DE3628687C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Lagerung der auf einem Wellenende einer Rotorwelle nebeneinander angeordneten Laufräder von Verdichter und Turbine im Verdichtergehäuse eines Abgasturboladers gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine derartige Lagerung ist aus der EP-A 01 21 670 bekannt. Bei dieser bekannten Lagerung erfolgt die Abstützung der Rotorwelle über zwei Wälzlager, welche in einer Gehäuse­ bohrung innerhalb der zentral im Einlaufgehäuse des Ver­ dichters angeordneten Nabe derart eingesetzt sind, daß die Außenringe unmittelbar an der Bohrungswand anliegen.

Wegen der verhältnismäßig starren Rotorlagerung besteht die Gefahr, daß sich die kritische Drehzahl der Rotorwelle im Nahbereich der Laderhöchstdrehzahl einstellt, weshalb eine präzise Auswuchtung der Laufräder mit der Rotorwelle erforderlich ist. Trotz sorgfältiger Auswuchtung können dabei höhere Lagerkräfte an den Wälzlagern auftreten, die zu einer vorzeitigen Ermüdung oder Zerstörung der Wälzlager führen können.

Zwar ist es möglich, durch eine Verkürzung der Gesamtlänge des Rotors eine Verlagerung der kritischen Drehzahl aus dem Bereich der Höchstdrehzahl zu erreichen, jedoch erfordert dies eine möglichst dicht beieinanderliegende Anordnung der Laufräder, wodurch infolge des erhöhten Wärmetransportes von der Turbinen- auf die Verdichterseite der Gesamtwirkungsgrad des Laders beeinträchtigt wird.

Ferner hat die bekannte Lagerung noch den Nachteil, daß Drehzahlanhebungen zur Erzielung eines höheren Verdichterdruckverhältnisses mit einer Verringerung der Betriebs­ sicherheit und alternativ dazu eine Vergrößerung der Lauf­ raddurchmesser bei gleichbleibender Höchstdrehzahl mit einer Vergrößerung des Rotorträgheitsmomentes und damit einer nachhaltigen Verschlechterung des Ansprechverhaltens verbunden sind.

Desweiteren ist aus der EP-A 1 43 950 eine Lagereinrichtung an einem Abgasturbolader mit Tandem-Wälzlagern bekannt, die über Halteringe und diese axial durchsetzende Biegefedern sowie einem die Halteringe radial außen umgebenen spaltförmigen Dämpfungsraum im Lagergehäuse federnd und dämpfend abgestützt sind. Diese Lagerung ist hauptsächlich für großvolumige Lader geeignet und beansprucht einen erheblichen radialen Bauraum, da die Federelemente und der Dämpfungsraum radial versetzt angeordnet sind.

Aus der DE-GM 71 40 248 ist ebenfalls eine federnde und dämpfende Baueinheit für Wälzlagerungen bekannt, bei welcher die Feder- und Dämpfungselemente in radialer Richtung hintereinander um das Wälzlager angeordnet sind. Damit besitzt diese Lagerung die gleichen Nachteile wie diejenige aus der EP-A 1 43 950.

Ferner ist es aus der DE-AS 10 10 335 allgemein bekannt, die Lager von Wellen mittels gewellter Federringe nachgiebig im Lagergehäuse abzustützen. Eine solche nachgiebige Lagerung ist jedoch für eine mit hoher Drehzahl umlaufende Welle wie z. B. die Rotorwelle eines Abgasturboladers nicht geeignet.

Schießlich ist aus der DE-A-M 17 482 Ia/46F eine nachgiebige Wälzlagerung für eine Rotorwelle eines Abgasturboladers bekannt, bei der die beiden Wälzlager mit ihren Außenringen in einer gemeinsamen zylindrischen Lagerbuchse gefaßt sind, die unter Einschluß eines spaltförmigen Dämpfungsraumes im Lagergehäuse abgestützt ist. Anhaltspunkte für eine Ausgestaltung der Lagerung für eine einseitig gelagerte Rotorwelle sind in dieser Druckschrift nicht enthalten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Lagerung derart zu verbessern, daß bei geringen Anforderungen an die Güte der Auswuchtung eine Anhebung des Verdichterdruckverhältnisses und damit der Verdichterenddrehzahl mit kleinen trägheitsarmen Laufrädern ohne wesentliche Erhöhung der Lagerbelastung erreicht werden kann.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen der Patentansprüche 1 und 2 angegebenen Merkmale gelöst.

Die erfindungsgemäße Lagerung nach den Ansprüchen 1 und 2 zeichnet sich durch eine kompakte Bauweise aus, die damit im besonderen Maß für Abgasturbolader mit relativ kleinen Laufrädern und einseitiger Laufradwellenlagerung geeignet ist, bei der die Wälzlager auf der Verdichterseite innerhalb einer Nabe angeordnet sind.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lagerung besteht darin, daß die kritische Drehzahl aus dem Bereich der Lader-Höchstdrehzahl verlagert ist, so daß der Lader mit einer höheren Drehzahl betrieben werden kann. Dies hat schließlich den Vorteil, daß eine Erhöhung des Verdichterdruckverhältnisses mit relativ kleinen Laufrädern ohne wesentliche Erhöhung der Lagerbelastung erreicht werden kann.

Eine besonders platzsparende Ausbildung der Lagerung wird durch die Merkmale der Ansprüche 3 und 4 erzielt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand verschiedener Aus­ führungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 die erfindungsgemäße Lagerung für die Rotorwelle eines Abgasturboladers in einem Längsschnitt;

Fig. 2 die erfindungsgemäße Lagerung mit einer beide Wälz­ lager aufnehmenden Lagerhülse in einer vergrößerten Schnitt­ darstellung;

Fig. 3 die erfindungsgemäße Lagerung mit hydraulischge­ dämpfter Abstützung für das äußere - und federnder Ab­ stützung für das innere Wälzlager in einer vergrößerten Schnittdarstellung;

Fig. 4 und 5 zwei verschiedene Ausführungen der hydrauli­ schen Abstützung aus Fig. 3 in einer vergrößerten Schnitt­ darstellung.

Ein Abgasturbolader 1 umfaßt ein Verdichtergehäuse 2 mit einem darin angeordneten Verdichter-Laufrad 3 und ein Turbinenge­ häuse 4 mit einem darin vom Abgas beaufschlagten Turbinen- Laufrad 5. Beide Laufräder 3 und 5 sind auf einem Ende einer Rotorwelle 6 fest angebracht, die mit ihrem anderen Ende in einer das einlaufseitige Gehäuseteil 7 des Verdichterge­ häuses 2 zentral durchsetzenden Nabe 8 gelagert ist.

Die Nabe 8 ist über Rippen 9 im Gehäuseteil 7 gehalten und hat eine Gehäusebohrung 10, in der die Rotorwelle 6 über zwei mit Abstand voneinander angeordnete Wälzlager 11 und 12 drehbar abgestützt ist. Dabei ist das entfernt vom Verdichter-Laufrad 3 angeordnete äußere Wälzlager 11 mit seinem Außenring 13 in der Gehäusebohrung in axialer Richtung verschiebbar und das verdichternahe innere Wälz­ lager 12 mit seinem Außenring 14 in der Gehäusebohrung 10 ortsfest gehalten. Durch eine zwischen beiden Wälzlagern 11 und 12 in der Gehäusebohrung 10 angeordnete Schrauben­ feder 15, die über einen Haltering 16 an der Nabe 8 abge­ stützt ist und gegen den Außenring 13 drückt, wird die ge­ samte Rotorwelle 6 in ihrer Einbaulage gehalten.

Um erfindungsgemäß zu vermeiden, daß sich die kritische Drehzahl der Rotorwelle 6 im Nahbereich der Laderhöchst­ drehzahl einstellen kann, sind die beiden Wälzlager 11 und 12 federnd und hydraulisch gedämpft in der Gehäusebohrung 10 gehalten.

Der gleiche Effekt wird auch erzielt, wenn nur ein Wälzlager 11 oder 12 hydraulisch gedämpft und das andere Wälzlager nur federnd in der Gehäusebohrung 10 abgestützt ist.

Eine mögliche konstruktive Ausführung einer solchen Lagerung der Rotorwelle 6 ist im einzelnen in Fig. 2 dargestellt.

Das lagerseitige Ende der Rotorwelle 6 ist zusammen mit beiden Wälzlagern 11 und 12 in einer gemeinsamen zylindri­ schen Lagerbuchse 17 gefaßt, die ihrerseits mit großem ra­ dialem Spiel innerhalb der Gehäusebohrung 10 eingesetzt und in axialer Richtung fixiert ist. Die axiale Fixierung um­ faßt einen Federring 18, der in einer an dem benachbart zum Wälzlager 11 liegenden Buchsenende 19 von außen eingearbei­ teten Ringnut 20 eingesetzt ist und welcher zwischen zwei in einer Erweiterung 21 der Gehäusebohrung 10 einge­ legter Halteringe 22 und 23 geführt ist, die ihrerseits durch Anlage an einer von der Erweiterung 21 und der Ge­ häusebohrung 10 gebildeten Schulter 24 und einem innerhalb der Erweiterung 21 in einer Ringnut 25 angeordneten Feder­ ring 26 axial festgelegt sind.

Durch das radiale Spiel entsteht zwischen der Gehäuse­ bohrung 10 und der Lagerbuchse 17 ein spaltförmiger Ring­ raum, der durch Dichtringe 27, 28 im Bereich der längs­ seitigen Buchsenenden 19 und 29 nach außen abgedichtet ist. Dieser spaltförmige Ringraum bildet einen Dämfungsraum 30, in dem zur Schwingungsdämpfung ein hydraulisches Fluid eingefüllt ist. Parallel zu dem hydraulischen Polster ist die Lagerbuchse 17 über zwei in der Nähe der beiden Wälz­ lager 11 und 12 angeordnete gewellte Ringfedern 31 und 32 federnd gegenüber der Nabe 8 abgestützt. Zur Aufnahme der Ringfedern 31 und 32 sind relativ breite Ringnuten 33 und 34 vorgesehen, von denen die Ringnut 33 in die Nabe 8 und die Ringnut 34 in eine nach innen vorstehende Ringwulst 35 der Lagerbuchse 17 eingearbeitet ist, wobei die Ringwulst 35 gleichzeitig eine Anlage für den Außenring 14 bildet, der ferner zwischen dem Buchsenende 29 und der Nabe 8 festgesetzt sein kann. Die Dichtringe 27 und 28 sind abwechselnd in einer nabenseitig und einer buchsenseitig angeordneten Ringnut ein­ gesetzt.

Dadurch, daß die Lagerbuchse nur über die Wellenberge der Ringfedern 31 und 32 sowie das hydraulische Polster des Druckmittelraumes 30 in der Nabe 8 abgestützt ist, erhält man eine federnd und schwingungsgedämpfte Lagerung für die Rotorwelle 6, durch welche bei entsprechender Bemessung der Ringfedern 31 und 32 und des Dämpfungsraumes 30 die kritische Drehzahl aus dem Bereich der Lader-Höchst­ drehzahl heraus in einen unkritischen Drehzahlbereich ver­ lagert werden kann.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 sind die Dämpfungs- und Federungselemente der Rotorwellenlagerung getrennt von­ einander den einzelnen Wälzlagern 11 und 12 zugeordnet. Das äußere Wälzlager 11 ist hydraulisch gedämpft und das innere Wälzlager 12 federnd innerhalb der Nabe 8 abgestützt. Die Gehäusebohrung 10 ist im Bereich der Lagerabstützung je­ weils mit einer zylindrischen Erweiterung 36 bzw. 37 versehen. In die Erweiterung 36 ist mit großem radialen Spiel eine die Breite des Außenringes 13 beiderseits überragende kurze La­ gerhülse 38 eingesetzt, die zwischen einer Gehäuseschulter 39 und einem von außen in die Erweiterung 36 eingepreßten An­ schlagring 40 bis auf ein geringes Spiel axialfest gehalten ist. Der durch das radiale Spiel zwischen Lagerhülse 38 und Erweiterung 36 gebildete spaltförmige Dämpfungsraum 41 ist durch in nabenseitige Ringnuten eingelegte Dichtringe 42 und 43 nach außen abgedichtet und mit einem hydraulischen Fluid als Dämpfungsmittel gefüllt.

Die federnde Abstützung des inneren Wälzlagers 12 erfolgt durch eine gewellte Ringfeder 45, welche den Außenring 14 umgibt und zusammen mit diesem zwischen zwei Anlaufschei­ ben 46 und 47 innerhalb der Erweiterung 37 mit einem geringen axialen Spiel gehalten ist, wobei zur axialfesten Halterung des Außenringes 14 die Anlaufscheibe 46 an einer Gehäuse­ schulter 48 und die Anlaufscheibe 47 an einem in der Nabe 8 festgesetzten Federring 49 anliegen. Mit der getrennten An­ ordnung von Feder- und Dämpfungselementen an beiden Wälz­ lagern 11 und 12 werden die gleichen Vorteile erzielt wie bei der Lagerung gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2.

Die in den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 bis 3 be­ schriebenen Bauelemente der erfindungsgemäßen Rotorwellen­ lagerung sind aus den stark vergrößerten Prinzipdarstel­ lungen der Fig. 4 und 5 noch besser zu erkennen.

Auf der Rotorwelle 6 ist ein Wälzlager 50 mit seinem Innen­ ring 51 ortsfest gelagert. Über den Außenring 52 des Wälz­ lagers 50 ist mit Schiebesitz eine Lagerhülse 53 geschoben, die mit großem radialem Spiel in der Gehäusebohrung 10 der Nabe 8 eingesetzt ist. Sehr deutlich ist dabei in den Figuren der durch das radiale Spiel entstehende spaltförmige Dämpfungs­ raum 54 zu erkennen, der mit einem hydraulischen Fluid als Dämpfungsmittel gefüllt ist, das über eine Versorgungsleitung 55 und eine Verbindungsbohrung 56 in der Nabe 8 dem Dämpfungs­ raum 54 zugeführt wird. Die Versorgungsleitung 55 ist dabei an ein nicht weiter dargestelltes Druckreservoir oder an eine Druckpumpe, z.B. die Schmierölpumpe aus dem Schmierölkreis­ lauf einer Brennkraftmaschine angeschlossen. Der Dämpfungs­ raum 54 ist durch zwei Dichtringe 57 aus einem metallischen oder einem elastomeren Werkstoff abgedichtet. Die dabei in Form der sogenannten Quad-Ringe ausgeführten Dichtringe 57 haben eine geringe radiale Federsteifigkeit, welche damit die Dämpfungseigenschaften des Fluids kaum beeinträchtigen. Parallel zu dem Fluid ist das Wälzlager 50 über einen im Dämpfungsraum 54 eingesetzten gewellten Federring 58 mit einer bestimmten Federkennung gegenüber der Nabe 8 abge­ stützt. Selbstverständlich ist es im Rahmen der Erfindung möglich, durch entsprechende Werkstoffauswahl und Gestaltung der Dichtringe 57 dafür zu sorgen, daß diese bestimmte Fe­ dereigenschaften aufweisen, so daß auf die Verwendung des Federringes 58 verzichtet werden kann.

Eine solche Ausführung zeigt z.B. die Fig. 5. Die dort zur Abdichtung des Dämpfungsraumes 54 eingesetzten Dichtringe 59 mit einer im Querschnitt etwa v-förmigen Form besitzen gleich­ zeitig vorgegebene Federungseigenschaften, welche damit die Verwendung eines besonderen Federringes überflüssig machen. Dabei können die Dichtringe 59 selbstverständlich auch eine andere Form aufweisen, z.B. diejenige der in Fig. 4 verwendeten Dichtringe 57. Um Bauhöhe zu sparen, ist beim Wälzlager 60 aus Fig. 6 dessen Außenring 61 gleichzeitig als Lagerhülse ausgebildet.

Claims (4)

1. Lagerung der auf einem Wellenende einer Rotorwelle neben­ einander angeordneten Laufräder von Verdichter und Turbine eines Abgasturboladers im Verdichtergehäuse mittels zweier auf der Verdichterseite mit Abstand voneinander angeordneter Wälzlager, von denen das verdichternahe innere Wälzlager mit seinem Außenring in axialer Richtung fest und das äußere Wälzlager mit seinem Außenring in einer Gehäusebohrung des Verdichtergehäuses mit Schiebesitz eingesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß beide Wälzlager (11, 12) in einer gemeinsamen Lagerbuchse (17) gefaßt sind, die unter Einschluß eines spaltförmigen Dämpfungsraumes (30) in der Gehäusebohrung (10) eingesetzt ist, daß der Dämpfungsraum (30) durch Dichtringe (27, 28) im Bereich der längsseitigen Buchsenenden (19, 29) nach außen abgedichtet ist, mit einem hydraulischen Fluid als Dämpfungsmittel gefüllt ist und im Bereich der Wälzlager mit abwechselnd in der Wand der Gehäusebohrung (10) und der Lagerbuchse (17) eingearbeiteter Nuten (33, 34) zur Aufnahme einer gewellten Ringfeder ausgebildet ist, und daß die Lagerbuchse (17) mit einem an ihrem benachbart zum äußeren Wälzlager (11) liegenden Buchsenende (19) in einer Ringnut (20) eingesetzten Federring (18) zwischen zwei in einer Erweiterung (21) der Gehäusebohrung (10) eingelegter Halteringe (22 und 23) gegenüber dem Gehäuseteil (7) des Verdichtergehäuses (2) axial geführt ist.

2. Lagerung der auf einem Wellenende einer Rotorwelle nebeneinander angeordneten Laufräder von Verdichter und Turbine eines Abgasturboladers im Verdichtergehäuse mittels zweier auf der Verdichterseite mit Abstand voneinander angeordneter Wälzlager, von denen das verdichternahe innere Wälzlager mit seinem Außenring in axialer Richtung fest und das äußere Wälzlager mit seinem Außenring in einer Gehäusebohrung des Verdichtergehäuses mit Schiebesitz eingesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Wälzlager (11) mit dem Außenring in einer Lagerhülse (38) eingesetzt ist, die unter Einschluß eines spaltförmigen Dämpfungsraumes (41) in einer zylindrischen Erweiterung (36) der Gehäusebohrung (10) zwischen einer Gehäuseschulter (39) und einem Anschlagring (40) axialfest gehalten ist, daß der spaltförmige Dämpfungsraum (41) mit einem hydraulischen Fluid gefüllt ist und nach außen durch zwei Dichtringe (42, 43) abgedichtet ist und daß das innere Wälzlager (12) zwischen gehäusefesten Anlaufscheiben (46, 47) in axialer Richtung fest und über eine den Außenring konzentrisch umgebende gewellte Ringfeder (45) in radialer Richtung federnd in der Gehäusebohrung (10) abgestützt ist.

3. Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur federnden Abstützung der Lagerbuchse (17) die Dichtringe (27 und 28) federnde Eigenschaften aufweisen.

4. Lagerung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenring (13) des Wälzlagers (11) mit der Lagerhülse (38) einteilig ausgebildet ist.