DE19536017B4

DE19536017B4 - Turboladerantrieb und Planetenlager dafür

Info

Publication number: DE19536017B4
Application number: DE19536017A
Authority: DE
Inventors: James Leonard Lemont Blase; Charles Henry Oak Park McCreary
Original assignee: Electro Motive Diesel Inc
Current assignee: Progress Rail Locomotive Inc
Priority date: 1994-09-29
Filing date: 1995-09-27
Publication date: 2008-01-31
Anticipated expiration: 2015-09-28
Also published as: DE19536017B8; CA2158509A1; US5567056A; GB2293640A; GB9519804D0; DE19536017A1; CA2158509C; GB2293640B

Abstract

Planetenlager (84) zum drehbaren Halten eines Planetenzahnrades (48) in einem Motorturboladerantrieb, wobei das Lager einen Ring oder ein ringförmiges Element (92) mit einer zu einer zylindrischen inneren Wand (100) koaxialen äußeren Lagerfläche (98) und gegenüberliegenden ersten und zweiten Enden (102, 104) umfaßt, sowie eine Ölzufuhrnut (106), die als Ausnehmung unter der Lagerfläche ausgebildet und axial durch Schultern (108) benachbart den Enden begrenzt ist, wobei sich Ölzufuhrbohrungen (112), durch das Lager von der inneren Wand zu der Zufuhrnut öffnen, dadurch gekennzeichnet, daß Durchgänge in den Schultern die Ölzufuhrnut mit den Enden verbinden und einen Weg zum Ausstoß von schmutztragendem Öl aus der Lagerschmierölzufuhr definieren, wobei die Durchgänge Abflachungen (114) umfassen, die längs ansonsten konvexer Peripherien der Schultern ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Planetenlager nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere für Zweitaktdieselmotoren, bei denen ein geschwindigkeitserhöhender Planetenzahnradantriebszug vorgesehen ist. Ein solches Planetenlager ist aus der US 4,719,818 bekannt.
Hintergrund
Es ist auf dem Motoren, beispielsweise Zweitaktdieselmotoren, betreffenden Gebiet bekannt, einen auspuffgetriebenen Turbolader (Turbo) vorzusehen, um den Zylindern Spül- und Ladeluft auf einem Druck oberhalb des Umgebungsdrucks während des Betriebs bei höheren Lasten und Geschwindigkeiten zuzuführen. Ein Zahnradzug kann auch vorgesehen sein, um den Turbolader bei niedrigeren Geschwindigkeiten oder Lasten anzutreiben, während denen die Motorauspuffenergie nicht ausreicht, um eine Turborotationsgeschwindigkeit aufrechtzuerhalten, die geeignet ist, die erforderliche Luftzufuhr zu liefern. Das US-Patent Nr. 4 719 818 , Mc Creary, offenbart in den 1–3 eine Planetenzahnradantriebsanordnung, in welcher eine vergrößerte Nabe drehbar ein Lager in einem Planetenzahnrad hält. Der Mechanismus vergrößert die Lagerfläche und reduziert die Masse des Planetenzahnrades im Vergleich zur in den 4 und 5 gezeigten kommerziellen Anordnung des Standes der Technik, wo ein Lager auf einem Haltestift angebracht ist und drehbar ein Planetenzahnrad ohne Hülse trägt. Die dargestellte Anordnung des Standes der Technik stellt ei ne Turboladerantriebsanordnung dar, die in großem Umfang in dieselelektrischen Eisenbahnlokomotivenmotoren, die von der Electro-Motive Division von General Motors hergestellt werden, ebenso wie in zahlreichen anderen Anwendungen derartiger Motoren verwendet worden sind.
Aus der US 3,287,072 ist ein Lager bekannt, bei dem eine Nut in einer der Schultern vorgesehen ist, welche eine Schmiertasche mit einem benachbarten Ende verbindet und einen Weg zum Ausstoß von schmutztragendem Öl aus der Lagerschmierölzufuhr definiert.
Das DE-GM 11 940 offenbart ein Lager, in dem ringförmige Nuten längs der inneren Wand und im Weg einer Mediumströmung durch Zufuhrbohrungen angeordnet sind.
Schließlich ist aus der US 1,495,660 ein Wellenlager bekannt, das in einem konkaven Bereich eine keilförmig ausgebildete Schmiertasche aufweist.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Planetenlager dahingehend zu verbessern, daß dieses einfach herstellbar ist und eine Selbstreinigung von einer aus größeren Partikeln bestehenden Schmutzverunreinigung sicherstellt.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Erfindungsgemäß umfaßt das Planetenlager Flachbereiche auf eine Ölzufuhrnut begrenzenden Schultern, wobei die Flachbereiche Durchgänge zur Selbstreinigung des Lagers von einer aus größeren Partikeln bestehenden Schmutzverunreinigung bereitstellen.
Die verbesserte Lager- und Zahnradanordnung sorgt somit für eine vergrößerte minimale Filmdicke über der Lageroberfläche, die einen zufriedenstellenden Lagerbetrieb mit einer aus kleineren Partikeln bestehenden Schmutzverunreinigung auf einem Niveau erlaubt, das durch das Motorschmierölfiltersystem gestattet wird. Die selbstreinigende Wirkung des Lagers eliminiert Schmutzpartikel, die größer als die minima le Lagerfilmdicke sind, wodurch eine Beschädigung durch ungefilterte Verunreinigungen im Schmieröl reduziert wird. Zusätzlich sorgen die vergrößerte Ölströmung durch das Lager und der Kühleffekt der Innennuten für eine Reduzierung oder keine signifikante Erhöhung des Lagertemperaturanstiegs über den Ölfilm, und zwar trotz höherer Reibungsverluste aufgrund erhöhter Ölscherraten am vergrößerten Lagerdurchmesser.
Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:
1 eine Teilquerschnittsansicht des hinteren Endes eines turbogeladenen Zweitaktdieselmotors mittlerer Geschwindigkeit, die den Turbolader und den Antriebszug mit einer verbesserten Planetenlager- und -zahnradanordnung gemäß der Erfindung zeigt,
2 eine vergrößerte axiale Querschnittsansicht des Planetenträgers im Turbolader von 1, die die verbesserte Planetenlager- und -zahnradanordnung und ihre Halteanordnung zeigt,
3 eine Endansicht des Planetenträgers von 2, wobei ein Teil weggebrochen ist, um eines der Planetenzahnräder besser zu zeigen,
4 eine Seitenansicht von einem der Planetenlager der 1–3, die Details seines Ölverteilungssystems zeigt, und
5 eine transversale Querschnittsansicht längs der Linie 5-5 von 4.
Ausführliche Beschreibung
In der Zeichnung bedeutet die Ziffer 10 allgemein einen turbogeladenen Zweitaktzyklusdieselmotor mittlerer Geschwindigkeit, insbesondere des vorstehend angeführten Eisenbahndiesel-Typs, mit einer verbesserten Planetenlager- und -zahnradanordnung gemäß der Erfindung. Der Motor 10 umfaßt ein vorgefertigtes Kurbelgehäuse, nicht gezeigt, an dessen Rückseite ein zahnrad- und abgasgetriebener Turbolader angebracht ist, der allgemein durch Ziffer 12 angedeutet ist.
Der Turbolader 12 umfaßt ein Gehäuse 14, welches einen Rotor 16 hält, der ein Turbinenrad 18 und ein Kompressorrad oder einen Impeller 20 umfaßt, die auf einer gemeinsamen Welle 22 angebracht sind. Das Turbinenrad 18 wird durch Abgase angetrieben, die von den Motorzylindern, nicht gezeigt, ausgestoßen und durch eine Einlaßröhrenleitung und -spirale 24 gegen Schaufeln 26 auf dem Turbinenrad geleitet werden, wo ein Teil der Auspuffenergie dazu benutzt wird, den Rotor 16 zu drehen. Die Abgase werden dann in einer Kollektorkammer 28 aufgenommen und durch eine Abführröhrenleitung 30 ausgestoßen.
Die Rotation des Rotors 16 dreht den Impeller 20, wodurch Umgebungsluft durch eine Einlaßröhrenleitung 32 zu rotierenden Schaufeln 34 auf den Impeller gezogen wird, wo die Luft komprimiert wird. Die komprimierte Einlaßluft wird dann durch einen Diffusor 36 an eine Auslaßspirale 38 ausgestoßen, von welcher sie durch Röhrenleitungsmittel, nicht gezeigt, zu den Motorzylindern getragen wird.
Der nicht dargestellte Kurbelgehäuseteil des Motors 10 ist herkömmlicherweise mit einer Vielzahl von Kolben versehen, die in zugeordneten Zylindern hin- und herbewegbar und mit den Kröpfungen einer Kurbelwelle verbunden sind. Letztere ist wiederum durch Zahnräder und eine Überhol- oder Freilaufkupplung, nicht gezeigt, mit einem Leerläufer- oder Leitzahnrad 40 verbunden, das im Turbogehäuse 14 angebracht ist.
Das Leitzahnrad 40 treibt ein Trägerantriebszahnrad 42 an, das auf einem Wellenende 44 eines Planetenträgers 46 angebracht ist. Drei Planetenzahnräder 48 sind drehbar auf dem Träger in einer nachstehend zu beschreibenden Art und Weise angebracht. Diese befinden sich in Eingriff mit einem Ringzahnrad 50, das am Turbogehäuse 14 fixiert ist, und einem Sonnenzahnrad 52, das auf einem Ende einer Antriebswelle 54 ausgebildet ist, die am Turboladerrotor 16 befestigt ist. Dieser Zahnradzug sorgt für einen großen Anstieg in der Rotationsgeschwindigkeit zum Antreiben des Rotors 16 von der relativ langsamen Motorkurbelwelle.
Der Planetenträger 46 und die Zahnräder 48 sind deutlicher in den 2 und 3 dargestellt, welche den Träger 46 mit einem ringförmigen Ende 56 gegenüber dem Wellenende 44 (gezeigt in 1) zeigen. Das ringförmige Ende 56 umfaßt eine kreisförmige Ausnehmung 58, die axial am Ende offen ist, um das Sonnenzahnrad 52 in der Anordnung von 1 aufzunehmen. Drei ringförmig beabstandete, sich radial erstreckende Ausschnitte 60 sind ebenfalls vorgesehen, um die Planetenzahnräder 48 aufzunehmen.
Die Ausschnitte 60 bilden axial beabstandete vordere Wände 62 und hintere Wände 64 mit longitudinal ausgerichteten vorderen und hinteren Öffnungen 66 bzw. 68, in welchen Achswellen oder Stifte 70 aufgenommen sind. Ein elastischer Haltering 72, der in ausgerichteten Nuten im Träger und in den Stiften aufgenommen ist, hält die Stifte in Position in ihren Öffnungen 66, 68. Der Träger 46 und die Stifte 70 sind gegenüber der im Patent 4 719 818 dargestellten Anordnung des Standes der Technik unverändert und sorgen für Öldurchgänge 74, 76 im Träger, die durch eingeschlossene ringförmige Nuten 78 und Durchgänge 80 in den Stiften 70 mit Ausnehmungen 82 in äußeren Flächen der Stifte verbunden sind.
Gemäß der Erfindung sind Lager 84 mit vergrößerten äußeren Durchmessern auf die Stifte preßgepaßt und in nicht drehbaren Positionen durch geeignete Mittel wie Dübel oder, wie gezeigt, Ansätze 86 fixiert, die in Nuten 88 in den hinteren Wänden 64 des Planetenträgers aufgenommen sind. Die Planetenzahnräder 48 sind drehbar auf den Lagern 84 angebracht und mit vergrößerten Bohrungen 90 versehen, um sich mit den Lagern mit vergrößertem Durchmesser zu verbinden und mit diesen eine Anordnung zu bilden. In der dargestellten Ausführungsform weisen die Zahnradbohrungen 90 Innendurchmesser auf, die näherungsweise 68 Prozent größer sind als die Durchmesser ihrer zugeordneten Haltestifte 70, so daß die mit dem Lager in Eingriff stehenden Flächen der Zahnräder gegenüber jenen der Ausführungsform des Standes der Technik wesentlich vergrößert sind.
Jedes der zugeordneten Planetenlager 84 ist als ein Ring 92 mit einem äußeren Futter aus Lagermaterial 94 ausgebildet, welches vorzugsweise schmutzaufnehmende Bleibronze wie beispielsweise ANS 4822-Bronze ist, die über eine Stahlbasis 96 gelegt ist. Vorzugsweise ist eine dünne Nickelbarriere, nicht gezeigt, zwischen dem äußeren Futter und der Stahlbasis 96 vorgesehen, und ein dünner Überzug aus geeignetem korrosionsresistenten Material hoher Aufnahmefähigkeit ist über der Bronze vorgesehen.
Der Lagerring 92 weist eine zu einer zylindrischen inneren Wand 100 koaxiale zylindrische äußere Lagerfläche 98 sowie erste und zweite gegenüberliegende Enden 102, 104 auf. Eine Ölzufuhrnut 106 ist als Ausnehmung unter der Lagerfläche ausgebildet und axial durch Schultern 108 benachbart den Enden begrenzt. Ölzufuhrmittel durch das Lager zum Liefern von Öl an die Zufuhrnut 106 von der Ausnehmung 82 des zugeordneten Stiftes 70 sind durch drei axial beabstandete ringförmige Nuten 110 vorgesehen, die als Ausnehmungen in der inneren Wand 100 ausgebildet und jeweils mit drei Zufuhrlöchern 112 verbunden sind, die sich jeweils von einer der ringförmigen Nuten zu axial beabstandeten Stellen längs der Zufuhrnut 106 erstrecken. Flachbereiche 114 sind vorzugsweise längs ansonsten konvexer Peripherien der Schultern vorgesehen, um einen örtlichen Abstand zum zugeordneten Planetenzahnrad zu vergrößern. Die Flachbereiche 114 sind allgemein in axialer Ausrichtung mit den Zufuhrlöchern 112 angeordnet (d.h. liegen in derselben axialen Ebene) und definieren Durchgänge, durch welche größere Schmutzpartikel im Öl ausgestoßen werden können, ohne das Lager zu beschädigen. Obwohl sich Flachbereiche als wirksam erwiesen haben und leicht auszubilden sind, wäre es möglich, andere Durchgangsmittel wie beispielsweise Nuten oder Löcher zu verwenden und diese außerhalb einer axialen Ausrichtung mit den Zufuhrlöchern 112 anzuordnen.
Zur Erleichterung der Herstellung ist die Zufuhrnut 106 mit einem Boden mit einem flachen Abschnitt 116 an einem Ende gebildet, der sich über die Zufuhrlöcher 112 erstreckt und die äußere Fläche 98 des Lagers nahe den Zufuhrlöchern und geringfügig in der Richtung der Zahnradrotation von diesen beabstandet schneidet. Am anderen Ende besitzt der Zufuhrnutboden eine bogenförmige Konfiguration oder einen gekrümmten Abschnitt 118. Die besondere Form gestattet eine genaue Positionierung des Stromabwärts-Schnittbereiches der Zufuhrnut mit der äußeren Fläche des Lagers und erlaubt die Ausbildung der Nut mit einem einzigen Durchgang einer Fräse auf die gewünschte Tiefe, um den flachen Abschnitt 116 der Nut durch die Bewegung der Schneideeinrichtung relativ zum Lager zu bilden, und das Hinterlassen des gekrümmten Abschnitts 118 der Nut am Ende des Schnittes. Der Durchmesser der äußeren Fläche 98 des Lagers ist ebenfalls näherungsweise 68 Prozent größer als jener der inneren Wand 100 ausgeführt, da diese Teile jeweils zum Zusammenbau mit der Bohrung des zugeordneten Zahnrades und dem äußeren Durchmesser des zugeordneten Stiftes ausgeführt sind.
Im Betrieb eines Turboladers und Planetenträgers mit verbesserten Lagern gemäß der Erfindung strömt Öl, das durch die Durchgänge in den Nuten 74, 76, 78, 80 an die Ausnehmungen 82 der Stifte geliefert wird, in Umfangsrichtung durch die inneren ringförmigen Nuten 110 und nach außen durch die Zufuhrlöcher 112 zu den Ölzufuhrnuten 106 in den äußeren Flächen der Lager 84, von welchen es zwischen die Lager- und Planetenzahnradflächen während der Drehung der Planetenzahnräder 48 getragen wird. Die Ölströmung durch die ringförmigen Nuten 110 ebenso wie um die Fläche des Lagers herum unterstützt das Kühlen des Lagers während des Betriebs.
Der Planetenträger 46 dreht sich immer dann, wenn der Turborotor 16 in Bewegung ist, und veranlaßt die Planetenzahnräder dazu, sowohl umzulaufen als auch sich zu drehen, und zwar mit relativ hohen Rotationsgeschwindigkeiten. Die Massen der Planetenzahnräder entwickeln somit signifikante Zentrifugalkräfte, die auf die Lagerflächen wirken. Aufgrund der involvierten hohen Geschwindigkeiten auferlegen diese Zentrifugalkräfte den Lagern höhere Belastungen als die Kräfte, die erforderlich sind, um den Turbolader mit seiner höchsten Geschwindigkeit im Zustand mit unbelastetem Motor anzutreiben, in welchem die Zahnradantriebskräfte maximal sind. Im Vergleich zu der Version der Planetenzahnrad- und -lageranordnung des Standes der Technik sind die Zentrifugalkräfte der dargstellten Anordnung stark reduziert, und zwar aufgrund der reduzierten Massen der Planetenzahnräder mit ihren größeren Bohrungsdurchmessern. Zusätzlich sind die Planetenlagerdurchmesser größer, und die lasttragenden Flächen besitzen daher eine größere Fläche. Die reduzierten Lagerbelastungen ergeben einen wesentlichen Anstieg der minimalen ölfilmdicken in den lasttragenden Bereichen der Lager, die den Planetenlagern erlauben, den Betrieb mit Schmutzpartikeln aufzunehmen, die klein genug sind, um durch die Motorölfilter zu gelangen, ohne Verschleiß und Beeinträchtigung der Turboplanetenlager im Übermaß zu verursachen.
Ungefilterte Schmutzpartikel, die sich im Ölmotorsystem, wie es hergestellt wird, finden können oder in das System anders als durch das Filtersystem gelangen können, werden aus dem System entfernt, indem sie durch die Schmutzausstoßdurchgänge verlaufen, die von den Flachbereichen 114 gebildet sind, welche sich benachbart von Zufuhrlöchern in den Schultern 108 befinden. Diese Flachbereiche bilden Überlaufumgehungswege für das zugeführte Öl, welches Partikel wegträgt, die soviel wie 10mal größer sind als die minimale Filmdicke im Lager, so daß diese ungefilterten Schmutzpartikel keine Lagerbeeinträchtigung verursachen, sondern zur Entfernung aus der Ölströmung zum Filtersystem zurückgeführt werden. Wenn einige Schmutzpartikel, die größer als der minimale Zwischenraum sind, in die Lagerzwischenräume gelangen, erlaubt diesen das Bleibronze-Lagermaterial, in die Oberfläche aufgenommen und eingefangen zu werden, so daß sie andere Bereiche der Lagerfoberläche nicht zerkratzen oder einritzen.
Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden ist, könnten selbstverständlich zahlreiche Änderungen innerhalb des Geistes und des Umfangs der beschriebenen erfindungsgemäße Konzepte vorgenommen werden. Demgemäß ist beabsichtigt, daß die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern den vollen Umfang aufweist, der durch den Wortlaut der folgenden Ansprüche gestattet wird.
Zusammengefaßt betrifft die Erfindung somit eine verbesserte Planetenlager- und -zahnradanordnung für den Träger eines geschwindigkeitserhöhenden Planetenzahnradzuges zum Antreiben eines Dieselmotorturboladers oder dergleichen, welche eine Zahnradbohrung mit vergrößertem Durchmesser und einen zugeordneten äußeren Lagerdurchmesser umfaßt, um das Zahnrad leichter auszuführen und die Lagerfläche zu vergrößern, und zwar auf wenigstens 50 Prozent und vorzugsweise mehr als 65 Prozent größer als jene der Lagerinnenwand und des Außendurchmessers eines zugeordneten Haltestifts. Eine Selbstreinigung ungefilterter Schmutzpartikel im Motorschmieröl wird durch Schmutzausstoßdurchgänge geschaffen, die durch Flachbereiche an den Kanten einer Ölzufuhrnut im Planetenlager gebildet sind, während der Betrieb mit mitgerissenen Schmutzpartikeln, die durch die Motorschmierölfilter gelangen können, durch eine vergrößerte Ölfilmdicke verbessert ist, die sich aus reduzierten Lagerbelastungen aufgrund der Reduzierung der Masse der Planetenzahnräder und der vergrößerten Lageroberfläche ergibt. Umfangsölnuten in der Innenfläche helfen beim Kühlen des Lagers vor der Lieferung an eine Ölzufuhrnut, die mit einem flachen Boden zum einen Ende benachbart von Ölzufuhrlöchern und einem bogenförmigen Boden auf dem anderen Ende konfiguriert ist, um die Herstellungsgenauigkeit und -bequemlichkeit zu verbessern.

Claims

Planetenlager (84) zum drehbaren Halten eines Planetenzahnrades (48) in einem Motorturboladerantrieb, wobei das Lager einen Ring oder ein ringförmiges Element (92) mit einer zu einer zylindrischen inneren Wand (100) koaxialen äußeren Lagerfläche (98) und gegenüberliegenden ersten und zweiten Enden (102, 104) umfaßt, sowie eine Ölzufuhrnut (106), die als Ausnehmung unter der Lagerfläche ausgebildet und axial durch Schultern (108) benachbart den Enden begrenzt ist, wobei sich Ölzufuhrbohrungen (112), durch das Lager von der inneren Wand zu der Zufuhrnut öffnen, dadurch gekennzeichnet, daß Durchgänge in den Schultern die Ölzufuhrnut mit den Enden verbinden und einen Weg zum Ausstoß von schmutztragendem Öl aus der Lagerschmierölzufuhr definieren, wobei die Durchgänge Abflachungen (114) umfassen, die längs ansonsten konvexer Peripherien der Schultern ausgebildet sind.
Planetenlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ölzufuhrnut (106) einen Boden mit einem flachen Abschnitt (116) an dem einen Ende angrenzend an einen bogenförmigen Abschnitt (118) an einem gegenüberliegenden Ende aufweist.
Planetenlager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ölzufuhrbohrungen (112) sich in die Ölzufuhrnut (106) nahe dem einen Ende öffnen.