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Die Erfindung betrifft einen Turbolader für ein Kraftfahrzeug sowie ein Montageverfahren für einen Turbolader. Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Turbolader mit einer Welle auszubilden, die durch zwei in einer Hülse angeordnete Kugellager gelagert ist. Dies hat gegenüber der Verwendung hydrodynamischer Gleitlager den Vorteil, dass deutlich bessere Ansprechzeiten erzielt werden können, was wiederum zu einer höheren Beschleunigung eines den Turbolader aufweisenden Fahrzeugs beiträgt.
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Kugellagergelagerte Turbolader haben jedoch den Nachteil, dass die Montage relativ schwierig ist. Die Lager müssen üblicherweise mittels eines Presssitzes auf der Welle montiert werden. Zumindest eines der Lager muss aufgepresst werden, nachdem die Achse in die Hülse eingebracht wurde. Mit dem Aufpressen der Lager ist ein erheblicher Aufwand und somit auch erhebliche Kosten verbunden. Zusätzlich führen die Presssitze zu relativ großen Durchmessern der Kugelbahnen und somit zu relativ großen Trägheitsmomenten.
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Aus Dokument
DE 10 2004 057 138 A1 ist beispielsweise ein Abgasturbolader für einen Verbrennungsmotor bekannt, wobei das Verdichterrad auf der Welle sitzt, das Turbinenrad durch Schweißen mit der Welle verbunden und eine Lagerung für die Welle mit zwei Radiallagern vorgesehen ist. Bei einer Ausführung befindet sich die Schweißstelle zwischen den beiden Lagern und ist in der Umgebung der Lagerung angeordnet, wobei eines der beiden Lager auf einem Wellenabsatz auf der Turbinenseite und das zweite Lager auf der Welle auf der Verdichterseite angeordnet ist.
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Auch die Druckschrift
DE 10 2010 054 939 A1 zeigt eine Lageranordnung für einen Abgasturbolader mit einem innerhalb eines Lagergehäuses angeordneten Wälzlager mit einem äußeren Lagerring und einer Anzahl von Wälzkörpern, sowie eine innerhalb des Lagergehäuses drehbar gelagerte Welle. Hierbei wird auf die Anordnung innerer Lagerringe verzichtet und stattdessen vorgesehen, dass die Wälzkörperlaufbahnen zur Führung der Wälzkörper unmittelbar auf der Welle angeordnet sind. Die äußeren Lagerringe sind mittels eines zwischen ihnen angeordneten vorgespannten Federelements voneinander beabstandet.
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Aufgabe der Erfindung ist es, zumindest einige der oben beschriebenen Probleme zu lösen oder abzumildern.
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Diese Aufgabe wird durch einen Turbolader nach Anspruch 1 sowie ein Montageverfahren nach Anspruch 10 gelöst. Optionale weitere Merkmale sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
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Der erfindungsgemäße Turbolader weist einen Kompressor, eine Turbine, eine Welle und mindestens zwei Kugellager auf. Die Welle weist einen ersten Wellenteil und einen zweiten Wellenteil auf, die miteinander verbunden sind. Der erste Wellenteil ist mit der Turbine ausgestattet. Die Turbine kann entweder mit dem ersten Wellenteil verbunden, beispielsweise verschweißt oder verlötet, oder integral mit dem ersten Wellenteil ausgebildet sein. Der zweite Wellenteil ist mit dem Kompressor ausgestattet. Der Kompressor kann entweder mit dem zweiten Wellenteil verbunden, beispielsweise verschweißt oder verlötet, oder integral mit dem zweiten Wellenteil ausgebildet sein.
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Die Welle ist in den beiden Kugellagern gelagert. Ein erstes der Kugellager nimmt den ersten Wellenteil auf, und ein zweites Kugellager nimmt den zweiten Wellenteil auf. Die beiden Lager sind in einer beide Lager aufnehmenden Hülse angeordnet. Die Hülse kann für beide Kugellager jeweils eine auf der Innenseite der Hülse integrierte äußere Laufrinne aufweisen.
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Durch die Ausbildung der Welle aus zwei miteinander verbundenen Teilen wird die Montage des Turboladers deutlich vereinfacht. Zur Anordnung der beiden Lager in einer Hülse, wird das erste Lager zusammen mit dem ersten Teil von einer ersten Seite in die Hülse eingeschoben und das zweite Lager wird zusammen mit dem zweiten Teil von der gegenüberliegenden zweiten Seite aus in die Hülse eingeschoben.
Um ein Einschieben von beiden Seiten zu erlauben, wäre es im Stand der Technik erforderlich, Presssitze der Lager zu verwenden und diese nach dem Einbringen der Welle in die Hülse einzupressen. Dies ist deutlich aufwendiger.
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Die beiden Wellenteile können mittels einer lösbaren Verbindung oder einer unlösbaren Verbindung aneinander befestigt sein. Beispielsweise kann einer der beiden Wellenteile ein axiales Loch (vorzugsweise Sackloch) mit einem Innengewinde aufweisen, wobei der andere Wellenteil ein Außengewinde aufweist und in das Innengewinde eingeschraubt ist. Die Gewinderichtung ist hierbei vorzugsweise so gewählt, dass im Betrieb die üblicherweise wirkenden Kräfte die beiden Wellen fester ineinanderschrauben. Die beiden Wellenteile können zusätzlich auch miteinander verpresst sein, um ein Lösen beider Wellenteile besonders zuverlässig zu verhindern. Eine Verpressung beider Wellenteile kann auch dann vorgesehen sein, wenn die Wellenteile nicht mit einem Gewinde ausgestattet sind.
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Die beiden Wellenteile können auch über eine konische Verbindungsfläche miteinander verbunden sein. Auch ein Verkleben, Verschweißen oder Verlöten beider Wellenteile kann vorgesehen sein. Es ist sogar möglich, dass beide Wellenteile eine Verzahnung aufweisen und über die ineinandergreifenden Verzahnungen eine Verbindung zwischen beiden Wellenteilen besteht. Ebenso kann die Verbindung durch einen Verbindungssplint bewirkt sein. Auch andere dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannte Wellenverbindungen können verwendet werden. Die beiden Wellenteile sind jedoch einzeln ausgebildet, d.h., die Welle ist nicht als ein einziges Teil gefertigt, sondern besteht aus zwei nachträglich miteinander verbundenen Teilen.
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Mindestens eines der Lager kann eine innenseitige Laufrinne aufweisen, die integraler Bestandteil der Welle ist, d.h., die Laufrinne kann in die Außenseite der Welle eingeformt sein.
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Vorzugsweise können beide Wellenteile jeweils eine Laufrinne für jeweils eines der Kugellager aufweisen. Bei in der Welle integrierten Laufrinnen kann ein separater innerer Ring des Lagers vermieden und somit Kosten eingespart werden. Auch kann eine aufwendige Verbindung des inneren Lagerrings auf der Welle mittels eines Presssitzes entfallen.
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Die Hülse kann in einem Lagergehäuse angeordnet sein, in dem auch eine Schmiermittelzufuhr für die Lager integriert sein kann. Zwischen der Hülse und dem Lagergehäuse kann ein Spalt ausgebildet sein, der mit Schmiermittel, vorzugsweise Öl, gefüllt ist. Durch diesen können mechanische Erschütterungen abgedämpft werden, wodurch die Lebensdauer des Turboladers erhöht wird.
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Die Hülse kann aus einem anderen Material als das Lagergehäuse bestehen. Die Hülse kann ein mechanisch besonders belastbares Material wie beispielsweise eine Chrom Molybdän Legierung aufweisen. Das Lagergehäuse ist mechanisch weniger beansprucht und kann daher aus einem günstigeren Material, beispielsweise aus einem herkömmlichen Stahl, ausgebildet sein. Beispielsweise kann das Lagergehäuse aus einem zum Sandgießen geeigneten Material ausgebildet sein, um eine besonders einfache Herstellung zu ermöglichen.
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Ein Durchmesser der Kugelbahnen der Kugellager kann beispielsweise 14 mm oder weniger betragen. Vorzugsweise ist der Durchmesser kleiner gleich 13,5 mm und besonders vorzugsweise kleiner gleich 13 mm. Die angegebenen Durchmesser sind auf die Bahn bezogen, auf der die Kugelmittelpunkte laufen, und beträgt somit weniger als ein Durchmesser der äußeren Kugelbahnen und mehr als der Durchmesser der inneren Kugelbahnen. Ein Unterschied der Größe des Durchmessers der Kugelbahnen von einem Außendurchmesser der Welle am Ort der Kugellager kann kleiner gleich 3,5 mm, vorzugsweise kleiner gleich 3 mm und besonders vorzugsweise kleiner gleich 2,5 mm sein. Der Unterschied kann sogar kleiner gleich 2 mm sein. Bei der Bestimmung des Unterschieds wird - soweit vorhanden - ein auf der Welle angeordneter Presssitz des Lagers nicht als Bestandteil der Welle verstanden, d.h. ist ein Presslager vorhanden entspricht der Durchmesser der Welle am Ort des Lagers dem Innendurchmesser (also dem Durchmesser der der Welle zugewandten Seite) des Presssitzes.
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Der geringe Durchmesser sorgt dafür, dass beispielsweise ein die Lager beinhaltendes Lagergehäuse platzsparend ausgebildet werden kann. Außerdem führt ein geringer Durchmesser zu einem geringen Trägheitsmoment. Das Massenträgheitsmoment der Lager kann im Vergleich zu herkömmlichen Turboladern um etwa 5% bis 10% reduziert werden. Die geringen Trägheitsmomente verbessern das Ansprechverhalten des Turboladers.
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Der Turbolader kann eine Vorspannvorrichtung aufweisen, mittels der die Kugellager vorgespannt werden. Hierdurch wird eine höhere Lagersteifigkeit erzielt, d.h., die Verformung der Lager im Betrieb wird verringert. Eine Laufruhe der Lager wird verbessert und eine Lebensdauer erhöht. Die Vorspannvorrichtung kann im Lagergehäuse befestigt oder integriert sein. Die Vorspannvorrichtung kann die Vorspannung beispielsweise mittels mindestens einer Feder erzeugen.
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Zusätzlich zu einem Turbolader betrifft die Erfindung auch ein Montageverfahren für einen Turbolader, der wie vorangehend beschrieben ausgebildet sein kann.
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Bei dem Montageverfahren wird zunächst eine Hülse in einem Lagergehäuse angeordnet. Anschließend wird ein erster Wellenteil in die Hülse eingebracht, wobei das erste Kugellager innerhalb der Hülse angeordnet wird. Der erste Wellenteil ist mit der Turbine ausgestattet. Ebenfalls anschließend wird ein zweiter Wellenteil in die Hülse eingebracht, wobei das zweite Kugellager in der Hülse angeordnet wird. Das Einbringen des zweiten Wellenteils kann nach dem Einbringen des ersten Wellenteils erfolgen. Der zweite Wellenteil ist mit dem Kompressor ausgestattet. Beide Wellenteile werden in der Hülse miteinander verbunden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
- 1 einen Ausschnitt einer ersten Ausführungsform eines Turboladers,
- 2 einen Querschnitt des Turboladers aus 1 entlang der Welle,
- 3 einen Querschnitt mit der gleichen Schnittebene wie in 2 für eine zweite Ausführungsform eines Turboladers,
- 4 einen Querschnitt mit der gleichen Schnittebene wie in 3 für eine dritte Ausführungsform eines Turboladers,
- 5 einen Querschnitt der ersten Ausführungsform eines Turboladers vor dem Einsetzen der Hülse in das Lagergehäuse,
- 6 einen der 5 entsprechenden Querschnitt nach dem Einsetzen der Hülse und vor dem Montieren des ersten Wellenteils,
- 7 einen der 6 entsprechenden Querschnitt nach dem Einbringen des ersten und vor dem Einbringen des zweiten Wellenteils,
- 8 einen der 7 entsprechenden Querschnitt nach dem Einbringen des zweiten Wellenteils und
- 9 ein Querschnitt durch eine vierte Ausführungsform eines Turboladers.
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In 1 ist ein Ausschnitt eines Turboladers 1 dargestellt. In dem Ausschnitt ist eine Welle 2 zu erkennen, der über zwei Kugellager 3, 4 in einer Hülse 5 gelagert angeordnet ist. Die Welle ist in einen ersten Wellenteil 6 und einen zweiten Wellenteil 7 unterteilt. Der erste Wellenteil 6 weist eine erste Vertiefung 8 auf, die eine innere Kugelbahn des ersten Kugellagers 3 bildet. Das zweite Wellenteil 7 weist eine zweite Vertiefung 9 auf, die eine innere Kugelbahn für das zweite Kugellager 4 bildet. In die Hülse 5, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einer Chrom Molybdän Legierung besteht, sind innenseitige Vertiefungen 10, 11 eingearbeitet, die jeweils eine äußere Kugelbahn für jeweils eines der Kugellager 3, 4 bilden. Zwischen der ersten Vertiefung 8 und der innenseitigen Vertiefung 10 bzw. zwischen der zweiten Vertiefung 9 und der innenseitigen Vertiefung 11 befinden sich jeweils Kugeln 17, die in einem Kugelkäfig 18 angeordnet sind.
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Der erste Wellenteil 6 ist integral mit der Turbine 12 ausgebildet. In alternativen, nicht dargestellten Ausführungsformen können die Turbine 12 und der erste Wellenteil 6 jedoch auch separat ausgebildet und aneinander befestigt sein. Der zweite Wellenteil 7 ist mit einem nicht dargestellten Kompressor verbunden.
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Die beiden Wellenteile 6, 7 sind in einem Verbindungsbereich 13 miteinander verbunden, wobei Details der Verbindung eines ersten Ausführungsbeispiel des Turboladers der 2 zu entnehmen sind.
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In 2 ist dargestellt, dass der erste Wellenteil 6 eine gestufte Sacklochbohrung 14 aufweist, die mit einem Innengewinde 15 ausgestattet ist. Der zweite Wellenteil 7 weist bereichsweise ein Außengewinde 16 auf, das mit dem Innengewinde 15 des ersten Wellenteils 6 verschraubt ist, wodurch die beiden Wellenteile miteinander verbunden sind. Um zuverlässig zu verhindern, dass sich die Schraubverbindung im Betrieb löst, sind die beiden Wellenteile 6, 7 zusätzlich durch eine Pressverbindung 32, einen sogenannten „Press fit“, miteinander verbunden.
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In 3 ist ein Ausschnitt einer alternativen Ausführungsform eines Turboladers dargestellt, wobei sich diese Ausführungsform von der Ausführungsform aus 2 dahingehend unterscheidet, dass die Sacklochbohrung 14' mit Innengewinde 15' in den zweiten Wellenteil 7 eingebracht sind, während der erste Wellenteil 6 das Außengewinde 16' aufweist.
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In 4 ist ein Ausschnitt einer dritten Ausführungsform eines Turboladers dargestellt, wobei sich diese Ausführungsform ebenfalls hinsichtlich der Verbindung zwischen dem ersten Wellenteil 6 und dem zweiten Wellenteil 7 von den vorangehenden Ausführungsformen unterscheidet. In der Ausführungsform der 4 weist der erste Wellenteil 6 eine Durchgangsbohrung 23 auf. Der zweite Wellenteil 7 ist mit einem Endbereich 19 ausgebildet, der durch die Durchgangsbohrung 23 hindurchgesteckt ist. Am Ende 20 des Endbereichs 19 weist der zweite Wellenteil 7 ein Außengewinde 21 auf, auf dem zwecks Befestigung des zweiten Wellenteils 7 am ersten Wellenteil 6 eine Mutter 22 aufgeschraubt ist.
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Die Montage des Turboladers wird nachfolgend anhand der 5 bis 8, in denen das Ausführungsbeispiel aus 1 dargestellt ist, erläutert. In diesen Figuren ist zusätzlich zu den vorangehend bereits erwähnten Komponenten ein Lagergehäuse 24 dargestellt, welches ein Schmiermitteldepot 25 aufweist.
Bei der Montage wird zunächst die Hülse 5 in das Lagergehäuse 24 eingeschoben. Dies ist in 5 durch den Pfeil 26 angedeutet. Wie durch den Pfeil 27 in 6 dargestellt, wird anschließend der erste Wellenteil 6 in die Hülse 5 eingeschoben. Schlussendlich wird, wie durch den Pfeil 28 in 7 dargestellt, der zweite Wellenteil 7 von der dem ersten Wellenteil 6 abgewandten Seite in die Hülse 5 eingeschoben und innerhalb dieser mit dem ersten Wellenteil 6 verschraubt.
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In 8 ist die fertige Anordnung aus Hülse 5, den Wellenteilen 6, 7, dem Lagergehäuse 24 und der Turbine 12 dargestellt. Auch hier ist der Kompressor, der mit dem zweiten Wellenteil 7 direkt oder indirekt verbunden ist, nicht mit dargestellt.
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In 9 ist eine vierte Ausführungsform eines Turboladers dargestellt. Gemäß dieser Ausführungsform ist eine als Feder 29 ausgebildete Vorspannvorrichtung vorgesehen. Hierdurch werden unter anderem die Laufruhe und die Lebensdauer des Turboladers deutlich verbessert.
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In dieser Figur sind außerdem beispielhaft die Durchmesser der Kugelbahn (hiermit ist in diesem Zusammenhang die Bahn gemeint, auf der die Kugelmittelpunkte laufen, dieser Durchmesser wird auch als „Pitch Circle Diameter“, kurz „PCD“ bezeichnet) und der Welle im Bereich der Lager skizziert. Der Durchmesser 30 der Welle im Bereich der Kugellager beträgt etwa 11 mm und der Durchmesser 31 der Kugelbahn ungefähr 12,5 mm, d.h. der Durchmesser der Kugelbahn ist nur 1,5 mm größer als der Durchmesser der Welle. Im Stand der Technik, in dem Presslager erforderlich sind, wäre der Durchmesser der Kugelbahn um etwa 2,5 mm größer. Die würde zu einem um etwa 5-10% höheren Trägheitsmoment führen. Durch das somit besonders niedrige Trägheitsmoment der dargestellten Ausführungsformen von Turboladern, weisen diese ein besonders gutes Ansprechverhalten auf, d.h. die Drehgeschwindigkeit des Turboladers passt sich einer veränderten Motorleistung sehr schnell an.
