DE102017205668A1

DE102017205668A1 - Lagerung für einen Turbolader oder eine Abgasnutzturbine, Turbolader oder Abgasnutzturbine mit einer solchen Lagerung und Verfahren zum Montieren einer Turbinenwelle in einem Turbolader oder einer Abgasnutzturbine

Info

Publication number: DE102017205668A1
Application number: DE102017205668.1A
Authority: DE
Inventors: Stefan Brack
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2016-04-04
Filing date: 2017-04-04
Publication date: 2017-10-05

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lagerung für einen Turbolader oder eine Abgasnutzturbine – mit wenigstens zwei Lageraußenringen; – mit wenigstens zwei Wälzkörperreihen an entgegengesetzten axialen Enden der Lagerung, wobei – jeweils wenigstens ein Lageraußenring jeweils wenigstens eine Wälzkörperreihe unter Ausbildung einer äußeren Lagerlaufbahn umschließt; – mit wenigstens einer inneren Lagerlaufbahn je Wälzkörperreihe; – mit einem ringförmigen Abstandselement in Axialrichtung zwischen den beiden Lageraußenringen; – mit einer durch die Wälzkörperreihen gelagerten Turbinenwelle. Die erfindungsgemäße Lagerung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Abstandselement über seinem Umfang derart unterbrochen oder unterbrechbar ist, dass es bei in den Wälzkörperreihen gelagerter Turbinenwelle radial von außen zwischen die beiden Lageraußenringe und über die Turbinenwelle aufschiebbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lagerung für einen Turbolader oder eine Abgasnutzturbine, ferner einen Turbolader oder eine Abgasnutzturbine mit einer solchen Lagerung und ein Verfahren zum Montieren einer Turbinenwelle in einem Turbolader oder einer Abgasnutzturbine, im Einzelnen gemäß dem Oberbegriff der selbstständigen Ansprüche.
Die Lagerung der Turbinenwelle bei einem Abgasturbolader oder einer Abgasnutzturbine, die im Abgasstrom insbesondere eines Kraftfahrzeugs angeordnet ist, stellt ein neuralgisches Bauteil dar, weil aufgrund der hohen Drehzahlen der Turbinenwelle von häufig mehr als 100.000 Umdrehungen pro Minute und aufgrund der großen Temperaturbeanspruchung, hervorgerufen durch die hohen Abgastemperaturen, die Lagereinheit einer erheblichen Schwingungsbelastung und thermischen Belastung ausgesetzt ist. Besonders ungünstig sind dabei die erhebliche Drehzahlspreizung und die Temperaturvariationen in der Lagereinheit, die häufig das Durchfahren von Resonanzdrehzahlen sowie die Kompensation stark variierender thermischer Dämpfungen erfordern.
Die im Betrieb auftretenden Variationen erfordern gewisse Axialspiele zwischen den einzelnen Bauteilen, um ein Verklemmen oder Verspannen zu vermeiden. Wenn dabei der Bezugspunkt für die axiale Sicherung der Lagerung im Bereich eines axialen Endes vorgesehen ist, ergeben sich über die axiale Länge der Lagerung Axialspieladditionen, die bei der Auslegung berücksichtigt werden müssen. Große Axialspiele bedeuten jedoch grundsätzlich eine geringere Effizienz, weil sogenannte Blow-by-Verluste auftreten können, da entsprechend die axialen Verlagerungen der Turbinenwelle auf das Turbinenrad und gegebenenfalls das Verdichterrad übertragen werden und die Spaltmaße an den Schaufelrädern ausreichend groß gehalten werden müssen, um ein Anlaufen der Schaufelräder in ihrem Gehäuse zu vermeiden.
Es besteht somit der Bedarf für eine Lagerung eines Turboladers oder einer Abgasnutzturbine, bei welcher besonders geringe Axialspiele verwirklicht werden können.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lagerung für einen Turbolader oder eine Abgasnutzturbine sowie einen Turbolader oder eine Abgasnutzturbine mit einer entsprechenden Lagerung anzugeben, bei welcher besonders kleine Axialspiele zwischen den einzelnen Bauteilen umgesetzt werden können, um die axialen Verlagerungen der Turbinenwelle im Betrieb zu reduzieren. Ferner soll ein Verfahren zum Montieren einer entsprechenden Turbinenwelle in einem Turbolader oder einer Abgasnutzturbine angegeben werden.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine Lagerung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind ein Turbolader beziehungsweise eine Abgasnutzturbine mit einer entsprechenden Lagerung angegeben. Ferner gibt der unabhängige Verfahrensanspruch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Montieren einer Turbinenwelle in einem Turbolader oder einer Abgasnutzturbine an.
Eine erfindungsgemäße Lagerung für einen Turbolader oder eine Abgasnutzturbine weist wenigstens zwei Lageraußenringe auf sowie wenigstens zwei Wälzkörperreihen an entgegengesetzten axialen Enden der Lagerung. Jeweils wenigstens ein Lageraußenring umschließt jeweils wenigstens eine Wälzkörperreihe unter Ausbildung einer äußeren Lagerlaufbahn.
Es ist ferner wenigstens eine innere Lagerlaufbahn je Wälzkörperreihe vorgesehen sowie ein ringförmiges Abstandselement in Axialrichtung zwischen den beiden Lageraußenringen.
Die Lagerung umfasst ferner eine durch die Wälzkörperreihen gelagerte Turbinenwelle.
Erfindungsgemäß ist das Abstandselement über seinem Umfang derart unterbrochen oder unterbrechbar ausgeführt, dass es bei in den Wälzkörperreihen gelagerter Turbinenwelle radial von außen zwischen die beiden Lageraußenringe und über die Turbinenwelle einschiebbar ist.
Insbesondere weist das Abstandselement einen solchen Abstand zwischen seinen beiden in Umfangsrichtung einander zugewandten Enden auf, dass dieser Abstand zumindest annähernd dem Durchmesser der Turbinenwelle entspricht oder größer als der Durchmesser der Turbinenwelle ist, sodass mit oder ohne elastische Verformung das Abstandselement über die Turbinenwelle geschoben werden kann, indem die Turbinenwelle durch diesen Abstand – gegebenenfalls unter elastischer Aufweitung des Abstandselementes – hindurchgeführt werden kann.
Die erfindungsgemäße Lagerung bildet insbesondere eine Wälzlagerung mit sogenannter O-Anordnung aus. Bei einer solchen O-Anordnung in einem Lager ist die Anstellung derart, dass die Kraftflusslinien durch die Lager einen Druckmittelpunkt axial außerhalb der Wälzkörperreihen, zumindest außerhalb der axialen Mitte derselben, aufweisen. Die Lageraußenringe weisen hierfür axial innerhalb der Wälzkörperreihen einen vorstehenden Bund auf, gegen welchen sich die Wälzkörper der Wälzkörperreihen in Axialrichtung oder in Axial-Radialrichtung anlegen können. Die Turbinenwelle kann axial außerhalb jeweils der Wälzkörperreihen einen entsprechenden Bund aufweisen, an welchen sich die Wälzkörper entsprechend in Axialrichtung beziehungsweise Axial-Radialrichtung anlegen können. Selbstverständlich ist es möglich, im Bereich der inneren Laufbahn und/oder der äußeren Laufbahn beidseitig der Wälzkörper entsprechende Bünde vorzusehen.
Um eine sogenannte Direktlagerung zu schaffen, werden gemäß einer Ausführungsform die inneren Laufbahnen der Wälzkörperreihen durch eine äußere Oberfläche der Turbinenwelle gebildet. Alternativ ist wenigstens ein Lagerinnenring auf der Turbinenwelle aufgebracht, insbesondere aufgepresst, welcher die inneren Laufbahnen ausbildet. Beispielsweise sind zwei Lagerinnenringe vorgesehen, die in Axialrichtung aneinander anstoßen können, um jeweils eine innere Laufbahn auszubilden.
Günstig ist, wenn die beiden Lageraußenringe in Axialrichtung mittels wenigstens eines Federelementes elastisch gegeneinander abgestützt sind.
Besonders bevorzugt werden die beiden Lageraußenringe in Axialrichtung mittels jeweils wenigstens eines Federelementes elastisch gegen das Abstandselement abgestützt.
Bei beiden Ausführungsformen können die Federelemente vorteilhaft als Wellfeder ausgeführt sein, insbesondere mit einzelnen diskret über dem Umfang verteilt angeordneten Anlageflächen, von denen eine erste Anzahl beziehungsweise Vielzahl am Abstandselement oder einem zwischen dem Abstandselement und der Wellfeder vorgesehenen Zwischenelement und eine zweite Anzahl beziehungsweise Vielzahl am jeweiligen Lageraußenring beziehungsweise einem zwischen dem jeweiligen Lageraußenring und der Wellfeder vorgesehenen Zwischenelement anliegen. Bei einer direkten axialen Abstützung der beiden Lageraußenringe über die Wellfeder aneinander liegen die entsprechenden Anlageflächen an beiden Lageraußenringen oder entsprechenden zwischengeschalteten Zwischenelementen an.
Die wenigstens eine Wellfeder kann über ihrem Umfang geschlossen oder unterbrochen ausgeführt sein.
Insbesondere wirkt die Wellfeder mit einem Verdrehsicherungselement, beispielsweise in Form eines Rings, zusammen oder bildet ein solches aus, wie nachfolgend noch erläutert wird, um entweder nur selbst gegenüber dem Abstandselement verdrehgesichert gehalten zu werden oder um zusätzlich eine Verdrehsicherung zwischen dem Abstandselement und dem jeweiligen Lageraußenring herzustellen. Das Verdrehsicherungselement kann auch nur den jeweiligen Lageraußenring gegenüber dem Abstandselement verdrehsicher halten und vorteilhaft zugleich eine Anlage für die zugewandten Anlageflächen der Wellfeder bilden, insbesondere über deren gesamten Umfang.
Besonders günstig ist, wenn ein das Abstandselement und die Lageraußenringe umschließendes stationäres Gehäuse vorgesehen ist, insbesondere das sogenannte Turboladergehäuse oder das Abgasnutzturbinengehäuse, und das Abstandselement verdrehsicher im Gehäuse gehalten wird. Stationär bedeutet, dass das Gehäuse nicht umläuft. Eine solche Verdrehsicherung kann beispielsweise durch eine im Gehäuse gehaltene und in das Abstandselement eindringende oder dieses durchdringende Schraube oder einen entsprechenden Stift ausgebildet werden. Andere formschlüssige oder reibschlüssige Ausgestaltungen, insbesondere mit wenigstens einer Hinterschneidung, sind möglich. Gemäß einer Ausführungsform ist das Abstandselement in eine Bohrung des Gehäuses eingepresst, beispielsweise indem nach der Montage des Abstandselementes in der Bohrung im Gehäuse in die Unterbrechung über dem Umfang des Abstandselementes ein Spreizelement eingeschoben wird, um das Abstandselement radial von innen in der Gehäusebohrung zu verspannen, oder indem das Abstandselement beim Einschieben in die Gehäusebohrung auf ein entsprechendes Spreizelement aufgeschoben wird.
Das Abstandselement ist vorteilhaft auch axial im Gehäuse fixiert.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das Abstandselement auf seiner äußeren Oberfläche mit wenigstens einer Aussparung versehen, welche eine Anlagefläche zwischen dem Abstandselement und einem das Abstandselement aufnehmenden Gehäuse reduziert. Die Aussparung erstreckt sich vorteilhaft in Axialrichtung des Abstandselementes nur über einen begrenzten Abschnitt, somit nicht über die gesamte axiale Länge des Abstandselementes. Prinzipiell wäre jedoch auch Letzteres vorstellbar.
Diese Aussparung, die beispielsweise in Form einer in Axialrichtung des Abstandselementes verlaufenden Rille in die äußere Oberfläche des Abstandselementes eingebracht ist, reduziert die Reibung zwischen dem Abstandselement und dem Gehäuse bei der Montage. Dadurch wird die Montagekraft reduziert, sofern das Abstandselement ein Übermaß zur Gehäusebohrung besitzt. Eine geringere Montagekraft ist grundsätzlich vorteilhaft um Montageschäden in der Lagerung vermeiden zu können.
Besonders günstig ist, wenn nun die Federelemente verdrehsicher gegenüber dem Abstandselement angeordnet sind, besonders wenn diese als Wellfeder ausgebildet sind. Damit kann nämlich vermieden werden, dass sich ein Federelement derart verdreht, dass eine seiner Anlagenflächen in der Unterbrechung des Abstandselements über dem Umfang zu liegen kommt und nicht mehr ordnungsgemäß wirken kann. Alternativ kann zwischen dem Federelement und dem Abstandselement eine die Unterbrechung überbrückende Scheibe oder ein, insbesondere über seinem Umfang geschlossener, Ring zur Überbrückung der Unterbrechung vorgesehen sein, an welcher/welchem sich die Anlageflächen abstützen können.
Besonders günstig sind dabei auch die Lageraußenringe mittels jeweils einer Verdrehsicherung am Abstandselement angeschlossen, um undefinierte Verdrehpositionen durch Mitdrehen der Lageraußenringe zu vermeiden. Dabei kann dieselbe Verdrehsicherung zur Verdrehsicherung der Federelemente gegenüber dem Abstandselement wie auch zur Verdrehsicherung der Lageraußenringe gegenüber dem Abstandselement verwendet werden. Eine solche Verdrehsicherung kann beispielsweise durch einen Ring mit in Axialrichtung entgegengesetzt zueinander vorstehenden Vorsprüngen erreicht werden, die in axiale Aussparungen in dem Abstandselement und dem jeweiligen Lageraußenring eingreifen. Gemäß einer anderen Ausgestaltung weist der Ring wenigstens einen axialen Vorsprung auf und ist derart in den jeweiligen Lageraußenring oder das Abstandselement eingesetzt, dass der wenigstens eine axiale Vorsprung sowohl in den Lageraußenring als auch in das Abstandselement eingreift und dadurch die Verdrehsicherung zwischen dem jeweiligen Lageraußenring und dem Abstandselement und bei einem entsprechenden Eingriff insbesondere auch dem Federelement herstellt. Bei einem solchen axialen Vorsprung sind der axiale Vorsprung zum Eingriff in den jeweiligen Lageraußenring und der axiale Vorsprung zum Eingriff in das Abstandselement sozusagen zu einem gemeinsamen axialen Vorsprung integriert. Alternativ kann das Federelement, insbesondere die Wellfeder, selbst mit entsprechenden Vorsprüngen ausgeführt sein. Der Ring kann auch zum einen mit in Axialrichtung vorstehenden Vorsprüngen in die Aussparungen im Lageraußenring und dem Abstandselement eingreifen und zum anderen die Unterbrechung im Abstandselement überbrücken und eine Anlagefläche für das Federelement zur Verfügung stellen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es möglich über die axiale Aussparung im Lageraußenring die Wälzkörper mit Öl zu versorgen, was wiederum die Wälzkörper schmiert und kühlt. Dabei kann das Öl durch einen Öleinlass in einen Raum zwischen dem Gehäuse und dem Lageraußenring gelangen. In diesem Raum beziehungsweise Ringspalt bildet sich ein Ölring aus. Vom Ölring aus gelangt das Öl über die axiale Aussparung in das Innere des Lagers und somit zu den Wälzkörpern.
Bei Ausführung der Verdrehsicherungen jeweils als Ring sind diese vorteilhaft als Stanz- oder Stanz-Biegeteil mit umgebogenen Laschen ausgeführt, letzteres um die Vorsprünge auszubilden.
Die Vorsprünge greifen vorteilhaft derart mit Spiel in die Aussparungen ein, dass sich die Lageraußenringe axial und radial frei bewegen können und nur in Umfangsrichtung deren Verdrehen relativ zum Abstandselement begrenzt ist.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist mindestens ein Vorsprung auf der Seite des Lageraußenrings vorgesehen, während auf der Seite des Abstandselements mindestens ein Vorsprung üblicherweise aber zwei Vorsprünge vorgesehen sind.
Eine weitere Ausführungsmöglichkeit sieht zwei in Axialrichtung miteinander fluchtende Vorsprünge vor, die in dafür vorgesehene Aussparungen am Außenring und Abstandselement eingreifen und so die beiden Teile verdrehsicher verbinden.
Wird eine offen ausgeführte Wellfeder für die Lagervorspannung verwendet, kann einer der beiden fluchtenden Vorsprünge darüber hinaus als Verdrehsicherung für die Wellfeder verwendet werden. Dieser Vorsprung greift in dieser Ausführungsform nicht nur in den Lageraußenring und das Abstandselement sondern zusätzlich in den Spalt der offenen Wellfeder ein. Die axiale und radiale Bewegungsfreiheit ermöglicht ein optimales Schwimmen der Lageraußenringe in einem Quetschölfilm, wenn ein solcher in Form eines Ölrings, der die Lageraußenringe umschließt, vorgesehen ist. Ein solcher Quetschölfilm dient der Dämpfung der Lageschwingungen und ermöglicht besonders hohe Drehzahlen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein axialer Anschlag für jeden der beiden Lageraußenringe vorgesehen, um eine elastische Einfederung des oder der Federelemente zu begrenzen. Der axiale Anschlag kann beispielsweise durch axial nach außen gerichtete Stirnseiten des Abstandselementes gebildet werden, an welchen axial nach innen gerichtete Stirnseiten der Lageraußenringe nach einem gewissen Einfederweg des jeweiligen Federelementes anschlagen. Entsprechend stehen die axial nach innen gerichteten Stirnseiten der Lageraußenringe den axial nach außen gerichteten Stirnseiten des Abstandselementes gegenüber. Insbesondere weist der entsprechende Lageraußenring und/oder das Abstandselement hierfür einen das Federelement und insbesondere den Verdrehsicherungsring radial außen umschließenden oder übergreifenden Vorsprung oder Bund auf, der die entsprechende Stirnseite ausbildet.
Durch das axial zwischen die Lageraußenringe eingebrachte Abstandselement, das vorteilhaft den Ausgangspunkt beziehungsweise Fixpunkt für alle Axialspiele der Lagerung bildet, können die einzelnen Axialspiele beidseitig des Abstandselementes besonders klein ausgeführt werden. Ferner ermöglicht die Vorspannung der Lageraußenringe durch das wenigstens eine Federelement, insbesondere derart, dass unabhängig von der Richtung der Axiallast im Betrieb die Vorspannung aufrechterhalten wird, undefinierte Positionen der Lageraußenringe in Axialrichtung zu vermeiden. Durch die vorteilhaft vorgesehenen Anschläge kann das Federspiel und damit das Axialspiel der Lageraußenringe begrenzt werden. Zusammenfassend wird durch die erfindungsgemäße Gestaltung eine äußerst geringe Relativbewegung der Turbinenwelle im Gehäuse eines Turboladers oder einer Abgasnutzturbine erreicht, sodass die Spaltmaße an dem oder den Schaufelrädern entsprechend gering ausgeführt werden können und dadurch die Leistung beziehungsweise der Wirkungsrad erhöht wird.
Die erfindungsgemäße Lagerung ist ferner auf einen minimalen Außendurchmesser der Lagerung optimiert, mit Lagerreihen mit relativ kleinem Durchmesser. Steht hingegen ein großer Durchmesser für die Lagerung zur Verfügung, so können vergleichsweise große Wälzkörperdurchmesser verwendet werden oder die Turbinenwelle kann vergleichsweise stark ausgeführt werden. Beides bietet Vorteile, entweder hinsichtlich eines geringen Gewichts oder hinsichtlich der Festigkeit und Lagerlebensdauer.
Die Verdrehsicherung des Abstandselementes im Gehäuse erfolgt vorteilhaft mittels einer in eine Gewindebohrung des Abstandselementes eingeschraubten Schraube, die in einer zylindrischen Bohrung im Gehäuse gehalten wird. Die zylindrische Bohrung im Gehäuse kann dabei einen vergleichsweise größeren Durchmesser als die Bohrung am Abstandselement beziehungsweise als ein äußerer Durchmesser des Schraubenschafts aufweisen, sodass vor einem vollständigen Anziehen der Schraube ein Spiel in Axialrichtung und/oder Umfangsrichtung zwischen der Schraube und dem Gehäuse und damit zwischen dem Gehäuse und dem Abstandselement erreicht wird. Dies ermöglicht ein Ausrichten des Abstandselementes innerhalb des Gehäuses bei bereits eingeschraubter aber noch nicht angezogener Schraube. Erst wenn das Abstandselement geeignet im Gehäuse ausgerichtet ist, wird die Schraube fest angezogen, wobei ein Lösen der Schraube durch konstruktive Maßnahmen wie zum Beispiel Zähne an der Unterseite des Schraubenkopfes verhindert werden kann.
Ein großer Vorteil der genannten Lösung ist, dass die Schraube, das Gewinde im Abstandselement, die Gehäuseschraubenbohrung und der Außendurchmesser des Abstandselementes beziehungsweise der Innendurchmesser der Bohrung nicht besonders genau gefertigt werden müssen und trotzdem eine sehr genaue Positionierung der einzelnen Bauteile der Lagerung im Gehäuse erreicht werden kann. Durch ein entsprechend festes Anziehen der Schraube sowie insbesondere konstruktive Maßnahmen gegen das Lösen der Schraubverbindung kann zudem ein Kriechen des Abstandselementes relativ zum Gehäuse verhindert werden, was im Hinblick auf die extremen Lebensdaueranforderungen von Turboladern oder Abgasnutzturbinen günstig ist.
Ein erfindungsgemäßer Turbolader beziehungsweise eine erfindungsgemäße Abgasnutzturbine weist eine entsprechende Lagerung auf und ferner wenigstens ein von der Turbinenwelle getragenes Turbinenrad sowie ein von der Turbinenwelle getragenes Verdichterrad, Ritzel und/oder einen Rotor eines elektrischen Generators.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Montieren einer Turbinenwelle in einem Turbolader oder in einer Abgasnutzturbine weist die folgenden Schritte auf:

– Anordnen der Wälzkörperreihen und der Lageraußenringe auf der Turbinenwelle oder auf wenigstens einem oder insbesondere zwei auf der Turbinenwelle aufgebrachten Lagerinnenringen;
– Einschieben des Abstandselementes radial von außen axial zwischen die Lageraußenringe derart, dass es die Turbinenwelle über deren äußeren Umfang umgreift;
– Einbringen der Turbinenwelle zusammen mit den Wälzkörperreihen, den Lageraußenringen und dem Abstandselement in das Gehäuse, insbesondere durch axiales Einschieben in eine Gehäusebohrung;
– axiales Ausrichten wenigstens eines Lageraußenringes in dem Gehäuse;
– anschließendes axiales und verdrehsicheres Fixieren des Abstandselementes in dem Gehäuse, insbesondere nachdem zuvor auch dieses nochmals im Gehäuse ausgerichtet wurde, vorteilhaft derart, dass die gewünschte elastische Vorspannung des Lageraußenringes gegenüber dem Abstandselement eingestellt wurde.

Bei einer Ausgestaltung der Lagerung mit einem oder mehreren Federelementen wird vorteilhaft vor dem Anordnen der Wälzkörperreihen und der Lageraußenringe zunächst das wenigstens eine Federelement auf der Turbinenwelle angeordnet.
Bei Vorsehen von die Unterbrechung im Abstandselement überbrückenden Scheiben oder Ringen und/oder bei Vorsehen von Verdrehsicherungen werden diese vorteilhaft auch vor den Wälzkörperreihen und den Lageraußeringen auf der Turbinenwelle angeordnet. Das Abstandselement kann dann zwischen die Scheiben oder Ringe eingeschoben werden.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Sicherung des Abstandselementes mittels einer Schraube im Gehäuse wird das Abstandselement, insbesondere über einen Schiebesitz zum Gehäuse an seinem Außendurchmesser in das Gehäuse eingeschoben und die Bohrung, insbesondere Gewindebohrung, im Abstandselement derart ausgerichtet, dass sie zur zylindrischen Schraubenbohrung im Gehäuse annähernd konzentrisch liegt. Danach wird die Abstandselementbefestigungsschraube von außen durch die Schraubenbohrung in das Gehäuse eingebracht und in die Bohrung im Abstandselement eingeführt, insbesondere eingeschraubt, zunächst ohne ein festes Anziehen der Schraube. Von einer axialen Seite, insbesondere von der Turbinenseite, wird nun die Turbinenwelle in Richtung der anderen Seite, beispielsweise der Verdichterseite oder Ritzelseite beziehungsweise Generatorseite, geschoben, bis der Lageraußenring auf dieser Seite mit seiner axial äußeren Stirnseite gegen einen festen Anschlag, der durch ein Werkzeug, insbesondere Präzisionswerkzeug, zur Verfügung gestellt werden kann, leicht verspannt ist. Das nur lose verschraubte Abstandselement ist nach wie vor geringfügig zum Gehäuse beweglich, aufgrund der vorgesehenen vergleichsweise großen zylindrischen Gehäusebohrung mit Spiel zum Schraubenschaft. In dieser nun eingestellten präzisen axialen Position wird die Turbinenwelle unter leichter Spannung durch Einfedern des Federelementes zwischen Lageraußenring und Abstandselement gehalten und anschließend die Abstandselementbefestigungsschraube fest angezogen. Um ein Verdrehen des Abstandselements gegenüber der Gehäusebohrung während des Anziehens vollständig zu verhindern, kann zusätzlich in die durchgehende Unterbrechnung des Abstandselements ein Haltewerkzeug eingebracht werden, das das Abstandselement fixiert, in dem es sich an die Anlageflächen an den Unterbrechungsseitenflächen anlegt. Darüber hinaus kann dieses Werkzeug zusätzlich das Abstandselement gegen die Gehäusebohrung pressen, was die Verdrehsicherung während des Schraubenanzugs noch sicherer gewährleistet und die Konzentrizität des Abstandselements zur Gehäusebohrung erhält. Die eingestellte axiale Position des Abstandselementes ist nun fixiert und das Anschlagwerkzeug sowie das Haltewerkzeug können entfernt werden.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels exemplarisch beschrieben werden.
Es zeigen:
1 eine schematische Explosionsdarstellung einer erfindungsgemäßen Lagerung;
2 einen Axialschnitt durch eine erfindungsgemäße Lagerung;
3 eine schematische Explosionsdarstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Lagerung;
4 eine schematische Darstellung der in der Lagerung gelagerten Turbinenwelle in einer Draufsicht auf die Unterbrechung des Abstandselementes;
5 einen Axialschnitt durch die Lagerung gemäß den 3 und 4.
In der 1 ist eine erfindungsgemäße Lagerung beispielsweise für einen Turbolader oder eine Abgasnutzturbine mit einem Turbinenrad 1 getragen von einer Turbinenwelle 2 gezeigt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel bildet die Turbinenwelle 2 innere Laufbahnen für eine erste Wälzkörperreihe 3 und eine zweite Wälzkörperreihe 4. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind, wie auch aus der 2 ersichtlich, die inneren Laufbahnen in radial vorstehenden Abschnitten der Turbinenwelle 2 ausgeführt.
Jede Wälzkörperreihe 3, 4 weist Wälzkörper 5, hier in Form von Kugeln, auf. Die Wälzkörper 5 werden in Käfigen 6 gehalten. Dies ist jedoch nicht zwingend.
Die äußeren Laufbahnen für die Wälzkörper 5 beziehungsweise die Wälzkörperreihen 3, 4 werden durch Lageraußenringe 7, 8 gebildet, hier den ersten Lageraußenring 7 und den zweiten Lageraußenring 8.
Wie man auch aus der 2 erkennen kann, ist in Axialrichtung zwischen den beiden Lageraußenringen 7, 8 ein Abstandselement 9 eingebracht, das über seinem äußeren Umfang eine Unterbrechung 10 aufweist. Da die Lager als Lager mit O-Anordnung ausgeführt sind, siehe die entsprechenden axial innerhalb der Wälzkörperreihen 3, 4 vorgesehenen Bünde 11 an den Lageraußenringen 7, 8, werden die beiden Lageraußenringe 7, 8 durch das Abstandselement 9 und Federelemente 12, die sich an Stirnseiten 13 des Abstandselementes 9 abstützen, in Axialrichtung elastisch verspannt. Somit wird sichergestellt, dass die Wälzkörper 5 stets mit Vorspannung an der Turbinenwelle 2 und den Lageraußenringen 7, 8 anliegen, insbesondere in Axialrichtung und Radialrichtung, wodurch Geräusche und Verschleiß vermieden werden.
Um ein Verdrehen der Federelemente 12, hier ausgeführt jeweils als Wellfeder, gegenüber dem Abstandselement 9 zu vermeiden, kann ein Verdrehsicherungsring 14 je Federelement 12 vorgesehen sein, der wenigstens einen axialen Vorsprung 15 aufweist, der in eine axiale Aussparung des Federelementes 12 eingreift, und wenigstens einen oder mehrere axiale Vorsprünge 16 (in der Zeichnung nur einer dargestellt), der in wenigstens eine axiale Aussparung des Abstandselementes 9, beispielsweise in die Unterbrechung 10 desselben, eingreift.
Der axiale Vorsprung 15 greift ferner in eine entsprechende axiale Aussparung 17 des jeweiligen Lageraußenringes 7, 8 ein, sodass auch die Lageraußenringe 7, 8 gegenüber dem Abstandselement 9 verdrehgesichert sind.
Wenn, wie dargestellt, die Unterbrechung 10 im Abstandselement 9 durch eine Scheibe oder hier den Ring 14 überbrückt wird, kann auf eine separate axiale Aussparung im Federelement 12, in welche der Vorsprung 15 eingreift, auch verzichtet werden, beispielsweise indem der axiale Vorsprung 15 die Wellfeder radial außen oder innen umgreift, um in die axiale Aussparung 17 im Lageraußenring 7, 8 einzugreifen. Bei einer solchen Gestaltung ist es nämlich unschädlich, falls sich das als Wellfeder ausgebildete Federelement 12 verdreht, weil kein Kontaktpunkt derselben in die Aussparung 10 wandern kann. Mittels der axialen Aussparung 17 ist es auch möglich die Wälzkörper 5 mit Öl zu versorgen was diese schmiert und kühlt. Dabei wird das Öl über die Öleinlässe 27 zwischen das Gehäuse 18 und den Lageraußenringen 7, 8 gebracht. Dort bildet sich dann im Bereich der Lageraußenringe 7, 8 ein Ölring 25 aus. Über die axiale Aussparung 17 gelangt das Öl in die Lagerung und somit zu den Wälzkörpern 5.
Die Turbinenwelle 2 wird zusammen mit den Wälzkörperreihen 3, 4, den Lageraußenringen 7, 8 und dem Abstandselement 9 sowie den weiteren hier gezeigten Bauteilen der Lagerung in ein Gehäuse 18 eingebracht, beispielsweise in eine Axialbohrung 19 desselben. Die Rille 28 in der radial äußeren Oberfläche des Abstandselementes 9 erleichtert das Einschieben und Ausrichten des Abstandselementes 9 in der Axialbohrung 19, weil die Reibungskräfte durch die reduzierte anliegende Oberfläche verringert werden. Anschließend wird nach einer geeigneten Ausrichtung der Lageraußenringe 7, 8 und des Abstandselementes 9 das Abstandselement 9 im Gehäuse 18 axial und radial beziehungsweise verdrehsicher fixiert, hier mittels der Abstandselementbefestigungsschraube 20, die in eine entsprechende Radialbohrung 21 im Gehäuse 18 und einer Radialbohrung 22 im Abstandselement 9 eingeschraubt wird. Beispielsweise ist die Radialbohrung 22 mit einem Gewinde versehen. Genauso könnte jedoch auch die Radialbohrung 21 mit einem Gewinde versehen sein und die Radialbohrung 22 insbesondere gewindefrei ausgeführt sein. Die erstgenannte Alternative hat den Vorteil, dass die Ausrichtung des Abstandselementes 9 im Gehäuse 18 erleichtert wird.
In der 2 erkennt man ferner, dass zwischen dem Abstandselement 9 und den Lageraußenringen 7, 8 ein axialer Anschlag 23 ausgebildet ist, welcher den Federweg der Federelemente 12 begrenzt. Dieser axiale Anschlag wird durch die Stirnseiten 13 des Abstandselementes 9 gebildet, an welchen Stirnseiten 24 der Lageraußenringe 7, 8 anschlagen.
In der 2 ist ferner ein Ölring 25 je Lageraußenring 7, 8 zwischen dem jeweiligen Lageraußenring 7, 8 und dem Gehäuse 18 vorgesehen, um eine Dämpfung zu erreichen.
Ferner ist in der 2 nochmals markiert mit dem Bezugszeichen 26 das Spiel zwischen dem Schaft der Abstandselementbefestigungsschraube 20 und dem Gehäuse 18 gezeigt, welches das Ausrichten des Abstandselementes 9 im Gehäuse 18 erleichtert. Ein solches Spiel beträgt beispielsweise zwischen 0,1 und 0,8 mm, vorzugsweise zwischen 0,2 und 0,5 mm.
Im Übrigen sind in der 2 die der 1 entsprechenden Bauteile mit den entsprechenden Bezugszeichen beziffert.
In der 3 ist eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung gezeigt, wiederum in einer dreidimensionalen Explosionsdarstellung. Die 4 zeigt diese Ausführung in einer Draufsicht und die 5 zeigt einen Axialschnitt entsprechend der Darstellung zu der ersten Ausgestaltung in der 2, nur ohne Gehäuse. Die entsprechenden Bauteile sind wieder mit den entsprechenden Bezugszeichen wie bei der ersten Ausgestaltung identifiziert.
Im Vergleich zur Ausgestaltung in den 1 und 2 ist bei der Ausgestaltung gemäß den 3 bis 5 die Reihenfolge der Anordnung des Federelementes 12 und des Verdrehsicherungsringes 14 zwischen dem ersten Lageraußenring 7 und dem Abstandselement 9 sowie zwischen dem zweiten Lageraußenring 8 und dem Abstandselement 9 vertauscht. Dies ist jedoch nicht zwingend, vielmehr könnte auch eine Reihenfolge der Anordnung entsprechend der ersten Ausführungsform vorgesehen sein.
Die zweite dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich ferner dadurch von der ersten Ausführungsform, dass die beiden axialen Vorsprünge 15, 16 zu einem einzigen Vorsprung integriert sind, der sowohl in eine axiale Aussparung des Abstandselementes 9 als auch in eine axiale Aussparung 17 des jeweiligen Lageraußenringes 7, 8 eingreift.
Abweichend von der dargestellten Ausführungsform, bei welcher sich der integrierte axiale Vorsprung 15, 16 ausgehend vom ringförmigen Grundkörper des Verdrehsicherungsringes 14 nur in eine axiale Richtung erstreckt, könnten die beiden axialen Vorsprünge 15 und 16 des Verdrehsicherungsringes 14 einander über dem Umfang des Verdrehsicherungsringes 14 unmittelbar gegenüberliegend oder sich in entgegengesetze Axialrichtungen erstreckend integral miteinander ausgeführt sind, also in Axialrichtung fluchten. Der axiale Vorsprung 16 würde auch dann wiederum in eine axiale Aussparung des Abstandselementes 9 eingreifen und der axiale Vorsprung 15 würde in eine axiale Aussparung 17 des jeweiligen Lageraußenringes 7, 8 eingreifen.
Abweichend von der ersten gezeigten Ausführungsform greifen die axialen Vorsprünge 16 jeweils in eine axiale Aussparung 29, 30 des Abstandselementes 9 ein, die zusätzlich zu der Unterbrechung 10 vorgesehen ist. Auch dies ist jedoch nicht zwingend.
Eine weitere mögliche, jedoch nicht zwingende Abweichung vom ersten gezeigten Ausführungsbeispiel liegt darin, dass das Federelement 12 über seinem Umfang unterbrochen ausgeführt ist, sodass der jeweilige axiale Vorsprung 16 durch die Unterbrechung im Federelement 12 hindurch in das Abstandselement 9 eingreifen kann. Damit wird auch das Federelement 12 gegen Verdrehung gegenüber dem Lageraußenring 8, 9 und dem Abstandselement 9 gesichert.
Vorteilhaft ist das Federelement 12 radial innerhalb des Abstandselementes 9 positioniert, sodass das Abstandselement 9 das Federelement 12 über dessen äußeren Umfang umschließt. Der Verdrehsicherungsring 14 kann insbesondere radial innerhalb des jeweiligen Lageraußenringes 7, 8 positioniert sein, zumindest der genannte ringförmige Grundkörper, sodass nur der Vorsprung 16 radial nach außen in die axiale Aussparung 17 des jeweiligen Lageraußenringes 7, 8 ragt. Bei der Ausgestaltung gemäß der 1 und 2 hingegen war vorteilhaft vorgesehen, dass sowohl das Federelement 12 als auch der Verdrehsicherungsring 14 radial innerhalb des jeweiligen Lageraußenringes 7, 8 positioniert ist.
Ein weiterer Unterschied bei der Ausgestaltung gemäß den 3 bis 5 ist darin zu sehen, dass die Rille 28 auf der äußeren Oberfläche des Abstandselementes 9 wesentlich schmaler in Axialrichtung ausgeführt ist. Eine solche Rille 28 kann zur axialen Sicherung des Abstandselementes 9 im Gehäuse dienen, wenn nämlich dort ein entsprechendes Klemmelement des Gehäuses (in den 3 bis 5 nicht dargestellt) eingebracht wird.
Bezüglich weiterer möglicher Details wird auf die in den 1 und 2 dargestellte Ausführungsform verwiesen.
Bezugszeichenliste

1: Turbinenrad
2: Turbinenwelle
3: erste Wälzkörperreihe
4: zweite Wälzkörperreihe
5: Wälzkörper
6: Käfig
7: erster Lageraußenring
8: zweiter Lageraußenring
9: Abstandselement
10: Unterbrechung
11: Bund
12: Federelement
13: Stirnseite
14: Verdrehsicherungsring
15: axialer Vorsprung
16: axialer Vorsprung
17: axiale Aussparung
18: Gehäuse
19: Axialbohrung
20: Abstandselementbefestigungsschraube
21: Radialbohrung
22: Radialbohrung
23: axialer Anschlag
24: Stirnseite
25: Ölring
26: Spiel
27: Öleinlass
28: Rille
29: axiale Aussparung
30: axiale Aussparung

Claims

Lagerung für einen Turbolader oder eine Abgasnutzturbine 1.1 mit wenigstens zwei Lageraußenringen (7, 8); 1.2 mit wenigstens zwei Wälzkörperreihen (3, 4) an entgegengesetzten axialen Enden der Lagerung, wobei 1.3 jeweils wenigstens ein Lageraußenring (7, 8) jeweils wenigstens eine Wälzkörperreihe (3, 4) unter Ausbildung einer äußeren Lagerlaufbahn umschließt; 1.4 mit wenigstens einer inneren Lagerlaufbahn je Wälzkörperreihe (3, 4); 1.5 mit einem ringförmigen Abstandselement (9) in Axialrichtung zwischen den beiden Lageraußenringen (7, 8); 1.6 mit einer durch die Wälzkörperreihen (3, 4) gelagerten Turbinenwelle (2); dadurch gekennzeichnet, dass 1.7 das Abstandselement (9) über seinem Umfang derart unterbrochen oder unterbrechbar ist, dass es bei in den Wälzkörperreihen (3, 4) gelagerter Turbinenwelle (2) radial von außen zwischen die beiden Lageraußenringe (7, 8) und über die Turbinenwelle (2) aufschiebbar ist.
Lagerung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine O-Anordnung ausbildet.
Lagerung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren Laufbahnen durch eine äußere Oberfläche der Turbinenwelle (2) gebildet werden.
Lagerung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Lageraußenringe (7, 8) in Axialrichtung mittels wenigstens eines Federelementes (12) elastisch gegeneinander abgestützt sind.
Lagerung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Lageraußenringe (7, 8) in Axialrichtung mittels jeweils wenigstens eines Federelementes (12) elastisch gegen das Abstandselement (9) abgestützt sind.
Lagerung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (12) als Wellfeder ausgeführt sind.
Lagerung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein das Abstandselement (9) und die Lageraußenringe (7, 8) umschließendes stationäres Gehäuse (18) vorgesehen ist und das Abstandselement (9) verdrehsicher und axial gesichert im Gehäuse (18) gehalten wird.
Lagerung gemäß der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (12) verdrehsicher gegenüber dem Abstandselement (9) angeordnet sind und/oder zwischen den Federelementen (12) und dem Abstandselement (9) eine die Unterbrechung (10) im Abstandselement (9) überbrückende Scheibe oder überbrückender Ring (14) vorgesehen ist.
Lagerung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lageraußenringe (7, 8) mittels jeweils einer Verdrehsicherung am Abstandselement (9) angeschlossen sind.
Lagerung gemäß der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (12) mit derselben Verdrehsicherung wie die Lageraußenringe (7, 8) am Abstandselement (9) verdrehsicher angeschlossen sind.
Lagerung gemäß der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die die Unterbrechung (10) überbrückende Scheibe oder der die Unterbrechung (10) überbrückende Ring (14) zugleich die Verdrehsicherung der Lageraußenringe (7, 8) ausbildet.
Lagerung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein axialer Anschlag (23) für jeden der beiden Lageraußenringe (7, 8) vorgesehen ist, um eine elastische Einfederung des oder der Federelemente (12) zu begrenzen.
Lagerung gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der axiale Anschlag (23) durch axial nach außen gerichtete Stirnseiten (13) des Abstandselementes (9) gebildet wird, welchen axial nach innen gerichtete Stirnseiten (24) der Lageraußenringe (7, 8) gegenüberstehen.
Lagerung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrehsicherung wenigstens eine axiale Aussparung (17) im jeweiligen Lageraußenring (7, 8) und wenigstens einen in die axiale Aussparung (17) eingreifenden axialen Vorsprung (15) des Abstandselementes (9) oder der die Unterbrechung (10) überbrückenden Scheibe oder des die Unterbrechung (10) überbrückenden Ringes (14) aufweist, und den Wälzkörperreihen (3, 4) Öl zur Schmierung und/oder Kühlung über die wenigstens eine axiale Aussparung (17) zugeführt wird.
Lagerung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrehsicherung wenigstens eine axiale Aussparung (17) im jeweiligen Lageraußenring (7, 8) und wenigstens eine axiale Aussparung (29, 30) an jedem axialen Ende des Abstandselementes (9) aufweist, sowie einen Ring (14) mit wenigstens zwei in axialer Richtung entgegengesetzt zueinander verlaufenden oder integral zu einem gemeinsamen Vorsprung verbundenen axialen Vorsprüngen (15, 16), von denen einer in die axiale Aussparung (17) im jeweiligen Lageraußenring (7, 8) und einer in die axiale Aussparung (29, 30) im Abstandselement (9) eingreift.
Lagerung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15 dadurch gekennzeichnet, dass die Lageraußenringe (7, 8) von einem Ölring (25), insbesondere Quetschölfilm, umschlossen werden.
Lagerung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstandselement (9) innerhalb des Gehäuses (18) mittels einer Schraube (20) fixiert wird, die durch eine Radialbohrung (21) des Gehäuses (18) in eine Radialbohrung (22) innerhalb des Abstandselements (9) eingreift.
Turbolader oder Abgasnutzturbine mit einer Lagerung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 17, und ferner umfassend ein von der Turbinenwelle (2) getragenes Turbinenrad (1) und ein/einen von der Turbinenwelle (2) getragenes Verdichterrad, Ritzel und/oder Rotor eines elektrischen Generators.
Verfahren zum Montieren einer Turbinenwelle (2) in einem Turbolader oder einer Abgasnutzturbine gemäß Anspruch 18 mit den folgenden Schritten: 19.1 Anordnen der Wälzkörperreihen (3, 4) und der Lageraußenringe (7, 8) auf der Turbinenwelle (2) oder auf wenigstens einem oder zwei auf der Turbinenwelle (2) aufgebrachten Lagerinnenringen; 19.2 Einschieben des Abstandselementes (9) radial von außen axial zwischen die Lageraußenringe (7, 8) derart, dass es die Turbinenwelle (2) über deren äußeren Umfang umgreift; 19.3 Einbringen der Turbinenwelle (2) zusammen mit den Wälzkörperreihen (3, 4), den Lageraußenringen (7, 8) und dem Abstandselement (9) in das Gehäuse (18); 19.4 axiales Ausrichten wenigstens eines Lageraußenringes (7, 8) in dem Gehäuse (18); 19.5 anschließendes axiales und verdrehsicheres Fixieren des Abstandselementes (9) im Gehäuse (18).
Verfahren gemäß Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Anordnen der Wälzkörperreihen (3, 4) und der Lageraußenringe (7, 8) wenigstens ein Federelement (12) und/oder die Unterbrechung (10) im Abstandselement (9) überbrückende Scheiben/überbrückende Ringe (14) auf der Turbinenwelle (2) angeordnet wird/werden, wobei bei Vorsehen von die Unterbrechung (10) im Abstandselement (9) überbrückenden Scheiben/Ringen (14) das Abstandselement (9) radial von außen axial zwischen die Scheiben/Ringe (14) eingeschoben wird.