DE3733079C2

DE3733079C2 -

Info

Publication number: DE3733079C2
Application number: DE3733079A
Authority: DE
Inventors: Hisayoshi Mizukusa; Sigenori Nagoya Aichi Jp Murate
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1986-09-30
Filing date: 1987-09-30
Publication date: 1991-03-07
Also published as: JPS6356315U; US4759644A; DE3733079A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Gaslager und insbesondere einen Gaslagerkörper, der mit einer zylindrischen Bohrung zur Drehlagerung eines Zapfenteils einer Welle und radial in die zylindrische Bohrung einmündenden Gaseinströmöffnungen ausgebildet ist.

In Gaslagern, die beispielsweise in Turboladern für Kraftfahrzeuge und auch in Instrumenten zum Messen des dynamischen Gleichgewichts von Turboladern oder dgl. verwendet werden, schwimmt der Zapfenteil einer rotierenden Welle auf einem ringförmigen Film eines komprimierten Gases, das durch in den Lagerkörper gebohrte Radialöffnungen in das Lager eingeleitet wird. Üblicherweise werden entgegengesetzte Endabschnitte der zylindrischen Bohrung im Lagerkörper als echte Lagerabschnitte verwendet. Das heißt, daß in den jeweiligen Endabschnitten das Spiel zwischen der Welle und der zylindrischen Innenfläche des Lagerkörpers genau festgelegt ist und die Gaseinströmöffnungen in diesen Endabschnitten in die zylindrische Innenfläche einmünden.

Bei Anlauf- und Anhaltevorgängen und auch dann, wenn ein hohes Maß an Unwucht bei der Rotation der Welle auftritt, kommt die rotierende Welle jedoch in den Lagerabschnitten in direkten Kontakt mit der Innenfläche des Lagerkörpers. Deshalb ist es erforderlich, der zylindrischen Innenfläche des Lagerkörpers in seinen Lagerabschnitten Verschleißfestigkeit zu verleihen. Dies geschieht durch eine Härtebehandlung, wie etwa eine Nitrierhärtung, oder durch Verwendung eines keramischen Werkstoffes oder eines Sinterkarbids in den Lagerabschnitten. Wenn eine derartige Maßnahme ergriffen wird und insbesondere bei Verwendung eines keramischen Werkstoffes oder Sinterkarbids treten jedoch Schwierigkeiten beim Bohren der Gaseinströmöffnungen und beim Polieren der zylindrischen Innenfläche in den Lagerabschnitten auf, so daß ein großer Anstieg der Herstellungskosten des Lagerkörpers unvermeidbar ist.

Durch die DE-PS 32 30 232 ist es bekannt, bei solchen Gaslagerkörpern die Lagerschalen aus einem porösen, lediglich an der Oberfläche gezielt verdichteten Material (Keramik/Sinter) herzustellen, wobei das Gas durch diese verdichtete Schicht strömt und deshalb das Bohren von Gaszufuhröffnungen entfällt.

Ferner ist aus der DE-OS 31 43 606 die Verwendung eines gasdurchlässigen Lagerteils aus porösem, gesinterten Keramikmaterial zusammen mit einer Welle aus hochverdichtetem Keramikmaterial bekannt, die von einem Gaspolster im wesentlichen berührungsfrei getragen wird.

Des weiteren sind aus der DE-OS 22 48 095 sowie dem DE-GM 74 35 642 Gleitlagerbuchsen aus hochverdichtetem, keramischen Werkstoff oder Sinterkarbid bekannt.

Ein Gaslagerkörper gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 ist aus der GB-PS 6 26 268 bekannt. In dieser Druckschrift wird ein Lager beschrieben, welches ausschließlich für einen aerostatischen Betrieb vorgesehen ist. Um zu verhindern, daß der Lagerzapfen während des Auslaufens des Lagers, d. h. nach dem Abschalten der Gaszufuhr, rattert, sind an den Enden der Lagerbuchsen poröse Metallbuchsen vorgesehen, die mit Schmierstoff getränkt sind und die einen Innendurchmesser aufweisen, der geringer ist als der Innendurchmesser der übrigen Bereiche des Lagers.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Gaslagerkörper zu schaffen, der eine hohe Verschleißfestigkeit der Innenfläche aufweist und ohne wesentliche Erhöhung der Bearbeitungskosten einfach hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.

Zu bevorzugende Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

In einem Gaslagerkörper gemäß der Erfindung weist die zylindrische Innenfläche in jedem Lagerabschnitt infolge der Verwendung eines keramischen Werkstoffes oder eines Sinterkarbids einen sehr hohen Abriebswiderstand auf. Bei diesem Lagerkörper gibt es keine Schwierigkeiten, die radialen Gaseinströmöffnungen auszubilden, da sie in völlig metallischen Abschnitten gebohrt sind. Deshalb führt die Verwendung des sehr harten Materials zur Schaffung verschleißfester Lagerflächen nicht zu einem wesentlichen Anstieg der Bearbeitungskosten. Überdies ist es im Fall des Auftretens von Verschleiß der Lagerflächen durch langen und wiederholten Betrieb möglich, das Lager durch einfachen Austausch der keramischen oder Sinterkarbid-Buchsen anstelle des Austausches des Lagerkörpers als Ganzes zu reparieren. Wenn dies berücksichtigt wird, ergibt sich eine weitere Vergrößerung des den Kostenaspekt der Erfindung betreffenden Vorteils.

Nachstehend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt eines Gaslagerteils einer Gasturbinenvorrichtung; und

Fig. 2 einen Längsschnitt eines im Gaslagerteil nach Fig. 1 verwendeten Lagerkörpers gemäß der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine Anwendung der vorliegenden Erfindung in einer Gasturbinenvorrichtung, wie etwa einem Turbolader für Kraftfahrzeuge. Das Bezugszeichen 10 kennzeichnet ein Turbinenrad, das fest an eine zylindrische Welle 12 montiert ist. Die Welle 12 ist in einem Gaslagerkörper 20, dessen Einzelheiten in Fig. 2 gezeigt sind, drehbar gelagert. Das heißt, der Lagerkörper 20 ist mit einer zylindrischen Bohrung 22 ausgebildet, durch die die Welle 12 sich hindurcherstrecken kann. Die zylindrische Bohrung weist in ihrem Mittelabschnitt einen Durchmesser auf, der sichtbar größer als der Durchmesser der Welle 12 ist. Die zylindrische Bohrung 22 weist in ihren entgegengesetzten Endabschnitten 24, um als echte Lagerabschnitte zu dienen, einen genau bestimmten Durchmesser auf, der etwas größer als der Durchmesser der Welle 12 ist, so daß ein vorbestimmtes Spiel zwischen der zylindrischen Innenfläche 26 des Körpers 20 und der Welle 12 vorhanden sein kann, wenn die Welle 12 exakt koaxial mit der Bohrung 22 ist. Der Lagerkörper 20 ist mit einer Mehrzahl von Radialöffnungen 28 ausgebildet, durch welche während des Betriebs der Gasturbine ein komprimiertes Gas in den ringförmigen Spalt zwischen der zylindrischen Innenfläche 26 und der Welle 12 eingeleitet wird. Das Gas wird entlang der rotierenden Welle 12 in Axialrichtung der Bohrung 22 evakuiert.

Der Lagerkörper 20 ist aus einem Metall hergestellt, das als tragendes Material dient und ohne große Schwierigkeit maschinell bearbeitet werden kann. Jedoch ist der Lagerkörper 20 erfindungsgemäß lediglich in einem äußersten Teil jedes Lagerabschnittes 24 mit einer sehr harten und verschleißfesten Innenfläche versehen. Dies wird durch passende Vergrößerung des Durchmessers der Bohrung 22 in ihren äußersten Endabschnitten und durch strammes Einsetzen einer aus einem keramischen Werkstoff oder einem Sinterkarbid geformten hohlen zylindrischen Buchse 30 in jeden der inwändig vergrößerten Abschnitte des Lagerkörpers 20 erreicht. Es ist wichtig, daß sämtliche Gaseinströmöffnungen 28 in Längsrichtung einwärts der eingesetzten Buchsen 30 angeordnet sind. Das heißt, daß jede Gaseinströmöffnung 28 in einen vollständig metallischen Abschnitt des Lagerkörpers 20 gebohrt ist und in die zylindrische Innenfläche 26 des Metallkörpers einmündet.

Ein sehr gutes Beispiel des keramischen Werkstoffes als Material für die harten Buchsen 30 ist Si₃Ni₄, obwohl es auch möglich ist, ein anderes keramisches Material, wie etwa SiC, ZrO₂ oder Al₂O₃, zu verwenden. Ein sehr gutes Beispiel für das Sinterkarbid als Material für die Buchsen 30 ist ein WC-TiC-TaC-Co-System, obwohl auch die Verwendung eines anderen Systems, wie etwa WC-TiC-Co oder WC-Co, möglich ist.

Versuch

Zwei Arten von Proben, Probe (1) und Probe (2), des in Fig. 2 gezeigten Lagerkörpers 20 wurden unter Verwendung des Si₃N₄ keramischen Werkstoffes bzw. des WC-TiC-TaC-Co-Sinterkarbids (ISO K-01) als Material für die eingesetzten Buchsen 30 hergestellt. Das Basismaterial des Lagerkörpers 20 war ein Aluminium- Chrom-Molybdän-Stahl (SACM 645). Für Vergleichszwecke wurde eine Probe (3) des Lagerkörpers 20 ohne Verwendung der harten Buchsen 30 hergestellt. Das heißt, daß in der Probe (3) die gesamten Bereiche der zylindrischen Innenfläche 26 durch den Stahl (SACM 645) geschaffen wurden. Außerdem wurden unter Verwendung des gleichen Stahls wie das Basismaterial des Lagerkörpers 20 zwei Proben hergestellt, die nicht der Erfindung entsprechen. In der Probe (4) wurde der gesamte Bereich der zylindrischen Innenfläche in jedem Lagerabschnitt 24 durch Si₃N₄ geschaffen, so daß die Gaseinströmöffnungen 30 durch die keramische Schicht gebohrt wurden. In der Probe (5) wurde der gesamte Bereich der zylindrischen Innenfläche 26 in jedem Lagerabschnitt 24 durch das vorerwähnte WC-TiC-TaC-Co-Sinterkarbid geschaffen, so daß die Öffnungen 28 durch die Sinterkarbidschicht gebohrt wurden.

Jeder dieser Proben-Lagerkörper wurde im Gaslagerteil des Turboladers nach Fig. 1 eingesetzt, und das Turbinenrad 10 wurde 10 000mal zyklisch angetrieben. Während jedes Betriebszyklus wurde die Geschwindigkeit von 0 bis zu einem Maximum von 3000 U/min erhöht und dann auf 0 reduziert. Die Betriebszeit betrug 1 min. Anschließend wurde an den in Fig. 2 gekennzeichneten Stellen A, B, C und D der Verschleiß der Innenfläche des Lagerkörpers gemessen. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle gezeigt.

Außerdem sind die Herstellungskosten für diese Proben- Lagerkörper in der gleichen Tabelle durch Vergleichsziffern auf der Basis von 100 für die Kosten der Referenzprobe (3) gezeigt. Bei der Herstellung dieser Proben wurden die Teile aus keramischem Werkstoff mit Diamant-Werkzeugen bearbeitet, während die Bearbeitung der Sinterkarbidteile nach einem elektroerosiven Bearbeitungsverfahren erfolgte.

Aus den Testergebnissen der vorstehenden Tabelle ergibt sich als offensichtlich, daß die erfindungsgemäßen Lagerkörper in den Lagerabschnitten eine ausreichend hohe Verschleißfestigkeit der zylindrischen Innenfläche aufweisen: Der Verschleiß von weniger als 1 µm ist innerhalb der Grenzen der Meßgenauigkeit. Ferner ergibt sich aus dieser Erfindung eine beträchtliche Reduzierung der Herstellungskosten im Vergleich mit den bekannten Techniken zur Schaffung einer verschleißfesten Innenfläche unter Verwendung eines keramischen Materials oder eines Sinterkarbids.

Claims

1. Gaslagerkörper, mit einer zylindrischen Bohrung, zur Aufnahme einer drehbar sich durch diese erstreckende Welle, wobei an den entgegengesetzten äußeren Endabschnitten Buchsen eingesetzt sind, die aus einem anderen Material als der ansonsten aus Metall hergestellte Lagerkörper bestehen, und wobei Gaseinströmöffnungen vorgesehen sind, die einwärts dieser Buchsen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Buchsen eine höhere Härte aufweist als das des übrigen Lagerkörpers und daß die zylindrischen Innenflächen der Buchsen die zylindrische Bohrung (22) in den äußersten Endabschnitten unter Fortsetzung der zylindrischen Innenfläche (26) des Metallkörpers umgrenzen.

2. Gaslagerkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Material ein keramischer Werkstoff ist.

3. Gaslagerkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Material ein Sinterkarbid ist.