DE202015003359U1

DE202015003359U1 - Abgastrubolader

Info

Publication number: DE202015003359U1
Application number: DE202015003359.8U
Authority: DE
Original assignee: BorgWarner Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 2014-07-01
Filing date: 2015-05-07
Publication date: 2015-06-24
Anticipated expiration: 2025-05-08

Abstract

Abgasturbolader (1) – mit einer Welle (2), die ein Turbinenrad (3) und ein Verdichterrad (4) trägt; und – mit einem Lagergehäuse (5), in dem, zur Führung der Welle (2), eine Wälzlagerung (6) angeordnet ist, die zumindest ein Wälzlager (7, 8) mit einem Außenring (9) und einem Innenring (10, 11), zwischen denen ein Käfig (13) mit Wälzkörpertaschen (14) angeordnet ist, in denen Wälzkörper (12) geführt sind, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass – dass die Wälzkörpertaschen (14), im Neuzustand des Käfigs (13), eine an die Wälzkörper angepasste Taschenmakrogeometrie-Ausbildung (15) aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft einen, insbesondere zum Zwecke der Kühlung und Schmierung, mit Motoröl versorgten Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Ein derartiger Abgasturbolader weist eine in einem Lagergehäuse für die Laderwelle vorgesehene Wälzlagerung auf, die zumindest ein Wälzlager umfasst. Ein Beispiel für ein derartiges Wälzlager ist in der DE 10 2012 211 891 A1 beschrieben. Das Wälzlager weist einen Außenring und ein Innenringpaar auf. Zwischen diesen Ringen ist ein Käfig mit Wälzkörpertaschen angeordnet, in denen Wälzkörper, wie beispielsweise Kugeln, geführt sind. Derartige Wälzlager mit Drehzahlkennwerten „dm × n” von > 1,0 × 10⁶ mm/min erfordern Käfige aus warmbehandeltem Stahl. Diese können mit einem Festschmierstoff, wie z. B. Silber, beschichtet sein, um bei grenzwertiger Ölversorgung Notlaufeigenschaften bereitzustellen.
Die Rotor- bzw. Wellenlagerung weist Drehzahlkennwerte von bis zu 3 × 10⁶ mm × min^–1 mit spezifischer polyformer Rotordynamik auf, wozu auf die Darstellung der 7 verwiesen werden kann.
Wird der Käfig ohne Silberschicht gefertigt, wird er jedoch mit einer höheren Oberflächenhärte ausgeführt, wozu er z. B. nitrocarboriert werden kann.
Die Innenringe des Wälzlagers sind mittels Fugenlängspressverband mit der Läuferwelle verbunden. Der Außenring wird im Lagergehäuse gegen Rotation bzw. Translation gesichert.
Die 12 und 13 stellen zur Erläuterung der Hintergründe der Erfindung einen Schnitt durch einen Kugelsatz/Käfig dar bzw., wie in 13 dargestellt, die Druckwinkel „Laufbahn/Kugel”.
Der Kugelkäfig ist hierzu mit mehreren zur Käfighauptachse verlaufenden, gleichmäßig beabstandeten, zylindrischen Kugeltaschen versehen, welche z. B. gebohrt, ausgespindelt oder tauchgefräst sind.
Der Nachteil derartiger Wälzlagerungen bzw. Wälzlager ist darin zu sehen, dass während der Einlaufphase es aufgrund der Käfig/Kugel-Dynamik zu einer Deformation der duktilen Silberschicht kommen kann, bis sich die Käfigtaschen in Umfangsrichtung der Kugel geometrisch angepasst haben. Hiernach kommt es aufgrund des „Fließens” der Silberlegierung zur Wulstbildung, welche über die Hülldurchmesser hinaus ragen und brechen können. Die Folge sind Funktionsstörungen und Geräusche. Das verbleibende Silber ist hierbei relativ schnell aufgezehrt, was erhöhte Temperaturbelastungen zur Folge hat. Hierzu ist ergänzend auf die 8 bis 11 zu verweisen, wobei 8 das Wechselspiel von Kugeln und Käfig verdeutlicht und die 9 bis 11 den zuvor beschriebenen Schadenshergang in der Einlaufphase zeigen, wobei 9 eine neue Silberschicht verdeutlicht, 10 die Wulstbildung und 11 den Zustand bei aufgezehrter Silberschicht und Kontakt mit dem Grund.
Durch den großen Freiheitsgrad der Wälzkörper, insbesondere Kugeln, in den Wälzkörpertaschen des Käfigs, kann es zur Instabilität des Käfigs mit Folge von Geräuschphänomen und einer Wirkungsgradreduzierung kommen, wozu auf 14 zu verweisen ist, die einen deformierten Käfig schematisch leicht vereinfacht verdeutlicht.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Abgasturbolader der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, dessen Effizienz, Robustheit und dessen NVH-Verhalten seiner Wälzlagerung gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch Merkmale des Anspruchs 1.
Entsprechend den Prinzipien der vorliegenden Erfindung weisen die Wälzkörpertaschen, im Neuzustand des Käfigs, eine an die verwendeten Wälzkörper, insbesondere Kugeln, angepasste Taschenmakrogeometrie-Ausbildung auf.
Mit dieser erfindungsgemäßen Ausbildung wird bei Anwendungen mit hohen Drehzahlkennwerten und instationärer Dynamik, wie sie im Turboladerbereich auftreten, eine optimale Kugel-Käfig-Dynamik und Käfigführung im Außenring erwirkt.
Vorteilhafterweise kann die Taschenmakrogeometrie-Ausbildung spanabhebend, spanabhebend/spanlos oder nur spanlos erzeugt werden. Je nach den Genauigkeitsanforderungen kann das Profil der Wälzlagertaschen auch erst nach erfolgter Warmbehandlung finalisiert werden, wie beispielsweise durch eine Hartbearbeitung, wie Schleifen oder Lasern. Vorzugsweise können die Wälzlagertaschen durch Prägen, Ausspindeln (Drehstichel) oder Schleifen gefertigt werden.
Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
So ist es möglich, nano-/mikroskopische Schmier-/Fangtaschen zur Unterstützung der Tribologie der Wälzlager vorzusehen. Diese können mittels einem dem Gleitschleifen/Trovalisieren angelehnten Prozess, aber auch durch ein Strahlen analog dem sog. „shot-peening” oder durch Laserbearbeitung eingebracht werden.
Eine mögliche, erfindungsgemäße Fertigungstechnologie kann folgende Merkmale aufweisen:
Die Käfige werden als Schüttgut in eine erste Trommel gegeben. In diese werden „Impulsmittel” mit unterschiedlicher Funktion gegeben: (a) Neben den Käfigen selbst sind harte Körner mit gezielter Form im Behälter (z. B. Pyramide, Satellit, Kugel), (b) mit harten Partikeln (Stahl, Keramik, Industrie-Diamant, Korund) versehene Paste. Damit wird unter Vibration (Intensität und Dauer) eine gezielte Strukturierung der Oberfläche erreicht. Die Dellen in der Oberfläche führen zu einer kleinen Randwulst, welche im anschließenden Plateaunieren mittels wiederum anderer Schleifkörperausführungen bestenfalls im Rahmen des Waschen/Reinigens der Käfige begradigt werden. Der Käfig kann mit oder ohne Festschmierstoffbeschichtung (Silber, Kupfer oder Vergleichbares) aber auch mit Schmierstoffeinlagen (z. B. Sintermaterial) ausgeführt sein.
Zu den Vorteilen der Erfindung ist zunächst auf den Umstand zu verweisen, dass bereits bei der Inbetriebnahme der Wälzlagerung optimale tribologische und kinematische Verhältnisse vorliegen, so dass ein Einlaufeffekt vermieden wird.
Ferner ergibt sich eine Vermeidung von Fließen etwaiger Festschmierstoffschichten, wie Silber bzw., bei nicht mit Festschmierstoff versehenem Käfig, des Grundmaterials, wobei eine Wulstbildung und störende Fragmente vermieden werden können.
Ferner ergibt sich vorteilhafterweise eine erhöhte Lebensdauer etwaiger Festschmierstoffe.
Ferner ergibt sich der Vorteil der Schaffung von die Performance begünstigenden Kugelorbitalgeschwindigkeitsprofilen.
Es ist ferner vorteilhafterweise möglich, Mischreibungsanteile zu reduzieren und somit die Lebensdauer des Käfigs zu verlängern.
Ein gezielt einstellbarer Freiheitsgrad des Käfigs ist ferner vorzugweise möglich und führt zu einer günstigen Stabilität des Käfigs und verringert das Auftreten entartender Geräuschphänomene.
Nano-/Mikrotaschen können eine verbesserte Robustheit bei Notlaufbetrieb erwirken.
Schließlich ergibt sich vorteilhafterweise eine vereinfachte Montage des Käfigs, da die Kugeln formschlüssig gehalten werden, was auch als Transportsicherung dient.
In den Ansprüchen 13 und 14 ist eine erfindungsgemäße Wälzlagerung als selbstständig handelbares Bauteil des erfindungsgemäßen Abgasturboladers definiert.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Darin zeigt:
1 eine Schnittdarstellung einer Rumpfgruppe eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers,
2 eine vergrößerte Darstellung der Wälzlagerung des Abgasturboladers gemäß 1,
3 eine perspektivische Darstellung eines Käfigs der erfindungsgemäßen Wälzlagerung,
4 eine Wälzkörpertasche des Käfigs gemäß 3 mit eingezeichnetem Koordinatensystem,
5 eine erfindungsgemäße Taschenmakrogeometrie-Ausbildung des Käfigs gemäß 3,
6A eine der 5 entsprechende Darstellung der Taschenmakrogeometrie-Ausbildung mit Einzeichnung weiterer Kenngrößen,
6B eine Prinzipdarstellung des Käfigs mit Wälzkörpern zur Erläuterung eines Offsetranges,
7 einen Graphen zur Erläuterung der Drehzahl bzw. Beschleunigung eines Turboladers gegenüber der Fahrzeuggeschwindigkeit,
8 eine Erläuterung der Kugelorbitalgeschwindigkeit in der Lastzone und die relative Lage der Kugel zur Wälzkörpertasche als Modellvorstellung,
9–11 schematisch vereinfachte Darstellungen der eingangs erläuterten Einlaufphase und des Schadenshergangs bei bekannten Wälzlagerungen,
12 einen Schnitt durch einen Kugelsatz/Käfig,
13 eine Verdeutlichung eines Teils eines bekannten Wälzlagers zur Erläuterung des Druckwinkels zwischen Laufbahn und Kugel, und
14 eine schematisch leicht vereinfachte Darstellung einer Käfigdeformation einer bekannten Wälzlagerung.
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers 1 dargestellt, der anhand seiner Rumpfgruppe 1' dargestellt ist. Unter einer Rumpfgruppe versteht man sämtliche Basis-Komponenten des Abgasturbolders 1, jedoch ohne das Verdichtergehäuse und das Turbinengehäuse und Peripheriekomponenten, die in 1 rein zur Vereinfachung der Darstellung nicht gezeichnet sind, bei einem erfindungsgemäßen Abgasturbolader 1 natürlich jedoch vorhanden sind.
Dementsprechend weist der Abgasturbolader 1 bzw. seine Rumpfgruppe 1' eine Welle 2 auf, die ein Turbinenrad 3 und am anderen Ende ein Verdichterrad 4 trägt.
Der Abgasturbolader 1 bzw. die Rumpfgruppe 1' weist ferner ein Lagergehäuse 5 auf, in dem eine Wälzlagerung 6 angeordnet ist, die die Welle 2 im Lagergehäuse in Position hält bzw. lagert. Die Wälzlagerung 6 weist beispielhaft, wie sich dies insbesondere aus der 2 ergibt, zumindest ein, vorzugsweise jedoch zwei Wälzlager 7, 8 auf. Die Wälzlager 7 und 8 weisen bei der Ausführungsform gemäß 2, die als Beispiel ein Schrägkugellager, in zweireihiger Ausführung und in O-Anordnung ist, einen Außenring 9 und einen Innenring auf, der bei der in 2 dargestellten Ausführungsform in zwei Innenringe 10 und 11 unterteilt ist. Zwischen dem Außenring 9 und den Innenringen 10 und 11 (Innenringpaar) ist bei der in 2 dargestellten besonderen Ausführungsform der Wälzlagerung 6 je ein Käfig 13 und 13' angeordnet, der, wie sich insbesondere aus der 3 ergibt, eine Mehrzahl von Wälzkörpertaschen 14 umfasst. Wie die Darstellung der 1 und 2 zeigt, sind in diesen Wälzlagertaschen 14 Wälzkörper 12 angeordnet, die, wie im Beispiel gezeigt, als Kugel ausgebildet sind. Die Erfindung umfasst jedoch auch anders ausgebildete Wälzkörper bzw. Wälzlager.
Wie eingangs erläutert, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Wälzkörpertaschen 14, im Neuzustand des Käfigs 13, eine an die Wälzkörper, insbesondere Kugeln 12, angepasste Taschenmakrogeometrie-Ausbildung 15 aufweisen, die sich insbesondere aus der Darstellung der 5 ergibt.
In 4 ist zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Wirkprinzips und der erfindungsgemäßen Taschenmakrogeometrie-Ausbildung 15 ein Käfig-Koordinatensystem 16 eingezeichnet, dessen Nullpunkt O im Mittelpunkt M der in 4 dargestellten Wälzkörpertasche 14 angeordnet ist. Hierbei bezeichnen die Koordinaten X, α die Umfangsrichtung, Y, β die Radialrichtung und Z, γ die Axialrichtung.
Da bei der in den Figuren dargestellten besonders bevorzugten Ausführungsform Kugeln als Wälzkörper vorgesehen sind, sind die Wälzkörpertaschen 14 als Kugeltaschen ausgebildet, die jedoch erfindungsgemäß in Umfangsrichtung X auch langlochförmig ausgeführt sein könnten.
Die konstruktiven Spiele zwischen Kugel 12 und Käfigtaschenwand 17 (s. 5) in Achsrichtung Z, in Umfangsrichtung X und in Radialrichtung Y sind von den Dimensionen des Wälzlagers 7, 8, insbesondere von den Dimensionen des Käfigs 13 und der Kugeln 12 abhängig, im Betrieb jedoch auch von der Viskosität des betriebswarmen Motoröls.
Die Funktion der Kugel-Käfig-Dynamik lehnt sich hierbei an die bekannten Gesetze der Dämpfung und Tribologie an (Elasto-Hydro-Dynamik und Leck- bzw. Quetschspaltströmung) an.
Besonders bevorzugte Ausführungen der erfindungsgemäßen Wälzlagerung bzw. des erfindungsgemäßen Abgasturboladers weisen Kugeln 12 mit einem Kugeldurchmesser von 2,5 mm bis 3,5 mm sowie einen Teilkreisdurchmesser von 9 bis 12 mm auf. Unter dem Teilkreis ist hierbei ein gedachter Kreis zu verstehen, dessen Mittelpunkt senkrecht von der Rotationsachse der Wälzlagerung durchstoßen ist, und der die Zentren der Wälzkörper 12 einer Reihe umfangsseitig schneidet bzw. miteinander verbindet.
Die Wandstärke W (s. 3) des Käfigs 13 ist bevorzugterweise in einem Bereich von 30% ± 4% des Kugeldurchmessers ausgelegt.
Der mittlere (neutrale) Durchmesser des Käfigs 13 (da + di)/2 unterscheidet sich vorzugsweise vom Teilkreisdurchmesser (Kugelmittelpunkt) um Werte zwischen 0% bis 5°/U.
Der „Mittelpunkt” der Wälzkörpertasche 14 ist gegenüber dem Teilkreis TK (Kugel) in einem radialen Offsetrange OR von 0% bis –3% definiert. Durch einen derartigen negativen Offset ergibt sich eine Anordnung der Mittelpunkte M13 der Kugeltaschen innerhalb des Teilkreisdurchmessers TK, wozu auf die Darstellung der 6B zu verweisen ist. Dies ergibt drei positive Effekte: Zum einen bewirkt das Eindrücken der Kugel 12 in die Kugeltasche 14 eine zumindest geringe Verformung der Kugeltasche 14. Zum anderen ist die Massenträgheit des Käfigs 13, 13' verringert, so dass erstens ein Hochbeschleunigen zeitlich verkürzt wird und zweitens die Impulse zwischen Kugeln 12 und Käfig 13, 13' weniger ausgeprägt in Erscheinung treten.
Unter Bezugnahme auf 6A ist hervorzuheben, dass die Schmiegung, die der Quotient des Durchmessers der Wälzkörpertasche 14 und des Durchmessers des Wälzkörpers 12, insbesondere Kugel ist, vorzugsweise im Bereich von 0,9 bis 1,1 liegt.
Das Verhältnis von Breiten „BX” zu „BZ” („rund” bzw. „Langloch”) beträgt vorzugsweise 1:1 bis 1,2:1.
Die Spiele bzw. der Freiheitsgrad der Kugel 12 ergeben sich aus „BX” und „BZ”. Die engsten Abstände der Wälzkörpertaschen 14 „BX1,2” bzw. „BZ1,2” können kleiner sein als der Kugeldurchmesser. Dies jedoch nur insoweit, als dass ein ordnungsgemäßes Füllen der Kugeln 12 unter Berücksichtigung der Elastizität der Werkstoffe, insbesondere Si3N4 und Stahl möglich ist (analog einer Transportsicherung, in welcher die Kugeln durch eine im Durchmesser 0,02 mm bis 0,05 mm kleinere „Schnappwulst” gehalten werden).
Besonders bevorzugte Werte für das Spiel „delta d” in der Wälzkörpertasche 14 sind:

Z:: 2% bis 5% des Kugeldurchmessers;
X:: 2% bis 5% bzw. bei ovaler Ausführungsform 7% bis 15% des Kugeldurchmessers;
Y:: 2% bis 5% des Kugeldurchmessers.

Das Verhältnis der Schmiegung in Axialrichtung x zur Umfangsrichtung z liegt zwischen 1:1 und 1:1,2.
Neben der voranstehenden schriftlichen Offenbarung der Erfindung wird hiermit zu deren Ergänzung explizit auf die zeichnerische Darstellung in den 1 bis 14 Bezug genommen.
Bezugszeichenliste

1: Abgasturbolader
2: Welle
3: Turbinenrad
4: Verdichter
5: Lagergehäuse
6: Wälzlagerung
7, 8: Wälzlager
9: Außenring
10, 11: Innenring
12: Wälzkörper, insbesondere Kugel
13, 13': Käfig
14: Wälzkörpertasche, insbesondere Kugeltasche
15: Taschenmakrogeometrie-Ausbildung
16: Käfig-Koordinatensystem
17: Käfig-Taschenwand
TK: Teilkreis
OR: Offsetrange
M12: Kugelmittelpunkt
M13: Käfigmittelpunkt
Kä: Käfig
Ku: Kugel
Na: zwischenzeitliches Nacheilen
Ge: Geschwindigkeitsdiff. Kugel-Käfig
Dr: Drehrichtung des Käfigs
La: Lastwinkel bei reiner Radiallast
A: Einlaufen einer neuen Kugel in die
B: Einlaufen einer neuen Kugel in die
C: Lastzone/Verspannen/Synchronisation/Entspannen/Führungswechsel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012211891 A1 [0002]

Claims

Abgasturbolader (1) – mit einer Welle (2), die ein Turbinenrad (3) und ein Verdichterrad (4) trägt; und – mit einem Lagergehäuse (5), in dem, zur Führung der Welle (2), eine Wälzlagerung (6) angeordnet ist, die zumindest ein Wälzlager (7, 8) mit einem Außenring (9) und einem Innenring (10, 11), zwischen denen ein Käfig (13) mit Wälzkörpertaschen (14) angeordnet ist, in denen Wälzkörper (12) geführt sind, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass – dass die Wälzkörpertaschen (14), im Neuzustand des Käfigs (13), eine an die Wälzkörper angepasste Taschenmakrogeometrie-Ausbildung (15) aufweisen.
Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Taschenmakrogeometrie-Ausbildung (15) durch ein Käfig-Koordinatensystem (16) bestimmt ist, das seinen Null-Punkt (O) im Mittelpunkt (M) der Wälzkörpertaschen (14) hat und das in Umfangsrichtung durch die Koordinaten X, in Radialrichtung durch die Koordinaten Y und in Axialrichtung durch die Koordinaten Z, definiert ist, wobei die konstruktiven Spiele zwischen dem Wälzkörper (12) und einer Käfigtaschenwand (17) in Umfangsrichtung und Radialrichtung von den Dimensionen der Wälzlager (7, 8) abhängig sind.
Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper (12) als Kugeln ausgebildet sind.
Abgasturbolader nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Kugeln (12) 2,5 mm bis 3,5 mm beträgt.
Abgasturbolader nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilkreisdurchmesser der Wälzlager (7, 8) 9 mm bis 12 mm beträgt.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke (W) des Käfigs (13) 30% ± 4% des Kugeldurchmessers beträgt.
Abgasturbolader nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere (neutrale) Käfigdurchmesser sich um 0% bis 5% vom Teilkreisdurchmesser (Kugelzentrum) unterscheidet.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelpunkt der Wälzlagertaschen (14) in Bezug auf den Teilkreis (TK) in einem Radial-Offsetrange von 0% bis –3% liegt.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmiegung zwischen 0,9 und 1,1 liegt.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Breiten „BX” zu „BZ” in einem Bereich von 1:1 bis 1,2:1 liegt.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Spiel der Wälzkörper (12) in den Wälzkörpertaschen (14) in Axialrichtung (Z) 2% bis 5% des Kugeldurchmessers beträgt, in Umfangsrichtung „X” 2% bis 5% bzw. bei ovaler Ausführung 7% bis 15% des Kugeldurchmessers beträgt und in Radialrichtung „Y” 2% bis 5% des Kugeldurchmessers beträgt.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Schmiegung in Axialrichtung „Z” zur Umfangsrichtung „X” zwischen 1:1 und 1:1,2 liegt.
Wälzlagerung für eine Welle (2) eines Abgasturboladers (1) mit zumindest einem Wälzlager (7, 8), das einen Außenring (9) und einen Innenring (10, 11) aufweist, zwischen denen ein Käfig (13) mit Wälzkörpertaschen (14) angeordnet ist, in denen Wälzkörper (12) geführt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörpertaschen (14), im Neuzustand des Käfigs (13), eine an die Wälzkörper (12) angepasste Taschenmakrogeometrie-Ausbildung (15) aufweisen.
Wälzlager nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch zumindest einen der Ansprüche 2 bis 11.