-
TECHNISCHES GEBIET
-
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf Lagersysteme für Drehelemente und insbesondere auf Lagersysteme für die Verwendung in Turboladern.
-
STAND DER TECHNIK
-
Lagersysteme tragen Drehelemente in der Regel auf eine reibungsarme Weise. In einem beispielhaften Turbolader wird ein Lagersystem zum Tragen einer Drehwelle verwendet, die an einem Ende an ein Verdichterrad und an dem anderen Ende an ein Turbinenrad gekoppelt ist. Die gemeinsame Welle sich kann mit Drehzahlen drehen, die sich Hunderttausenden von Umdrehungen pro Minute nähern. Außerdem kann der Turbolader in einer Hochtemperaturumgebung betrieben werden.
-
Einige herkömmliche Lagerelemente werden maschinell bearbeitet, indem mehrere Bögen mit konstantem Radius in eine innere Oberfläche des Lagerelements geschnitten werden. An dem Schnittpunkt der Bögen mit konstantem Radius treten Diskontinuitäten in der inneren Oberfläche auf, die Unterbrechungen in dem Flüssigkeitsstrom verursachen können. Außerdem ist die Herstellung dieser herkömmlichen Lager ein zeitintensiver Vorgang. Herkömmliche Lagerelemente mit drei Nocken sind für eine bidirektionale Wellendrehung ausgelegt und nicht für eine monodirektionale Wellendrehung optimiert, wodurch erhöhte Wellendrehzahlen möglich sind.
-
Die US-Patentanmeldung, Veröffentlichungsnr. 2006/0078239 (im Folgenden '239-Publikation genannt) offenbart ein Wellenlagerkonzept für Zapfen- und Drucklager mit Flüssigkeitsfilm. Ein solches Lager wird in Wellenlagern mit Druckgas für erhöhte Tragfähigkeit und dynamische Stabilität, in Wellenlagern mit flüssigen Schmiermitteln und dergleichen verwendet. Außerdem ist die Drehung der Welle innerhalb des Lagers entweder mono- oder bidirektional.
-
KURZDARSTELLUNG
-
In Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Lagerelement offenbart. Das Lagerelement enthält eine innere Oberfläche, die konfiguriert ist, um eine zylindrische Welle aufzunehmen, wobei die innere Oberfläche ein glattes Profil aufweist und eine Vielzahl von Abschnitten umfasst, wobei jeder Abschnitt einen Kegelabschnitt zwischen einem ersten Bogenspannpunkt und einem zweiten Bogenspannpunkt, einen Abschnitt mit konstantem Radius zwischen dem zweiten Bogenspannpunkt und einem dritten Bogenspannpunkt und einen Übergangsabschnitt zwischen dem dritten Bogenspannpunkt und einem vierten Bogenspannpunkt aufweist. Die Dimension des Radius der inneren Oberfläche ändert sich von einer Hauptdimension des Innendurchmessers an dem ersten Bogenspannpunkt zu einer kleineren Dimension des Innendurchmessers an dem zweiten Bogenspannpunkt und ändert sich von der kleineren Dimension des Innendurchmessers an dem dritten Bogenspannpunkt zu der größeren Dimension des Innendurchmessers an dem vierten Bogenspannpunkt.
-
Ein erster Winkelabstand zwischen dem Bogenspannpunkt und dem zweiten Bogenspannpunkt ist größer als ein zweiter Winkelabstand zwischen dem dritten Bogenspannpunkt und dem vierten Bogenspannpunkt. Darüber hinaus enthält die innere Oberfläche eine durchgehende Oberfläche an dem ersten, zweiten, dritten und vierten Bogenspannpunkt. Der vierte Bogenspannpunkt eines ersten Abschnitts grenzt an einen ersten Bogenspannpunkt eines nachfolgenden Abschnitts.
-
In noch einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Turboladerlagersystem ein erstes Lagerelement und ein zweites Lagerelement. Das erste Lagerelement enthält eine innere Oberfläche, die konfiguriert ist, um eine zylindrische Welle aufzunehmen, wobei die innere Oberfläche ein glattes Profil enthält und eine Vielzahl von Abschnitten umfasst, wobei jeder Abschnitt einen Kegelabschnitt zwischen einem ersten Bogenspannpunkt und einem zweiten Bogenspannpunkt, einen Abschnitt mit konstantem Radius zwischen dem zweiten Bogenspannpunkt und einem dritten Bogenspannpunkt und einen Übergangsabschnitt zwischen dem dritten Bogenspannpunkt und einem vierten Bogenspannpunkt aufweist.
-
Eine Dimension des Radius der inneren Oberfläche ändert sich von einer Hauptdimension des Innendurchmessers an dem ersten Bogenspannpunkt zu einer kleineren Dimension des Innendurchmessers an dem zweiten Bogenspannpunkt und ändert sich von der kleineren Dimension des Innendurchmessers an dem dritten Bogenspannpunkt zu der größeren Dimension des Innendurchmessers an dem vierten Bogenspannpunkt.
-
Ein erster Winkelabstand zwischen dem Bogenspannpunkt und dem zweiten Bogenspannpunkt ist größer als ein zweiter Winkelabstand zwischen dem dritten Bogenspannpunkt und dem vierten Bogenspannpunkt. Die innere Oberfläche enthält eine durchgehende Oberfläche an dem ersten, zweiten, dritten und vierten Bogenspannpunkt, und der vierte Bogenspannpunkt eines ersten Abschnitts grenzt an den ersten Bogenspannpunkt eines nachfolgenden Abschnitts.
-
Diese und andere Aspekte und Merkmale der vorliegenden Offenlegung werden leichter verständlich, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen werden.
-
Figurenliste
-
- 1 ist eine Querschnittsansicht einer ersten sich drehenden Maschine, in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
- 2 ist eine Querschnittsansicht einer zweiten sich drehenden Maschine, in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
- 3 ist eine Endansicht eines Lagerelements, in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
- 4 stellt eine Querschnittsdarstellung eines Teils eines Lagerelements der 2 dar, die entlang der Linie 3-3 genommen wurde, die in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung konstruiert ist;
- 5 stellt die relativen Dimensionen der inneren Oberfläche des Lagerelements dar, das in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung konstruiert ist,
- 6 stellt eine perspektivische Ansicht eines ersten Lagerelements dar, das in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung konstruiert ist;
- 7 stellt eine perspektivische Ansicht eines zweiten Lagerelements dar, das in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung konstruiert ist; und
- 8 stellt die relativen Dimensionen einer inneren Oberfläche an mehreren Stellen entlang einer axialen Dimension in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung dar.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
-
Die folgende Beschreibung der Varianten ist lediglich darstellend und soll auf keine Weise den Umfang der Erfindung, ihre Anwendung oder ihre Verwendungen einschränken.
-
1 stellt eine schematische Übersicht einer ersten sich drehenden Maschine in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung dar. In einer Reihe von Variationen, wie in 1 dargestellt, kann ein Lagersystem 100 innerhalb einer sich drehenden Maschine 120, wie eines Turboladers, verwendet werden, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Die sich drehende Maschine 120 enthält ein Verdichterrad 16, das über die gemeinsame Welle 18 mit dem Turbinenrad 14 verbunden werden kann. Die Welle 18, die eine zylindrische Welle sein kann, erstreckt sich durch ein Gehäuse 20. Das Lagersystem 100 befindet sich in dem Gehäuse 20, und die Welle 18 erstreckt sich durch das Lagersystem und dreht sich um die axiale Richtung 11 (z. B. eine Längsachse). Die radiale Richtung 15 kann die axiale Richtung 11 schneiden, die sich senkrecht von der axialen Richtung 11 in jedem der 360 Winkel grade um die axiale Richtung 11 erstreckt.
-
Das Lagersystem 100 kann eine Vielzahl von Lagerelementen enthalten. Ein kompressorseitiges Lagerelement 24 ist links in 1 dargestellt und ein turbinenseitiges Lagerelement 26 ist rechts in 1 dargestellt. Die Lagerelemente 24, 26 können in einer Bohrung 28 des Gehäuses 20 enthalten sein und über ein Schmierölsystem 23 mit einem Schmiermittel versorgt werden. Bei einem oder beiden der Lagerelemente 24, 26 kann es sich um halbgleitendes Lager, vollständig gleitendes Lager oder Ähnliches handeln. Ein halbgleitendes Lagerelement kann in eine Patrone innerhalb des Gehäuses 20 präzediert werden. Das halbgleitende präzedierte Lagerelement darf sich leicht um die Welle drehen oder wackeln. Ein Gleitlager kann sich relativ zu dem Gehäuse und mit einer Drehzahl drehen, die geringer als die Drehzahl der Welle 18 ist. In einer solchen Ausführungsform kann es zwei hydrodynamische Ölfilmschnittstellen geben, die eine äußere Filmschnittstelle 30 zwischen dem Gehäuse 20 und den Lagerelementen 24, 26 und eine innere Filmschnittstelle 32 zwischen den Lagerelementen 24, 26 und der Welle 18 enthalten.
-
2 ist eine Querschnittsansicht einer zweiten sich drehenden Maschine, in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Insbesondere stellt 2 stellt die sich drehende Maschine 220 dar, die der sich drehenden Maschine 120 ähnlich ist, mit der Ausnahme des integrierten Lagersystems 200. Das integrierte Lagersystem 200 enthält einen ersten Lagerelementabschnitt 221, einen Abstandshalterabschnitt 222 und einen zweiten Lagerelementabschnitt 223. Der erste Lagerelementabschnitt 221 ist dem Lagerelement 24 aus 1 ähnlich und der zweite Lagerelementabschnitt 223 ist dem Lagerelement 26 aus 1 ähnlich, indem beide Teile 221, 223 konfiguriert sind, um die Welle 18 zu tragen und maschinell bearbeitet sein können, dass sie die innere Oberfläche 54 aufweisen, was in der gesamten Patentschrift detaillierter offenbart wird. Der Abstandshalterabschnitt kann einen größeren Durchmesser als der erste und zweite Lagerelementabschnitt 221, 223 aufweisen, um ein größeres Spiel um die Welle 18 bereitzustellen. In einigen Ausführungsformen wird das integrierte Lagersystem 200 durch eine halbgleitende Patrone umgesetzt, wobei jeder der Abschnitte 221, 222, 223 in ein einheitliches Stück integriert ist. In anderen Ausführungsformen verbindet der Abstandshalterabschnitt 222 den ersten und zweiten Lagerelementabschnitt 221, 223 als drei separate, aneinander befestigte Stücke.
-
3 stellt eine schematische Darstellung eines Lagerelements in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung dar. 4 stellt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Teils eines Lagerelements, aufgenommen entlang der in 3 angegebenen Linie 4-4 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung dar. Insbesondere 3 und 4 stellen das Lagerelement 50 dar, das in dem Lagersystem 100 der 1 entweder als das Lagerelement 24 oder 26 oder das Lagersystem 200 der 2 als entweder der erster oder der zweiten Lagerelementabschnitt 221, 223 verwendet werden kann. Das Lagerelement 50 kann aus einem starren Material konstruiert (z. B. maschinell bearbeitet) sein und eine allgemein hohlzylindrische Form aufweisen. Das Lagerelement 50 enthält eine sich axial erstreckende Öffnung 52, die in der Lage ist, die Welle 18 aufzunehmen. Die Öffnung 52 definiert eine innere Oberfläche 54. Die innere Oberfläche 54 erstreckt sich um einen 360-Grad-Umfang der Öffnung 52 von einem ersten Ende 56 zu einem zweiten Ende 58 des Lagerelements 50. Die innere Oberfläche 54 kann ein glattes Profil mit unterschiedlicher Dicke aufweisen, wie hierin detaillierter erörtert wird.
-
Das Lagerelement 50 kann einen äußersten Umfang 60 aufweisen, der sich um das Lagerelement 50 herum erstreckt und eine äußere Umfangsoberfläche 62 definiert, die sich von dem ersten Ende 56 bis zu dem zweiten Ende 58 erstreckt. Das Lagerelement 50 kann eine Wand 64 aufweisen, die zwischen der inneren Oberfläche 54 und der äußeren Umfangsoberfläche 62 bestehen kann. Eine Anzahl von Öffnungen 68, 69 kann sich in der radialen Richtung 15 durch die Wand 64 von der äußeren Umfangsoberfläche 62 bis zu der inneren Oberfläche 54 erstrecken. Die Öffnungen 68, 69 können mit dem Schmierölsystem 23 zusammenarbeiten, um die innere Oberfläche 54 und die Verbindungswelle 18 mit Schmiermittel zu versorgen. Die Positionierung der Öffnungen 68, 69 wird in Verbindung mit 5 ausführlicher erläutert.
-
5 stellt die relativen Dimensionen der inneren Oberfläche des Lagerelements in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung dar. Insbesondere stellt 5 die relativen Dimensionen des glatten Profils der inneren Oberfläche 54 des Lagerelements 50 dar. Hier sind die relativen Dimensionen der inneren Oberfläche 54 übertrieben dargestellt, um die Veränderungen der radialen Dimensionen 520 der inneren Oberfläche 54 deutlich zu zeigen. Während die Dimensionen scheinbar fünfundvierzig (45) Radialmesseinheiten (z. B. von ungefähr 155 bis 200 Einheiten) auf dem Schaubild 500 variieren, sollte verstanden werden, dass die tatsächliche Änderung der Dimensionen ein Bruchteil der auf dem Schaubild 500 dargestellten Änderung sein kann. Bei einigen Ausführungsformen wird das Verhältnis der Länge der Welle 18 zum Durchmesser des Lagerelements 50 gewählt, um in dem Bereich von 0,3 bis 0,8 zu liegen. Bei einer nominellen Turboladeranwendung kann die Varianz der Messungen des Durchmessers der inneren Oberfläche 54 in der Größenordnung von 10 bis 30 Mikrometern zwischen maximalen (größeren) und minimalen (kleineren) Messungen liegen. Während der gesamten Offenbarung sind die Lagerelemente 50 ausgelegt, damit sich die Welle 18 in einer Richtung im Uhrzeigersinn dreht, relativ zu der in 5 dargestellten Ansicht der inneren Oberfläche 54.
-
In dem Schaubild 500 ist eine Vielzahl von Abschnitten 502a, 502b, 502c dargestellt. In dem Schaubild 500 erstreckt sich die axiale Richtung 11 senkrecht in die Seite hinein und aus dieser heraus, und die radiale Richtung 15 erstreckt sich von der Mitte durch jeden der 360 Grad nach außen. Außerdem ist die Drehung der Welle 18 in der Richtung im Uhrzeigersinn auf dem Schaubild 500. Hier erstreckt sich der Abschnitt 502a über ungefähre Dimensionen von 5 Grad bis 125 Grad, insgesamt über 120 Grad. Der Abschnitt 502 enthält einen sich Kegelabschnitt 506a zwischen einem ersten Bogenspannpunkt 512a und einem zweiten Bogenspannpunkt 514a, einen Abschnitt mit konstantem Radius 508a zwischen dem zweiten Bogenspannpunkt 514a und einem dritten Bogenspannpunkt 516a und einen Übergangsabschnitt 510a zwischen dem dritten Bogenspannpunkt 516a und dem vierten Bogenspannpunkt 518a.
-
Der Kegelabschnitt 506a erstreckt sich über eine erste Winkeldistanz 522, hier zwischen etwa 5 Grad und etwa 90 Grad, oder 85 Gesamtwinkelgrade der Winkeldistanz. In der Richtung im Uhrzeigersinn durchläuft eine radiale Dimension 520 der inneren Oberfläche 54 einen glatten Übergang von einer ID-Hauptdimension an dem ersten Bogenspannpunkt 512a (relative radiale Dimension ~200 Einheiten) zu einer ID-Nebendimension an dem zweiten Bogenspannpunkt 514a (relative radiale Dimension ~155 Einheiten). Die Änderungsrate der radialen Dimension 520 der inneren Oberfläche 54 kann durch den Kegelabschnitt 506a mit einer konstanten Rate abnehmen, wobei die Wendepunkte in der Nähe des ersten Bogenabschnittpunktes 512a und des zweiten Bogenabschnittpunktes 514a liegen. Die radiale Dimension der inneren Oberfläche 54 nimmt bei einigen anderen Ausführungsformen durch den Kegelabschnitt 506a mit einer nicht konstanten Rate ab. Wie hierin offenbart, umfasst ein glatter Übergang eine Oberfläche ohne eine Diskontinuität in der Oberfläche (z. B. wenn sich ein erster Bogen mit einem zweiten Bogen schneidet).
-
Wenn sich die Welle 18 in der Richtung im Uhrzeigersinn dreht, trifft die Welle auf eine vergrößerte konvergierende Umfangsprofilfläche zum Erzeugen von hydrodynamischem Druck. Der erzeugte hydrodynamische Druck erlaubt es der Welle, höhere Geschwindigkeiten zu erreichen und trägt zum Reduzieren von Geräuschen und Vibrationen bei, die von der Drehwelle 18 erzeugt werden.
-
Weiter zu dem nächsten Abschnitt: der Abschnitt 508a mit konstantem Radius erstreckt sich zwischen etwa 90 Grad und 115 Grad Winkelabstand. Der Abschnitt 508a mit konstantem Radius behält einen konstanten Radius der ID-Nebendimension von etwa 155 Einheiten bei. Der Abschnitt mit konstantem Radius 508a kann zum Messen eines Mindestdurchmessers bei der Inspektion von Lagerelementen verwendet werden und kann ebenso als eine Auflage für die Welle 18 dienen.
-
Weiter zum nächsten Abschnitt: der Übergangsabschnitt 510a erstreckt sich zwischen einem zweiten Winkelabstand 524, hier zwischen 115 Grad und 125 Grad, oder 10 Grad Gesamtwinkelabstand. Wie bei dem Kegelabschnitt 506a variiert die Dimension 520 des Radius der inneren Oberfläche 54 in dem Übergangsabschnitt 510. Hier geht die Dimension 520 des Radius von der ID-Nebendimension (155 Einheiten) an dem dritten Bogenspannpunkt 516a in die ID-Hauptdimension (200 Einheiten) an dem vierten Bogenspannpunkt 518a über. Der Übergang kann eine konstante Änderung der Dimension 520 des Radius für jeden Grad Winkelabstand sein oder in einigen Ausführungsformen einen „S-förmigen“ Übergang mit einem Wendepunkt in der Mitte des Übergangsabschnitts 510a aufweisen. Der Übergangsabschnitt 510a stellt die radiale Dimension 520 der inneren Oberfläche 54 wieder auf die ID-Hauptdimension für die Erzeugung eines nachfolgenden Kegelabschnitts 506b zurück, während sich die Welle 18 weiter um die Achse 11 dreht.
-
In dem Übergangsabschnitt 510 erstreckt sich die Dimension 520 des Radius nicht über die ID-Hauptdimension, die Dimension 520 des Radius der maximalen Dimension sowohl des Übergangsabschnitts 510 als auch des Kegelabschnitts 506 hinaus.
-
In einigen Ausführungsformen sind die Öffnungen 68, 69, die mit dem Schmierölsystem 23 verbunden sind, in einem Übergangsabschnitt 510 angeordnet. Beispielsweise kann der Übergangsabschnitt 510 jedes Abschnitts 502 wenigstens eine Öffnung 68 enthalten, um die innere Oberfläche 54 des Lagerelements 50 mit Öl zu versorgen. In einem Beispiel ist die Öffnung 68 innerhalb des Übergangsabschnitts 510 in der Nähe des Punktes 512, 518 bereitgestellt. Das Öl wird von der Drehwelle 18 entlang des Kegelabschnitts 506 zu dem Abschnitt mit konstantem Radius 508 mitgerissen. In anderen Ausführungsformen kann Schmieröl über kleine, axial verlaufende Rillen hinzugefügt werden, die Öl zu dem Anfang des Kegelabschnitts 506 zuführen.
-
In einigen Ausführungsformen ist der erste Winkelabstand 522 (z. B. umfassend den Kegelabschnitt 506a zwischen dem ersten Bogenspannpunkt 512a und dem zweiten Bogenspannpunkt 514a) größer als der zweite Winkelabstand 524 (z.B. umfassend den Übergangsabschnitt 510a zwischen dem dritten Bogenspannpunkt 516a und dem vierten Bogenspannpunkt 518a). In einigen Ausführungsformen ist der erste Winkelabstand doppelt so groß wie der zweite Winkelabstand 524. In noch anderen Ausführungsformen wird der erste Winkelabstand 522 gewählt, um wenigstens 5 bis 15-mal so groß zu sein wie der zweite Winkelabstand 524. Dadurch unterscheidet sich das glatte Profil der inneren Oberfläche 54 von einem typischen Lagerelement mit einer sinusförmigen Varianz der Innenradiusdimension. Die Variation des Verhältnisses des ersten Winkelabstandes 522 zu dem zweiten Winkelabstand 524 kann auf der Auswahl der Schmierflüssigkeit, den Eigenschaften der Welle 18, der beabsichtigten Wellendrehzahl und Ähnlichem beruhen.
-
In einigen Ausführungsformen kann das Lagerelement 50 hydrodynamische Drücke erzeugen, wenn sich die Welle 18 rückwärts dreht (z. B. gegen den Uhrzeigersinn in 5). In solchen Ausführungsformen wird die Erzeugung hydrodynamischer Drücke durch Anwendungen mit niedriger Last und/oder niedriger Drehzahl begrenzt. Ferner können die Winkelabstandsverhältnisse des Kegelabschnitts 506, des Abschnitts 508 mit konstantem Radius und des Übergangsabschnitts 510 variiert werden, um hydrodynamische Drücke zu erzeugen, wenn die Welle 18 rückwärts betrieben wird.
-
An jedem Schnittpunkt zwischen den verschiedenen Abschnitten (506a, 508a, 510a) des Abschnitts 502a weist die innere Oberfläche 54 ein glattes Profil mit einer durchgehenden Oberfläche auf. Ferner ist der Schnittpunkt zwischen den verschiedenen Abschnitten 502 in der Vielzahl der Abschnitte 502a, 502b, 502c ebenso ein glatter Übergang. Hier ist der erste Bogenspannpunkt 512a des ersten Abschnitts 502a an derselben Position wie der vierte Bogenspannpunkt 518c des dritten Abschnitts 502c. Der Übergang zwischen einem ersten Abschnitt (z. B. 502a) und einem angrenzenden Abschnitt 502 (z. B. 502b) stellt ebenso eine glatte und durchgehende innere Oberfläche 54 dar.
-
In Ausführungsformen mit drei Abschnitten, wie in der 5 dargestellt, umfasst jeder Abschnitt 502 einen Winkelabstand von 120 Grad, wobei die angrenzenden Abschnitte nacheinander wiederholt werden. Dieselben Merkmale des ersten Abschnitts 502a werden in den nachfolgenden Abschnitten 502b und 502c wiederholt. In anderen Ausführungsformen kann die Anzahl der Vielzahl von Abschnitten variiert werden. Beispielsweise können zwei Abschnitte mit einem Winkelabstand von jeweils 180 Grad oder vier Abschnitte mit einem Winkelabstand von jeweils 90 Grad verwendet werden.
-
6 stellt eine perspektivische Ansicht eines ersten Lagerelements in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung dar; Insbesondere stellt 6 das Lagerelement 50 dar. Das Lagerelement 50 enthält dieselben Merkmale, wie in 3 bis 4 dargestellt, enthält jedoch ebenso Details des glatten Profils der inneren Oberfläche 54. Die innere Oberfläche 54 enthält drei Abschnitte, wobei der erste Abschnitt 502a mit einigen in 5 dargestellten Aspekten beschriftet ist. 6 stellt ebenso die axiale Dimension 11 und einen Grat 602 dar. Hier wird der Grat 602 an einem ersten/vierten Bogenspannweitenpunkt 512/518 ausgerichtet, an einer Stelle einer ID-Hauptdimension. Der Grat 602 verläuft ebenso parallel zu der axialen Dimension 11, was zu einer konstanten Stelle der einzelnen Bogenspannpunkte entlang der axialen Dimension 11 führt. Es wird ebenso angemerkt, dass ähnlich wie bei 5 die Änderungen der radialen Dimension 520 der inneren Oberfläche 54 in 6 übertrieben dargestellt sind.
-
7 stellt eine perspektivische Ansicht eines zweiten Lagerelements in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung dar. Insbesondere stellt 7 ein Lagerelement 700 dar, als eine Variante zu dem Lagerelement 50. Hier enthält das Lagerelement 700 anstelle des Grats 602 eine Schrägachse 702, die unter einem Winkel zu der axialen Dimension 11 steht. Wie bei dem Grat 602 ist der erste/vierte Bogenspannpunkt 512/518 an der Schrägachse 702 ausgerichtet. Daher kann sich die Lage der ID-Hauptdimension an verschiedenen Punkten entlang der axialen Dimension 11 winklig ändern. In einigen Ausführungsformen ändert sich die Schrägachse 702 mit konstanter Rate entlang der axialen Dimension 11. In einer Ausführungsform kann die Schrägachse zu einer 10-Grad-Drehung des ersten/vierten Bogenspannpunktes 512/518 von dem ersten Ende 56 zu dem zweiten Ende 58 führen. In einer anderen Ausführungsform kann die Schrägachse gekrümmt sein, was zu keinem Winkelversatz zwischen dem ersten und zweiten Ende 56, 58, sondern zu einem maximalen Winkelversatz an einem Mittelpunkt entlang der axialen Dimension 11 führt.
-
8 stellt die relativen Dimensionen einer inneren Oberfläche an mehreren Stellen entlang einer axialen Dimension in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung dar. Insbesondere stellt 8 das Schaubild 800 mit einer ersten Spur 802 der inneren Oberfläche und einer zweiten Spur 804 der inneren Oberfläche dar. Die erste Spur 802 der inneren Oberfläche ähnelt der in dem Schaubild 500 aus 5 dargestellten inneren Oberfläche. Beispielsweise enthält die erste Spur 802 drei Abschnitte, wobei jeder Abschnitt 502 einen Kegelabschnitt 506, einen Abschnitt mit konstantem Radius 508 und einen Übergangsabschnitt 510 umfasst, wobei die radiale Dimension 520 zwischen einer ID-Haupt- und einer ID-Nebendimension variiert, wie durchgehend ausführlicher offenbart.
-
Die zweite Spur 804 der inneren Oberfläche unterscheidet sich jedoch von der ersten Spur 802 der inneren Oberfläche dadurch, dass sie die gleiche ID-Nebendimension wie die erste Spur 802 der inneren Oberfläche beibehält, während sich die ID-Nebendimension der zweiten Spur 804 der inneren Oberfläche der (gemeinsamen zwischen den beiden Spuren) ID-Nebendimension annähert. Hier liegt die ID-Hauptdimension der zweiten Spur 804 bei etwa 175 Einheiten. Somit ist der Unterschied in den relativen Dimensionsänderungen zwischen ID-Haupt- und ID-Nebendimensionen der zweiten Spur 804 halb so groß (z. B. ein Verhältnis von 0,5) wie der maximale Unterschied in den relativen Dimensionsänderungen zwischen ID-Haupt- und ID-Nebendimension der ersten Spur 802 (z. B. ein Verhältnis von 1,0). In noch anderen Ausführungsformen kann der Unterschied zwischen der Größe der Änderung der ID-Hauptdimension als ein Verhältnis zwischen 0,0 und 1,0 variieren, wobei 0,0 einen konstanten Radius über die gesamte Winkeldistanz des Abschnitts angibt und 1,0 einen maximalen Unterschied zwischen der ID-Haupt- und der ID-Nebendimension über die gesamte Winkeldistanz des Abschnitts angibt.
-
In einigen Ausführungsformen variiert der Wert der ID-Dimension (wie zusammen mit 7 diskutiert) entlang der axialen Dimension 11. Beispielsweise kann ein Lagerelement derart konstruiert werden, dass an jedem Ende 56, 58 des Lagerelements 50 das Verhältnis zwischen ID-Haupt und ID-Neben 0,0 beträgt. In einem mittleren Abschnitt (z. B. einem Mittelpunkt) des Lagerelements 50 beträgt das Verhältnis zwischen ID-Haupt und ID-Neben 1,0. Somit weist das Lagerelement 50 das kleinste Spiel um die Welle 18 an jedem der Enden des Lagerelements 50 auf, wobei der größte Unterschied zwischen der ID-Haupt- und der ID-Nebendimension an dem Mittelpunkt entlang der Axialrichtung 11 auftritt. In einer weiteren Ausführungsform beträgt das Verhältnis zwischen ID-Haupt und ID-Neben 0,0 an dem ersten Ende 56 des Lagerelements 50 und beträgt das Verhältnis zwischen ID-Haupt und ID-Neben 1,0 an dem zweiten Ende 58 des Lagerelements 50, wobei das Verhältnis (z. B. mit konstanter Rate) von 0,0 auf 1,0 entlang der Axialrichtung 11 zunimmt.
-
Ein Vorteil des Variierens des Verhältnisses zwischen ID-Haupt und ID-Neben entlang der Achse 11 besteht darin, die Strömungsrichtung der Schmierflüssigkeit zu erlauben. Beispielsweise kann ein Lagerelement 50, das an beiden Enden eine kleinere ID-Hauptdimension als an einem Mittelpunkt entlang der Achse 11 aufweist, verwendet werden, um die Schmierflüssigkeit zu dem Mittelpunkt des Lagerelements 50 zu leiten.
-
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
-
Die hierin offenbarten Lagerelemente 50 können in verschiedenen Drehmaschinen verwendet werden. Sie können beispielsweise in Turboladerlagern verwendet werden, um subsynchrone Schwingungen und Geräusche zu reduzieren. Die Lehre dieser Offenbarung kann jedoch mit gleicher Wirksamkeit in vielen anderen mechanischen Anwendungen, einschließlich anderer automobilbezogener Technologien, eingesetzt werden. Maschinen mit installierten Lagerelementen 50 können höhere Drehzahlen erreichen. Das glatte Profil der inneren Oberfläche 54 erzeugt eine unidirektionale Konvergenz eines Flüssigkeitsfilms und stellt eine vergrößerte konvergierende Umfangsprofilfläche zum Erzeugen von hydrodynamischem Druck bereit.
-
Die Lagerelemente 50 können aus Feststoffmaterialien maschinell bearbeitet werden, beispielsweise aus Stahl, Aluminium, Kupfer und Ähnlichem. In dem Kegelabschnitt 506 wird eine Welle 18, die sich in einer Richtung im Uhrzeigersinn dreht, mit einer inneren Oberfläche mit einer maximalen radialen Dimension 520 (an dem ersten Bogenspannpunkt 512a) bis zu einer minimalen radialen Dimension 520 (an dem zweiten Bogenspannpunkt 514a) dargestellt. Somit wird sie mit einer konvergierenden Umfangsprofilfläche zum Erzeugen von hydrodynamischem Druck dargestellt. Ein umgesetzter Vorteil ist reduzierter Lärm und reduzierte Vibrationen, wodurch höhere Wellendrehzahlen erlaubt werden.
-
Die Lagerelemente 50 können entweder als ein halbgleitendes Lager oder als ein vollständig gleitendes Lager umgesetzt werden. Ausführungsformen mit einem halbgleitenden Lager enthalten zwei Ölfilme. Ein innerer Film zwischen der inneren Oberfläche 54 des Lagerelements 50 und der Welle 18 und ein äußerer Film zwischen dem Außendurchmesser des Lagerelements und dem Gehäuse.
-
In einigen Ausführungsformen kann ein Turbolader mehrere Lagerelemente 50 umfassen. In einer Ausführungsform mit einem ersten (verdichterseitigen) Lagerelement und einem zweiten (turbinenseitigen) Lagerelement kann jedes der Lagerelemente 50 mit dem gleichen Profil 54 der inneren Oberfläche konstruiert werden. In anderen Ausführungsformen ist es jedoch möglich, die Konstruktion des Lagerelements 50 zwischen dem ersten und zweiten Lagerelement zu variieren. Beispielsweise kann jedes der Lagerelemente eine Schrägachse, keine Schrägachse, variierende ID-Hauptdimensionen oder konstante ID-Hauptdimensionen entlang der axialen Dimension 11 enthalten.
-
Darüber hinaus werden zwar einige Merkmale in Verbindung mit bestimmten spezifischen Ausführungsformen beschrieben, jedoch sind diese Merkmale nicht darauf beschränkt, nur mit der Ausführungsform verwendet zu werden, mit der sie beschrieben werden. Vielmehr können Aspekte der spezifischen Ausführungsformen mit anderen Merkmalen kombiniert oder durch andere Merkmale ersetzt werden, die in Verbindung mit alternativen Ausführungsformen offenbart werden.
