DE3628687C2 - - Google Patents
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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.
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ID=6308048
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