Öldruck der Schwerkraft und somit dem Eigengewicht der Lagerkartusche entgegenwirkt.
Die Versorgungsbohrung ist im Lagergehäuse bevorzugt senkrecht zur Lagergehäuseachse ausgerichtet. Durch die senkrechte Ausrichtung kann eine gleichmäßige Verteilung des Öls im Zwischenraum zwischen dem äußeren Lagerring und dem Lagergehäuse und damit eine Zentrierung des äußeren Lagerrings bzw. des Lagers erreicht werden. Grundsätzlich ist eine senkrechte Ausrichtung insbesondere dann von Vorteil, wenn das Öl direkt von der Versorgungsbohrung in den Zwischenraum gelangt. In diesem Fall kann über eine senkrecht ausgerichtete Versorgungsbohrung auf einfache Weise eine gleichmäßige Verteilung des Öls entlang des Umfangs des äußeren Lagerrings erreicht werden.
Weiterhin kann die Versorgungsbohrung bevorzugt einen vom Kreisdurchmesser verschiedenen Querschnitt aufweisen und gemeinsam mit der den äußeren Lagerring auf seinem Außenumfang umlaufenden Nut als Druckverteilungskammer genutzt werden. Dies gilt beim Einsatz eines Trägerrings für diesen analog.
In einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zusätzlich eine Druckverteilungskammer zur Ölversorgung des Zwischenraums umfasst. Die Druckverteilungskammer kann hierbei beispielsweise in Form einer Aussparung im Lagergehäuse eingebracht sein. Weiterhin ist zusätzlich oder alternativ auch eine Druckverteilungskammer möglich, die sich durch eine entsprechende Form der Lagerkartusche ergibt. Hierbei kann beispielsweise der äußere Lagerring oder der Trägerring an einer Stelle seines Umfangs abgeflacht sein, so dass beim Einbau der Lagerkartusche in ein Lagergehäuse ein Freiraum an der Stelle der Abflachung entsteht, der als Druckverteilungskammer zur Verfügung steht. Die Druckverteilungskammer kann grundsätzlich flexibel am Umfang des äußeren Lagerrings oder des Trägerrings ausgebildet sein. Hierbei kann insgesamt durch die gezielte Gestaltung und Positionierung der Druckverteilungskammer die druckinduzierte Radialkraft auf die Lagerkartusche beeinflusst werden.
Zweckmäßigerweise ist die Position der Versorgungsbohrung im Lagergehäuse für eine zweite Nut im Trägerring am Umfang frei wählbar. Die zweite Nut im Trägerring ist vorzugsweise mit einem entsprechend großen Querschnitt ausgebildet, so dass kein wesentlicher Druckverlust zu verzeichnen ist. Alternativ kann die zweite Nut im Trägerring entfallen, wenn die Bohrung zur Versorgung der ersten Nut sowohl axial als auch umfangsmäßig an der gleichen Stelle wie die Versorgungsbohrung im Lagergehäuse ausgebildet ist. Die Form der Bohrung im Trägerring kann hinsichtlich ihres Querschnitts und ihrer Form beliebig gestaltet werden und von einer Kreisform abweichen.
Vorteilhafterweise ist die zweite, zumindest teilweise oder ganz in Umfangsrichtung verlaufende Nut im Trägerring ausgebildet und mit der Versorgungsbohrung des Trägerringes kommunizierend verbunden. Damit ist es möglich das Öl um das Lager herum an Stellen zu transportieren, die mit einem gewissen Ölfluss unterstützt werden müssen, um eine nachteilige Ausdünnung des Ölfilms zu verhindern. Dazu kann die zweite Nut grundsätzlich mehrere kommunizierende Verbindungen mit der ersten Nut aufweisen.
Bei allen vorgenannten Ausgestaltungen gilt, wie bereits eingangs erwähnt, dass die Anzahl der Nuten nicht begrenzt ist. Vorzugsweise entspricht die Anzahl der Nuten der Anzahl der mit ihnen kommunizierend verbundenen Versorgungsbohrungen. Zweckmäßigerweise ist weiterhin eine Nut umfasst, die mit einer Auslassbohrung für das Öl kommunizierend verbunden ist, so dass das über die oder jede Versorgungsbohrung dem Zwischenraum zugeführte Öl kontinuierlich abfließen kann. Die Lagerringe können selbstverständlich auch bei dem Einsatz eines Trägerrings ein- oder mehrteilig ausgebildet sein, so dass auch hier die Verwendung eines Federelements möglich ist.
Vorzugsweise ist der Lageraußenring zweiteilig ausgeführt, wobei die beiden Teilringe des äußeren Lagerrings axial voneinander beabstandet sind. Eine zweiteilige Ausgestaltung ermöglicht eine einfache Herstellung der Teilringe und verringert den Montageaufwand der Lagereinheit. Weiterhin können sowohl die Kosten als auch der Transportaufwand verringert werden. Die axiale Beabstandung kann beispielsweise mittels eines Federelements axial erreicht werden. Das Federelement drückt die beiden Teilringe auseinander und hält sie so federnd in der vorgesehen Position. Der axiale Abstand der Teilringe zueinander ist hierbei insbesondere durch die Vorspannung des Federelements gegeben. Das Federelement kann beispielsweise als eine metallische Spiralfeder ausgebildet sein.
In einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Lager als ein Wälzlager ausgebildet. Wälzlager eignen sich für verschiedene Lagerungsfälle und dienen insbesondere der Fixierung von Wellen, wobei sie die radialen und axialen Kräfte aufnehmen und gleichzeitig die Rotation der Welle ermöglichen. Wälzlager bestehen im Allgemeinen aus zwei Lagerringen mit integrierten Laufbahnen. Zwischen den Lagerringen sind Wälzkörper angeordnet, die sich auf den Laufbahnen abwälzen. Als Wälzkörper gängiger Lagertypen können je nach Anforderung beispielsweise Kugeln, Zylinderrollen, Nadelrollen oder Kegelrollen eingesetzt werden. Weiterhin ist eine Ausbildung mit einem die Wälzkörper führenden Käfig möglich.
Weiter bevorzugt ist das Lager als ein Gleitlager ausgebildet. Bei einer Gleitlagerung haben die beiden sich relativ zueinander bewegenden Teile direkten Kontakt und gleiten auf ihren Kontaktflächen. Eine Kontaktfläche tritt somit an die Stelle einer Wälzkörperlaufbahn des Wälzlagers, wobei auf dessen Wälzkörper völlig verzichtet wird. Der hierbei entstehende Reibwiderstand kann insbesondere durch die Erzeugung eines Schmierfilms reduziert werden. Weiterhin kann durch die Wahl reibungsarmer Materialpaarungen der sich berührenden Teile eine Verringerung des Reibwiderstands erreicht werden. Der Einsatz eines Gleitlagers zur Lagerung einer Welle eines Turboladers eignet sich beispielsweise deswegen, da das über die Versorgungsbohrungen zugeführte Öl auch zur Schmierung des Gleitlagers genutzt werden kann.
Der Trägerring kann zweckmäßigerweise kraft- oder formschlüssig im Lagergehäuse fixiert sein. Durch die kommunizierende Verbindung zwischen der Versorgungsbohrung und der den Trägerring in Umfangsrichtung umlaufenden Nut kann das Öl sich in der Nut über den Umfang des Trägerrings verteilen. An der Unterseite des Trägerrings kann das Öl über eine mit der Nut verbundene Bohrung in die Nut am Außenumfang des äußeren Lagerrings gelangen, so dass sich der Ölfilm zur Schwingungsdämpfung zwischen dem äußeren Lagerring und dem Trägerring ausbildet. Von der ersten Nut wird ein Teil. des Öls dann beispielsweise über eine mit der Nut verbundene Spritzölbohrung in den Lagerinnenraum gedrückt und steht zur Schmierung der Lagerkomponenten zur Verfügung.
Bei ein vorteilhaften Ausführungsform wird ein Form- und/oder Kraftschluss zwischen dem Trägerring und dem Lageraußenring hergestellt. Mittels dieser Verdrehsicherung werden der Trägerring und der Lageraußenring oder der Trägerring und die beiden äußeren Teilringe gegeneinander gesichert. Dazu eignen sich insbesondere Pins, Bolzen oder Buchsen. Buchsen zeichnen sich durch ihre Leichtigkeit aus und Bolzen durch ihre einfache Struktur. Dabei ist nicht unbedingt erforderlich, dass der Form- oder Kraftschluss der Verdrehsicherung sich auf das Lagergehäuse erstreckt, falls der Trägerring bereits in diesem eingepresst ist und somit kraftschlüssig gegen Verdrehung gesichert ist. Grundsätzlich stehen jedoch beide Optionen zur Verfügung, womit der Lageraußenring sowohl relativ zum Lagergehäuse und/oder relativ zum Trägerring gegen Verdrehungen gesichert werden kann.
Weitere vorteilhafte Ausbildungen und bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind der Figurenbeschreibung und/oder den Unteransprüchen zu entnehmen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben und erläutert.
Es zeigen:
1 eine in einem Gehäuse angeordnete Turboladerlagerkartusche im vertikalen Längsschnitt entlang der Rotationsachse,
2 die Turboladerlagerkartusche aus 1 in einem horizontalen Längsschnitt entlang der Rotationsachse,
3 die Turboladerlagerkartusche aus 1 in Schnittdarstellung senkrecht zur Rotationsachse,
4 eine in einem Gehäuse angeordnete Turboladerlagerkartusche mit radialem Außenflansch im vertikalen Längsschnitt entlang der Rotationsachse,
5 die Turboladerlagerkartusche aus 4 in einem horizontalen Längsschnitt entlang der Rotationsachse,
6 die Turboladerlagerkartusche aus 4 in Schnittdarstellung senkrecht zur Rotationsachse,
7 eine in einem Gehäuse angeordnete Turboladerlagerkartusche mit einer buchsenartigen Verdrehsicherung im vertikalen Längsschnitt entlang der Rotationsachse,
8 die Turboladerlagerkartusche aus 7 in einem horizontalen Längsschnitt entlang der Rotationsachse,
9 die Turboladerlagerkartusche aus 7 in Schnittdarstellung senkrecht zur Rotationsachse,
10 eine in einem Gehäuse angeordnete Turboladerlagerkartusche mit unterschiedlichen Außendurchmessern im vertikalen Längs schnitt entlang der Rotationsachse,
11 die Turboladerlagerkartusche aus 10 in einem horizontalen Längsschnitt entlang der Rotationsachse,
12 die Turboladerlagerkartusche aus 10 in Schnittdarstellung senkrecht zur Rotationsachse,
13 eine in einem Gehäuse angeordnete Turboladerlagerkartusche mit geteiltem Innenring im vertikalen Längsschnitt entlang der Rotationsachse,
14 die Turboladerlagerkartusche aus 13 in einem horizontalen Längsschnitt entlang der Rotationsachse, und
15 die Turboladerlagerkartusche aus 13 in Schnittdarstellung senkrecht zur Rotationsachse.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
1 bis 3 zeigen jeweils die gleiche Lagerkartusche für einen Turbolader in einem vertikalen, horizontalen Längsschnitt und einem Schnitt senkrecht zur Rotationsachse R, wobei die Richtung der Schwerkraft in der Vertikalen verläuft. Die Lagerkartusche ist in einem sich axial erstreckenden metallischen Lagergehäuse 15 angeordnet. Als Teil der Lagerkartusche ist als zweireihiges Schrägkugellager ausgebildet, welches einen äußeren Lagerring sowie einen inneren Lagerring 24 aufweist. Der äußere Lagerring ist mit den beiden Teilringen 13, 14 zweiteilig ausgeführt und innerhalb des Trägerrings 11 angeordnet. Als Wälzkörper sind zwischen den Lagerringen 13, 14, 24 Kugeln eingesetzt.
Zwischen der Außenfläche der äußeren Teilringe 13, 14 und dem Trägerring 11 ist ein Zwischenraum in Form eines ringförmigen Spalts mit einem Ölfilm ausgebildet. Der Ölfilm wird im eingebauten Zustand über zwei Versorgungsbohrungen 25 mit Öl versorgt. Hierzu sind beide Versorgungsbohrungen 25 jeweils mit den äußeren Teilringen 13, 14 mit einem Außenumfang umlaufenden, ersten Nuten 23 kommunizierend verbunden.
Weiterhin bieten die äußeren Teilringe 13, 14 mittig genügend Platz, sodass das Öl des Ölfilms umfänglich ablaufen und gegebenenfalls über eine Ablaufnut 35 in die Auslassbohrung 26 gelangen kann, deren Durchmesser so dimensioniert ist, dass ein störungsfreier Ölablauf stattfindet und ein gleichbleibender Ölfilm sichergestellt werden kann. Zusätzlich fließt das Öl auch in axialer Richtung, außen zwischen dem äußeren Teilringen 13, 14 und dem Trägerring 11 ab.
Die beiden Teilringe 13, 14 des äußeren Lagerrings sind mittels eines als eine metallische Spiralfeder ausgebildeten Federelements 40 axial voneinander beabstandet, so dass die beiden Teilringe 13, 14 federnd in der vorgesehenen Position gehalten werden.
Die Lagerkartusche weist einen formschlüssig und gegebenenfalls auch kraftschlüssig im Lagergehäuse fixierten Trägerring 11 aus einem metallischen Werkstoff auf. In dem Trägerring 11 ist das Lager aufgenommen. Der Trägerring 11 ist an seinem Außenumfang mit zwei umlaufenden, zweiten Nuten 22 versehen, die mit den Versorgungsbohrungen 20 des Lagergehäuses 15 kommunizierend in Verbindung stehen. Nach dem Einsetzen, beziehungsweise bei zusätzlichem Kraftschluss nach dem kraftschlüssigen Einpressen, der Kartusche, bestehend aus dem Trägerring 11 mit enthaltenem Turboladerlager, stößt der Trägerring 11 axial an die radiale Verengung 28 an und wird in die axiale Gegenrichtung durch die Fixierscheibe 27 axial gekontert, bzw. axial festgesetzt. Gegebenenfalls wird der Innenradius des Trägerringes 11 radial gestaucht, womit der radiale Abstand zur Außenfläche der Teilringe 13, 14 derart dimensioniert wird, so dass ein vibrationshemmender Ölfilm bei gegebenem Ölfluss entstehen kann.
Die Ausbildung des Ölfilms wird dadurch unterstützt, dass sowohl im Außenumfang der Teilringe 13, 14, als auch im Außenumfang des Trägerrings 11 zweite Nuten 22 eingebracht sind. In den zweiten Nuten 22 verteilt sich das Öl über den Umfang des Trägerrings 11. An der Oberseite des Trägerrings 11 oder alternativ an einer anderen Umfangsstelle (z. B. unten) sind die zweiten Nuten 22 gegebenenfalls mittels Bohrungen mit den ersten Nuten 23 verbunden, wobei das Öl zuerst in die zweiten Nuten 22 am Außenumfang der Teilringe 13, 14 des äußeren Lagerrings gelangt, um umfänglich umverteilt zu werden und gegebenenfalls an einer Umfangsstelle weiter radial zu den ersten Nuten 23 geleitet wird. Der Ölfilm bildet sich also im Zwischenraum zwischen den äußeren Teilringen 13, 14 und dem Trägerring 11 aus.
Weiterhin wird das Öl von den ersten Nuten 23 in den Teilringen 13, 14 über jeweils eine Spritzölbohrung 30 in den Lagerinnenraum gedrückt und steht zur Schmierung der Lagerkomponenten zur Verfügung. Der Ablauf des Öls wird über eine im Lagergehäuse 15 eingebrachten Auslassbohrung 26 gewährleistet.
Der Bolzen 17 stellt als Drehsicherung einen Formschluss zwischen Trägerring, Gehäuse 15 und den Teilringen 13, 14 her. Bei einem Bolzen 17 mit kreisförmigem Querschnitt wird durch die Winkelverhältnisse im Kontaktpunkt bei der Abstützung des Reibmomentes eine Axialkraftkomponente eingeleitet, deren Betrag vom Reibmoment abhängt. Mit anderen Worten, bei höheren Drehzahlen ist zu erwarten, dass das Reibmoment und damit die Axialkraft auf der Wellenaxialkraftabgewandten Seite steigt, was die mit Drehzahl und Reibmoment steigende Schlupfgefahr reduziert.
Zur verdrehsicheren Positionierung der Lagerkartusche ist weiterhin ein mit dem Lagergehäuse 15 gehäusefest verbundener Bolzen 17 umfasst, der in einer Bohrung im Trägerring 11 angeordnet ist.
4 bis 6 zeigen jeweils die gleiche, zweite Lagerkartusche für einen Turbolader in einem vertikalen, horizontalen Längsschnitt und einem Schnitt senkrecht zur Rotationsachse R, wobei die Richtung der Schwerkraft in der Vertikalen verläuft. Die Lagerkartusche ist in einem sich axial erstreckenden metallischen Lagergehäuse 16 angeordnet.
Der Pin 18 ist massiv und trägerfest in der Kartusche verankert. Damit wird ein Formschluss zwischen Trägerring 12 und den Teilringen 13, 14 hergestellt. Eine besondere Bearbeitung des Gehäuses 16 zur Anbringung einer Verdrehsicherung ist nicht erforderlich. Diese wird entweder durch den Kraftschluss des Trägerringes 12 mit dem Inneren des Gehäuses 16 und/oder durch eine Fixierung des Außenflansches 19 am Gehäuse 16, zum Beispiel mittels Schrauben oder ähnlichen Befestigungsmitteln (nicht abgebildet) bewerkstelligt.
Der Pin 18 kann somit zusammen mit der gesamten Kartusche werkseitig vorinstalliert werden und als Transportsicherung dienen, die die Kartusche derart zusammenhält, dass sie ohne großen Aufwand eingesteckt und am Außenflansch 29 festgeschraubt wird. Ein Einpressen der Kartusche mit Spielpassung oder Überganspassung führt zu einem zusätzlichen Kraftschluss. Ist dieser groß genug, so erübrigt sich das Verschrauben beziehungsweise der Befestigungsflansch 29.
Während des Betriebes hat der Pin 18 die Aufgabe axiale Kräfte, die über den Innenring 24 eingeleitet und über den Wälzkörper auf den äußeren Teilring 13, 14 übertragen werden, abzustützen. Dadurch wird eine Verkippung der äußeren Teilringe 13, 14 verhindert.
Die weitere detaillierte Beschreibung der einzelnen Komponenten der Lagereinheit kann insbesondere der Beschreibung zu den 1 bis 3 entnommen werden.
7 bis 9 zeigen jeweils die gleiche, dritte Lagerkartusche für einen Turbolader in einem vertikalen, horizontalen Längsschnitt und einem Schnitt senkrecht zur Rotationsachse R, wobei die Richtung der Schwerkraft in der Vertikalen verläuft. Die Lagerkartusche ist in einem sich axial erstreckenden metallischen Lagergehäuse 16 angeordnet.
Die Buchsen 19 ermöglichen durch ihre hohlzylindrische Form einen ungestörten Ölabfluss, wobei die Buchsen 19 weiterhin die gleichen Funktionen wahrnehmen, wie auch der Pin 18 aus 4. Allerdings wird durch den Einsatz zweier diametral gegenüberliegender Buchsen 19 verhindert, dass Axialkräfte zu einer Verkippung der äußeren Teilringe 13, 14 innerhalb des Trägerringes 12 führen, indem eine Axialkraft, die am Innenring 24, über die Kugeln auf die Teilringe 13, 14 übertragen wird, zumindest an zwei Umfangsstellen in den Trägerring 12 ableitbar ist.
Die weitere detaillierte Beschreibung der einzelnen Komponenten der Lagereinheit kann insbesondere der Beschreibung zu den 1 bis 3 beziehungsweise 4 bis 6 entnommen werden.
10 bis 12 zeigen jeweils die gleiche, vierte Lagerkartusche für einen Turbolader in einem vertikalen, horizontalen Längsschnitt und einem Schnitt senkrecht zur Rotationsachse R, wobei die Richtung der Schwerkraft in der Vertikalen verläuft. Die Lagerkartusche ist in einem sich axial erstreckenden metallischen Lagergehäuse 16 angeordnet.
Die weitere detaillierte Beschreibung der einzelnen Komponenten der Lagereinheit kann insbesondere der Beschreibung zu den 1 bis 3 beziehungsweise 7 bis 9 entnommen werden.
13 bis 15 zeigen jeweils die gleiche, fünfte Lagerkartusche für einen Turbolader in einem vertikalen, horizontalen Längsschnitt und einem Schnitt senkrecht zur Rotationsachse R, wobei die Richtung der Schwerkraft in der Vertikalen verläuft. Die Lagerkartusche ist in einem sich axial erstreckenden metallischen Lagergehäuse 16 angeordnet.
Der Außenring 34 ist einstückig und der Innenring als zwei innere Teilringe 31, 32 ausgeführt. Dabei kann eine Federvorspannung unterbleiben. Jedoch ist der Fluss des ablaufenden Öls hierdurch behindert, weshalb eine weitere Ablaufnut 36 am einteiligen Lageraußenring 34 notwendig ist. Somit kann das Öl immer axial abwandern bis es in eine der Ablaufnuten 35, 36 gelangt und durch die untere Buchse 19 schließlich in die Auslassbohrung 26 fließen.
Ferner ist der Trägerring 33, wie auch im vorhergehenden Ausführungsbeispiel, ausschließlich kraftschlüssig befestigt, benötigt also keine weiteren Befestigungsmittel. Die Stärke des Kraftschlusses ist grundsätzlich, wie bereits angedeutet, durch eine Anpassung des Negativspiels möglich, jedoch können auch auf der Außenfläche des Trägerrings 33 kraftschlüssige Bereiche 37, wie zum Beispiel vier ringförmige, kraftschlüssige Bereiche 37, mit einem bestimmten Außendurchmesser vorgesehen werden. Über die axiale Ausdehnung der ringförmigen Bereiche ist die Befestigungskraft regulierbar und kann gemäß der im Turboladerbetrieb erforderlichen Haltekraft eingestellt werden. Auch die Anzahl der kraftschlüssigen Bereiche ist variierbar.
Aufgrund der genauen Festlegbarkeit des Kraftschlusses und damit der zur Einpressung notwendigen Kraft ist die Stirnseite des Trägerrings 33 bündig mit der Stirnseite des Gehäuses 16 einpressbar. Da die Referenzflächen leicht anlegbar sind wird die Installation dadurch deutlich erleichtert.
Die weitere detaillierte Beschreibung der einzelnen Komponenten der Lagereinheit kann insbesondere der Beschreibung der 1 bis 3 beziehungsweise 10 bis 12 entnommen werden.
Zusammenfassend betrifft die Erfindung eine Lagerkartusche für einen Turbolader, umfassend einen in ein Lagergehäuse 15, 16 einpressbaren Trägerring 11, 12, 33 und einen vom Trägerring 11, 12, 33 radial umfassten Lageraußenring 13, 14, 34, wobei zwischen der zylindrischen Außenfläche des Lageraußenrings 13, 14, 34 und der hohlzylindrischen Innenfläche des Trägerrings 11, 12, 33 ein mit Öl befüllter Zwischenraum ausgebildet ist und der Trägerring 11, 12, 33 eine zur Ölversorgung des Zwischenraums ausgebildete Versorgungsbohrung 25 aufweist, wobei die Versorgungsbohrung 25 mit einer in Umfangsrichtung umlaufenden und wenigstens teilweise vom Lageraußenring gebildeten, ersten Nut 23 kommunizierend verbunden ist. Es soll eine nutzerfreundliche, transportable und werkseitig von installierbare Turboladerlagerkartusche angegeben werden. Dies wird dadurch gelöst, dass der Lageraußenring 13, 14, 34 wenigstens eine Wälzkörperlaufbahn aufweist und der Trägerring 11, 12, 33 im Lagergehäuse befestigbar ist. Das Ergebnis ist eine leistungsfähige, werkseitig vormontierbare Turboladerlagerkartusche mit einer geringen Bauteilanzahl.
Bezugszeichenliste

R: Rotationsachse
X: Horizontalachse
Y: Vertikalachse
11: Trägerring
12: Trägerring
13: äußerer Teilring
14: äußerer Teilring
15: Lagergehäuse
16: Lagergehäuse
17: Bolzen
18: Pin
19: Buchse
20: Versorgungsbohrung
22: zweite Nut
23: erste Nut
24: Lagerinnenring
25: Bohrung
26: Auslassbohrung
27: Fixierscheibe
28: radiale Verengung
29: Außenflansch
30: Spritzölbohrung
31: innerer Teilring
32: innerer Teilring
33: Trägerring
34: Lageraußenring
35: Ablaufnut
36: Ablaufnut
37: kraftschlüssiger Bereich
40: Federelement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3617402 A1 [0005]

Claims

Lagerkartusche für einen Turbolader, aufweisend einen in einem Lagergehäuse (15, 16) befestigbaren Trägerring (11, 12, 33) und einen vom Trägerring (11, 12, 33) radial umfassten, wenigstens eine Wälzkörperlaufbahn aufweisenden Lageraußenring (13, 14, 34), wobei zwischen der zylindrischen Außenfläche des Lageraußenrings (13, 14, 34) und der Innenfläche des Trägerrings (11, 12, 33) ein mit vibrationshemmenden Öl befüllter Zwischenraum ausgebildet ist und der Trägerring (11, 12, 33) eine zur Ölversorgung des Zwischenraums ausgebildete Versorgungsbohrung (25) aufweist, wobei die Versorgungsbohrung (25) mit einer in Umfangsrichtung umlaufenden und wenigstens teilweise vom Lageraußenring (13, 14, 34) gebildeten, ersten Nut (23) kommunizierend verbunden ist.
Lagerkartusche nach Anspruch 1, wobei der Trägerring (11, 12, 33) im Lagergehäuse (15, 16) mittels einer radialen Spielpassung oder einer radialen Übergangspassung befestigbar ist.
Lagerkartusche nach Anspruch 2, wobei der Lageraußenring (13, 14, 34) einen Außendurchmesser und der Trägerring (11, 12, 33) einen Innendurchmesser aufweisen, wobei die zur vibrationshemmenden Ölfilmausbildung erforderliche Differenz der beiden Durchmesser durch eine radiale Einschnürung des Trägerringes (11, 12, 33) beim Einpressen desselben in ein Lagergehäuse (15, 16) herstellbar ist.
Lagerkartusche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Trägerring (12) einen Befestigungsflansch (19) zur Befestigung am Lagergehäuse (16) aufweist.
Lagerkartusche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Nut (23) an der zylindrischen Außenfläche des Lageraußenrings (13, 14, 34) und/oder an der Innenfläche des Trägerrings (11, 12, 33) ausgebildet ist.
Lagerkartusche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine in die erste Nut (23) mündende Spritzölbohrung in den Lageraußenring (13, 14, 34) eingebracht ist.
Lagerkartusche nach Anspruch 6, wobei die Lagerkartusche ein als Wälzlager, insbesondere als mehrreihiges Wälzlager, ausgebildetes Lager aufweist und die Spritzölbohrung zur Ölversorgung von abrollbaren Wälzkörpern des Wälzlagers vorgesehen ist.
Lagerkartusche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine zweite, zumindest teilweise in Umfangsrichtung verlaufende Nut (22) im Trägerring (11, 12, 33) ausgebildet und mit der Versorgungsbohrung (25) kommunizierend verbunden ist.
Lagerkartusche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Lagerinnenring (24) einteilig und der Lageraußenring zweiteilig ausgeführt sind, und die beiden äußeren Teilringe (13, 14) axial, insbesondere mittels eines Federelementes (40), voneinander beabstandet sind.
Lagerkartusche nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, wobei der Lageraußenring (34) einteilig und der Lagerinnenring (31, 32) zweiteilig ausgeführt ist.
Lagerkartusche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Trägerring (11, 12, 33) und der Lageraußenring (34) oder der Trägerring (11, 12, 33) und die beiden äußeren Teilringe (13, 14) mittels einer Verdrehsicherung (17, 18, 19), insbesondere durch einen Pin (18), einen Bolzen (17) oder eine Büchse (19), gegen eine Verdrehung zueinander gesichert sind.
Lagerkartusche nach Anspruch 12, wobei der Lageraussenring (13, 14, 34) relativ zum Lagergehäuse (15) und/oder relativ zum Trägerring (12, 33) gegen Verdrehungen gesichert ist.