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HINTERGRUND
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Turbolader werden gemeinhin für eine Vielzahl von Verbrennungsmotoren verwendet, um den Luftstrom zum Motor zu erhöhen. Herkömmliche Turbolader werden durch überschüssige Abgaswärme und -gase angetrieben, die durch ein Abgasturbinengehäuse auf ein Turbinenrad gezwungen werden. Das Turbinenrad ist durch eine gemeinsame Turbowelle mit einem Verdichterrad verbunden. Wenn die Abgase auf das Turbinenrad treffen, drehen sich beide Räder gleichzeitig. Die Drehung des Verdichterrads saugt Luft durch ein Verdichtergehäuse ein, was Druckluft in die Motorzylinder zwingt, um eine verbesserte Motorleistung und Treibstoffeffizienz zu erreichen. Turbolader für variable Geschwindigkeits-/Lastanwendungen sind typischerweise für eine maximale Effizienz bei Drehmomentspitzengeschwindigkeit dimensioniert, um einen ausreichenden Ladedruck zu erreichen, um das Spitzendrehmoment zu erreichen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Eine Ausführungsform der Erfindung kann daher ein Walzenlagerungssystem für einen Turbolader umfassen, das umfasst: eine sich frei drehende Turbowelle, eine Turbine, die mit einem Ende der Turbowelle verbunden ist, einen Verdichter, der mit einem gegenüberliegenden Ende der Turbowelle verbunden ist, eine erste schräge Kontaktfläche, die an der Turbowelle ausgebildet ist, wobei die erste schräge Kontaktfläche unter einem ersten Winkel in einer ersten Richtung schräg gestellt ist, eine zweite schräge Kontaktfläche, die an der Turbowelle ausgebildet ist, wobei die zweite schräge Kontaktfläche unter einem zweiten Winkel schräg gestellt ist, wobei der zweite Winkel im Wesentlichen gleich dem und in einer entgegengesetzten Richtung zu dem ersten Winkel ist, und zumindest drei Walzen, wobei jede der zumindest drei Walzen eine erste Walzenaußenfläche, die mit der ersten schrägen Kontaktfläche der Turbowelle in Eingriff steht, um eine erste Mehrzahl von Walzen-Wellen-Grenzflächen auszubilden, und eine zweite Walzenaußenfläche umfasst, die mit der zweiten schrägen Kontaktfläche der Turbowelle in Eingriff steht, um eine zweite Mehrzahl von Walzen-Wellen-Grenzflächen auszubilden, wobei die erste Mehrzahl von Walzen-Wellen-Grenzflächen und die zweite Mehrzahl von Walzen-Wellen-Grenzflächen die Turbowelle axial und radial örtlich festlegen und Axialkräften auf die Turbowelle entgegenwirken.
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Eine Ausführungsform der Erfindung kann ferner ein Verfahren zur Bereitstellung einer Lagerung für eine Turbowelle in einem Turbolader umfassen, wobei das Verfahren die örtliche Festlegung der Turbowelle durch das Positionieren von zumindest drei Walzen in Kontakt mit Kontaktflächen an der Turbowelle umfasst.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische isometrische Ansicht einer Ausführungsform eines Turbolader-Walzenlagerungssystems.
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2 ist eine schematische Querschnittsansicht der Ausführungsform eines Turbolader-Walzenlagerungssystems.
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3 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Turbowelle und einer Lagerungswalze.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Eine Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Turbowellen-Lagerungssystem, das Walzen nutzt, die mit der Turbowelle gekoppelt sind. Die Walzen umfassen im Allgemeinen eine Walzenaußenfläche und ein Lager. Die Walzenaußenfläche verhindert, dass das Lager direkt auf oder neben der Turbowelle örtlich festgelegt ist, und verringert somit die Drehzahl des Lagers, um jede Schädigung oder Verschlechterung der Walze und des Lagers abzumildern. Wie Fachleute verstehen werden, können die Lager Fluidlager sein, oder beliebige andere spezialisierte Hochgeschwindigkeitskugellager.
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1 ist eine schematische isometrische Ansicht einer Ausführungsform eines Turbolader-Walzenlagerungssystems 100. Das Turbolader-Walzensystem 100 umfasst eine Turbowelle 102 und eine Mehrzahl von Walzen 108, 110. Das System 100 aus 1 weist zwei sichtbare Walzen auf. In der in 1 dargestellten Ausführungsform befindet sich eine dritte Walze hinter dem System, um ein dreieckiges Lagerungssystem mit drei dazugehörigen Lagerungskontaktpunkten mit der Turbowelle 102 bereitzustellen.
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Die Turbowelle 102 weist einen Verdichter 104 und eine Turbine 106 auf, die an gegenüberliegenden Enden befestigt sind. Der mittlere Teil der Turbowelle 102 weist schräge Wellenkontaktflächen 114 auf, die in im Wesentlichen gleichen, aber entgegengesetzten Richtungen schräg gestellt sind. Nur eine der schrägen Wellenkontaktflächen wird in 1 gezeigt. 3 zeigt eine Turbowelle mit schrägen Kontaktflächen und dazugehöriger Walze. Fährt man mit 1 fort, weist die Walze 110 eine Walzenaußenfläche 122 auf, die mit der schrägen Wellenkontaktfläche 114 zusammenpasst, um die Walzen-Wellen-Grenzfläche 132 auszubilden. Die Walze 108 weist eine ähnliche Walzenaußenfläche 118 auf und bildet eine ähnliche Walzen-Wellen-Grenzfläche aus. Die Walzen 108, 110 weisen ebenfalls Walzenaußenflächen 120, 124 auf, die mit einer zweiten schrägen Wellenkontaktfläche (nicht gezeigt) zusammenpassen, um zusätzliche Walzen-Wellen-Grenzflächen auszubilden. Ähnlich wie die schrägen Wellenkontaktflächen wird nur eine der Walzen-Wellen-Grenzfläche in 1 gezeigt. Die Turbowelle 102 wird durch die Walzen 108, 110 über Walzen-Wellen-Grenzflächen 132 sowohl radial als auch axial an ihrem Platz gehalten. Die Walzen 108, 110 absorbieren Schubkräfte auf die Turbowelle von dem Verdichter 104 und der Turbine 106, wie in der am 21. November 2013 eingereichten US-Patentanmeldung Nr. 61,906,938 mit dem Titel ”Thrust Absorbing Planetary Traction Drive Superturbo” gelehrt, die wegen ihrer gesamten Offenbarung und Lehre spezifisch hierin durch Bezugnahme umfasst wurde.
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Die Walzen
108,
110 werden durch den Walzenträger
142 gelagert. Die Walze
108 wird durch das Lager
146 und ein weiteres Lager, das nicht in
1 gezeigt wird, gelagert. Die Walze
110 wird durch das Lager
150 und ein weiteres Lager, das nicht in
1 gezeigt wird, gelagert. Es versteht sich, dass die Gegenseiten der Walzen
108,
110 ähnliche Lager aufweisen. Die dritte Walze der in
1 dargestellten Ausführungsform weist ebenfalls, wie oben besprochen, ähnliche Lager auf beiden Seiten auf. Die Walzen
108,
110 werden mit ausreichender Kraft gegen die Turbowelle
102 gedrückt, um die Turbowelle
102 an ihrem Platz zu halten und eine übermäßige Bewegung der Turbowelle
102, mit Ausnahme der Drehung um ihre Achse, zu verhindern. Die Walzen
108,
110 sind nicht mit irgendeiner Art von Zahn- oder Übertragungsrad verbunden, so dass sie kein Drehmoment von der oder an die Turbowelle
102 übertragen. Ferner können flexible Befestigungen, wie etwa Toleranzringe (die Toleranzringe
160 werden in
2 gezeigt), zwischen den Lagern
146,
150 und dem Walzenträger
142 verwendet werden, um für eine Dämpfung für das System zu sorgen und die Vibration zu reduzieren. Toleranzringe werden in einer Bohrung für Lagerbefestigungen verwendet. Toleranzringe sind im Allgemeinen selbsthaltend und können ausgelegt sein, in einen nominalen Umfang zu passen. Die Toleranzringe
160 sorgen für eine flexible Montage der Walzen
108,
110, wie in dem am 11. März 2014 erteilten
US-Patent Nr. 8,668,614 mit dem Titel ”HIGH TORQUE TRACTION DRIVE” gelehrt, das wegen ihrer gesamten Offenbarung und Lehre spezifisch hierin durch Bezugnahme umfasst wurde. Die Toleranzringe
160 sind an den Vertiefungsabschnitten des Lagers montiert (siehe
2, wo auf die Lager mit
144,
146 Bezug genommen wird). Die Walzenaußenflächen
118,
120,
122,
124 sind mit einem größeren Durchmesser gefertigt als die schrägen Wellenkontaktfläche
114, so dass die Walzen
108,
110 mit einer geringeren Geschwindigkeit rotieren als die Turbowelle
102. Diese Geschwindigkeitsverringerung ermöglicht es den Lagern
146,
150, sich mit einer geringeren Geschwindigkeit zu drehen als Lager, die direkt an der Turbowelle
102 örtlich festgelegt sind. Dies verringert die Konstruktionsanforderungen der Lager
144,
150, und in einer traditionelleren Weise können Lager für geringere Geschwindigkeiten verwendet werden.
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Die Toleranzringe 160 sorgen für eine flexible Montage der Walze 108. Der Toleranzring 160 verhindert eine Überlastung der Lager 144, 146. Die Toleranzringe 160 sind innerhalb der Lager 144, 146 montiert. Die Toleranzringe 160 können Vibrationsstöße bei jeder Art von Unwucht oder Vibrationseffekte, die durch die Walze 108 erzeugt werden, absorbieren. Die Toleranzringe 160 sind radiale Federn, die zu einer elastischen Bewegung in einer Radialrichtung in der Lage sind. Die Toleranzringe 160 sind in der Lage, zusammengedrückt zu werden, was es der Walze 108 erlaubt, Vibration zu absorbieren und Kontakt mit der Turbowelle 102 zu halten. Die Toleranzringe 160 können aus jedem geeigneten Material hergestellt werden, dass eine elastische Bewegung erlaubt. In einer Ausführungsform der Erfindung können die Toleranzringe 160 aus einer Art Federstahl konstruiert werden, der einen welligen Aufbau aufweist, der zu einem Ring geformt wird. Der wellige Aufbau ermöglicht es den Toleranzringen 160, mit einem gewissen Kraftbetrag zusammengedrückt zu werden, abhängig von der Dicke und Elastizität des Federstahls, der in den Toleranzringen 160 verwendet wird. Da die Toleranzringe 160 einen welligen Aufbau aufweisen, können die die Toleranzringe 160 in einer Radialrichtung ausgelenkt werden. Es versteht sich, dass jede Walze in einer Ausführungsform der Erfindung, wie etwa beispielsweise die Walze 108, die Walze 110 in 1, und eine dritte oder weitere Walze (wie in dieser Schrift besprochen), ein dazugehöriges Lager und einen dazugehörigen Toleranzring aufweist.
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Die Turbowelle 102 dreht sich aufgrund des Auftreffens der Abgase auf die Turbine 106. Die Turbowelle 102 ist eine sich frei drehende Welle. Als solches gibt es keine Drehmomentübertragung, wie oben angemerkt, von der Turbowelle an die Walzen 108, 110. Dies liegt daran, dass die Walzen 108, 110 nicht mit irgendwelchen anderen Mechanismen (außer dem Walzenträger 142, der nur die Walzen 108, 110 an ihrem Platz hält und das freie Drehen der Walzen 108, 110 erlaubt) in Eingriff ist, wie etwa einem Antriebsring.
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Die Walzen 108, 110 bestehen aus jedem geeigneten Material, das einen Kontakt mit der Turbowelle 102 über die gesamte Drehung erlaubt. Auch sind die Walzen 108, 110 aus jedem geeigneten Material konstruiert, dass dem Drehzahlenbereich von Turboladern standhalten wird. Es versteht sich, dass bei den Ausführungsformen der Erfindung, wie unten besprochen, unterschiedliche Verhältnisse zwischen dem Durchmesser der Turbowelle an den Kontaktflächen 114 und dem der Walzenaußenflächen 120, 124 eine langsamere Drehung der Walzen 108, 110 erlauben.
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2 ist eine Querschnittsansicht der Ausführungsform des Turbolader-Walzenlagerungssystems 100 aus 1. Die Walze 108 ist im Walzenträger 142 durch die Lager 144, 146 gelagert. Die Walze 108 weist Walzenaußenflächen 118, 120 auf, die mit schrägen Wellenkontaktflächen 114, 116 zusammenpassen, um Walzen-Wellen-Grenzflächen 130, 136 auszubilden. Die Walzen-Wellen-Grenzflächen 130, 136, zusammen mit den anderen Walzen-Wellen-Grenzflächen, die in Verbindung mit 1 gezeigt und besprochen wurden, legen die Turbowelle 102 örtlich fest und verhindern eine Bewegung der Turbowelle 102, mit Ausnahme der Drehung um ihre Achse. Ferner können Toleranzringe 160 zwischen den Lagern 144, 146 und dem Walzenträger 142 verwendet werden, um für eine Flexibilität bei der Montage und eine Dämpfung von Vibrationen im Turbolader-Walzenlagerungssystem 100 zu sorgen. Die Toleranzringe 160 können abwechselnd zwischen den Lagern 144, 146 und der Walze 108 örtlich festgelegt sein. Der Durchmesser der Walzenaußenflächen 118, 120 ist größer als der Durchmesser der schrägen Wellenkontaktfläche 114, 116, so dass die Walze 108 mit einer geringeren Geschwindigkeit rotiert als die Turbowelle 102. Wenn beispielsweise die Walzenaußenflächen 118, 120 einen Durchmesser aufweisen, der das Vierfache desjenigen der Wellenkontaktflächen 114, 116 beträgt, wird sich die Walze 108 mit einer Geschwindigkeit drehen, die 1/4 von derjenigen der Turbowelle ist. Wenn die maximale Drehzahl der Turbowelle 102 160.000 Umdrehungen pro Minute beträgt, beträgt die maximale Drehzahl der Walze 108 40.000 Umdrehungen pro Minute, und die Lager 144, 146 können für eine maximale Drehzahl von 40.000 Umdrehungen pro Minute ausgelegt werden, verglichen mit 160.000 Umdrehungen pro Minute, wenn sie direkt an der Turbowelle 102 örtlich festgelegt wären. Dies verringert die Konstruktionsanforderungen für die Lager 144, 146.
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Die in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen zeigen drei Walzeneinheiten, die gleichmäßig beabstandet um die Turbowelle herum und im Kontakt damit angeordnet sind. Ein Minimum von drei Walzeneinheiten ist nötig, um für eine gleichmäßige Lagerung für die Turbowelle zu sorgen. Ferner sollten die Walzeneinheiten im Wesentlichen gleichmäßig beabstandet sein, um für eine gleichmäßige Lagerung um die Turbowelle zu sorgen. Eine Trennung von exakt 120 Grad ist nicht unbedingt nötig. Geringe Unterschiede bei den Winkeln der Trennung der Walzen können erlaubt sein, um eine Platzierung der Walzeneinheiten mit anderen Motorelementen zu ermöglichen. Jedoch können die Grenzen, wie weit die Walzeneinheiten von einer gleichmäßigen Platzierung um die Turbowelle herum abweichen können, durch Experimentieren an einer bestimmten Ausführungsform einer Turbowelle bestimmt werden. Dementsprechend kann die Anzahl von Walzen mehr als drei (3) betragen. Es kann vier (4), fünf (5) oder mehr Walzen geben, die verwendet werden, um für eine zusätzliche Lagerung der Turbowelle zu sorgen. Im Wesentlichen gleichmäßig beabstandete Walzen in Kontakt mit einer Turbowelle werden so wirken, dass sie Schubkräften, die in einer Axialrichtung auf die Turbowelle erzeugt werden, entgegenwirken, und eine Bewegung der Turbowelle mit Ausnahme der Drehung um die Achse der Turbowelle verhindern.
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3 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Turbowelle und einer Lagerungswalze. Eine Turbowelle 302 weist eine mit einem Ende verbundene Turbine 306 und einen mit dem anderen Ende verbundenen Verdichter 304 auf. Die Turbowelle 302 weist schräge Wellenkontaktflächen 314, 316 auf. Die Walze 308 weist Walzenaußenflächen 318, 320 auf, die mit den schrägen Wellenkontaktflächen 314, 316 zusammenpassen, um Walzen-Wellen-Grenzflächen 330, 336 auszubilden. Diese Walzen-Wellen-Grenzflächen 330, 336 legen die Turbowelle 302 sowohl axial als auch radial örtlich fest und wirken Schubkräften von der Turbine 306 und dem Verdichter 304 entgegen.
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Die vorstehende Beschreibung der Erfindung wurde zum Zwecke der Verdeutlichung und Beschreibung vorgelegt. Sie ist nicht dazu gedacht, erschöpfend zu sein oder die Erfindung auf die genaue offenbarte Form zu beschränken, und es können angesichts der obigen Lehren andere Modifikationen und Variationen möglich sein. Die Ausführungsform wurde ausgewählt und beschrieben, um die Prinzipien der Erfindung und ihrer praktischen Anwendung bestmöglich zu erläutern, um es somit anderen Fachleuten zu ermöglichen, die Erfindung in verschiedenen Ausführungsformen und verschiedenen Modifikationen bestmöglich so zu nutzen, wie sie für die besondere Verwendung, die in Betracht gezogen wird, geeignet sind. Es ist beabsichtigt, dass die beigefügten Ansprüche so ausgelegt werden, dass sie andere alternative Ausführungsformen der Erfindung umfassen, sofern sie nicht durch den Stand der Technik beschränkt sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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