DE3936069C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Lagerung eines Abgastur­ boladers gemäß den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Eine derartige, aus der US-PS 44 27 309 vorbekannte Lagerung enthält zwei separate, axial beabstandet angeordnete Lager­ buchsen. Diese Lagerbuchsen weisen zylindrische Lagerflächen auf, zwischen welchen Taschen mit Zuführbohrungen für Schmiermittel angeordnet sind. Die Innenkontur dieser Lager­ buchsen weicht zwar insgesamt von der kreiszylindrischen Form ab, doch sind die drei in Umfangsrichtung um etwa 90° zueinander versetzt liegenden Lagerflächen kreiszylindrisch ausgebildet. Die Flächen der genannten Schmiermitteltaschen sind gleichfalls kreiszylindrisch, und zwar koaxial zu den Lagerflächen. Die Herstellung einer derartigen Lagerbuchse erfordert unter Berücksichtigung der kleinen Wellendurchmesser von Abgasturboladern einen nicht unerheblichen Aufwand. Die vorbekannte Lagerung weist zwar im Vergleich mit vollständig kreiszylindrischen Lagerflächen verbesserte Stabilitätseigen­ schaften auf, doch können die heutigen hohen Anforderungen im Hinblick auf das Schwingungsverhalten und die Stabilität bei Abgasturboladern nicht hinreichend erfüllt werden.

Aus der DE 36 01 082 A1 ist daher eine Lagerung bekannt, deren beiden Lagerbuchsen in eine Hülse integriert sind wobei über axiale Stege die Lagerbuchsen miteinander verbunden sind. In Umfangsrichtung betrachtet, sind zwischen den Stegen Durchbrechungen vorhanden, wobei die Stege in Umfangsrichtung wesentlich schmaler als die Durchbrechungen ausgebildet sind. Ein im Lagergehäuse befestigter Sicherungsstift ragt in eine der genannten Durchbrechungen und liegt mit seiner Spitze auf einer Seite des einen Steges. Mit einer derartigen Lagerung soll u. a. ein als "oil whip" bezeichneter Effekt beherrscht werden, welcher während des Betriebs in Drehzahlbereichen auftreten kann, welche oberhalb des zweifachen Wertes der ersten oder zweiten kritischen Drehzahl liegen. Es resul­ tieren hieraus Schwingungen, welche sich als störende Ge­ räusche bemerkbar machen. Dieser Effekt bewirkt eine Anregung der Welle in dem Sinne, daß die Wellenenden eine der Wellen­ rotation überlagerte, zweite Drehbewegung um die geometrische Achse durchführen. Das zwischen den axial beabstandet an­ geordneten Lagerbuchsen bzw. Lagerflächen befindliche Wellen­ teil wird in die entgegengesetzte Richtung ausgelenkt, und es wird daher auch von dem sogenannten Seilschlageffekt gespro­ chen. Erfolgt diese überlagerte Drehbewegung mit der an­ nähernd halben Wellendrehzahl, so kann ein metallischer Kontakt zwischen der Welle und der Lagerbuchse eintreten und der vollständige Verlust der Lagertragfähigkeit und eine Zerstörung der Lagerung können die Folge sein. Ferner kann die auftretende Verformung der Welle zu einer unzulässigen Kantenpressung an den Enden der Lagerbuchsen führen. Die aufgezeichneten Zusammenhänge sind bei Abgasturboladern kleiner Baugröße zu beachten, welche mit maximalen Dreh­ zahlen, in der Größenordnung von 150 000 Upm und darüber rotieren. Derartige Abgasturbolader weisen recht kleine rotierende Massen bei minimalem Wellendurchmesser auf, wobei die durch die Wellenverformung bedingte Unwuchtbelastung bis zu dem hundertfachen Wert der Rotormasse betragen kann. Die Wellendurchbiegung in Folge des auftretenden Seilschlageffek­ tes können unzulässig groß werden und die aufgezeigten mecha­ nischen Schäden sind ebenso wie eine starke Geräuschentwick­ lung festzustellen.

Ferner ist aus der DE 15 75 563 A1 eine Lagerung vorbekannt, bei welcher die Lagerinnenfläche eine von der kreiszylindri­ schen Form abweichende Kontur aufweist. Diese Kontur wird dadurch erzeugt, daß ein Formwerkzeug, dessen Außenkontur der gewünschten Innenkontur der Lagerbuchse nahekommt, unter Kraftanwendung durch die ursprünglich zylindrische Innen­ bohrung der Lagerbuchse axial hindurchgetrieben wird. Es erfolgt eine spanabhebende Bearbeitung und plastische Verfor­ mung im Bereich der Innenfläche der Lagerbuchse. Die Her­ stellung des Formwerkzeuges erfolgt insbesondere durch Abschleifen vorgegebener Bereiche an der Außenfläche des Formwerkzeuges, welches exzentrisch gelagert wird. Der Fertigungsaufwand für das Formwerkzeug ist nicht unerheblich. Die Lagerbuchse ist mit ihrer zylindrischen Außenfläche fest in eine gleichfalls zylindrische Bohrung eines Gehäuses eingebaut, besteht aus gesintertem Metallpulver und ist mit Schmiermittel gefüllt. Gesinterte Werkstoffe weisen eine vergleichsweise große Härte auf und erfordern einen nicht unerheblichen Aufwand bei der Formgebung und Oberflächen­ bearbeitung.

Desweiteren sind aus der DE-Z. MTZ, Motortechnische Zeit­ schrift 49 (1988), Heft 6, Seiten 271 bis 278 Rollenlager mit unrunden Außenringen bekannt. Diese unrunden Außenringe sind fest in das Lagergehäuse eingebaut und ergeben eine radiale Vorspannung des jeweiligen Rollenlagers zur Vermeidung des als "sliding" bezeichneten Gleitens von Wälzkörpern mit Schlupf auf dem Schmierfilm. Wenn auf Grund dieses Schlupfens der Schmierfilm durchbrochen wird, kommt es zu dem "skidding" und demzufolge zum metallischen Kontakt zwischen Wälzkörper und Lagerring. Durch die unrunde Ausbildung der Außenringe wird in den Kontaktzonen eine Radialkraft erzeugt, welche das Abrollen der Wälzkörper erzwingt und somit den genannten Schlupf verhindert. Die unrunden Außenringe sind fest in das Lagergehäuse eingesetzt und eine Relativbewegung zum Gehäuse, wie es bei schwimmenden Lagerungen der Fall ist, kommt nicht zustande. Zur Herstellung der unrunden Außenringe kann der genannten DE-Z kein Hinweis entnommen werden und zudem weisen schwimmende Gleitlagerbuchsen oder Hülsen zur Welle und dem Lagergehäuse den Schlupf notwendigerweise auf.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße Lagerung dahingehend weiterzubilden, daß der genannte "Oil whip"-Effekt und die damit verbundenen Schwierigkeiten vermieden werden, wobei eine gute Rotorstabi­ lität selbst bei einer sehr dünnen, biegeweichen Rotorwelle zu gewährleisten ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß den im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lagerung zeichnet sich bei einfacher Konstruktion durch eine hohe Funktionssicherheit aus, und selbst für Rotoren, die für Drehzahlen größer als 150 000 Upm ausgelegt sind, werden Lagerschäden oder stö­ rende Geräusche zuverlässig vermieden. Die Lagerbuchse oder die Hülse, welche zwei axial beabstandete Lagerbuchsen aufweist, sind auch in Rotationsrichtung frei bewegbar und drehen mit, wie es bei vollständig schwimmenden Lagerhülsen der Fall ist. Der eingangs erläuterte Sicherungsstift ent­ fällt. Die Hülse oder Lagerbuchsen weisen zumindest im Bereich der Lagerfläche eine vom kreisrunden Querschnitt abweichende Lagergeometrie auf, so daß sich ähnlich einem Mehrflächengleitlager wenigstens zwei Schmier­ keile ausbilden können. Die von der Kreisform abweichenden Lagerkonturen sind an der Innen­ fläche und an der Außenfläche der Hülse oder Lager­ buchsen vorgesehen. Da die Hülse oder Lagerbuchsen mit der Welle drehen, entsteht auch ein an der Außenfläche sich ausbildender Schmierkeil. Die somit erreichte innere und äußere anisotrope Eigenschaft bewirken eine wesentliche Verbesserung der Stabilität. Insgesamt wird eine hohe Stabilität für den gesamten Betriebsdrehzahlbereich bei geräuscharmer, stark gedämpfter Lagerung erreicht. Durch die vorgeschlagene Geome­ trie ergeben sich keine ausgeprägten, diskreten Systemeigen­ frequenzen, was ebenfalls die Stabilität der Lagerung begün­ stigt. Die Lagerung kann aus einer Hülse, die die zwei beabstandete Lagerbuchsen durch Stege verbindet, oder aus zwei getrennten Lagerbuchsen bestehen. Die Herstellung der Lagerbuchse kann bei Anordnung der Konturen in Phase durch Verpressen einer ursprünglich zylindrischen Hülse oder Buchse vorgenommen werden. Der Herstellungsaufwand ist hierbei sehr gering.

Besondere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. In der Zeichnung sind dargestellt:

Fig. 1 in einem axialen Längsschnitt ein Abgasturbolader,

Fig. 2 stark vergrößert und übertrieben, ein Schnitt durch die Lagerbuchse mit einer vom Kreiszylinder abweichen­ den Kontur,

Fig. 3 Hülse (mit zwei Lagerbuchsen),

Fig. 4 Lagerbuchse.

In Fig. 1 ist links ein Verdichtergehäuse 2 und rechts ein Turbinengehäuse 4 dargestellt, welche über ein Lagergehäuse 6 miteinander verbunden sind. Ein Verdichterrad 10 und ein Turbinenrad 12 sind auf einer Welle 14 drehfest angeordnet. Im Lagergehäuse 6 ist ein Axiallager 16 zur axialen Lagerung der dünnen, biegeweichen Welle 14 mit dem Verdichterrad 10 und dem Turbinenrad 12 vorgesehen. Durch eine Bohrung 18 des Lagergehäuses 6 kann Drucköl zur Schmierung und Kühlung der Lager zugeführt werden.

Die Welle 14 weist einen relativ kleinen Lagerdurchmesser, und zwar in der Größenordnung bis maximal 15 mm, auf und ist in einer Innenbohrung des Lagergehäuses 6 mittels zwei axial beabstandeten Lagerbuchsen 20, 22 radial gelagert. Diese beiden Lagerbuchsen 20, 22 sind über zwei, axial verlaufende schmale Stege 24 zu einer Hülse 26 integriert. Es können mehrere in Umfangsrichtung beabstandet angeordnete Stege oder auch ein ringförmiger Steg vorgesehen sein, wobei mittels Durchbrechungen 28 die Zufuhr bzw. der Austritt von Schmier­ mittel ermöglicht wird. An den axialen Enden der Hülse 26 sind zwecks axialer Sicherung im Lagergehäuse 6 zwei Siche­ rungsringe 30, 32 angeordnet, wobei ein entsprechendes axiales Spiel der im übrigen frei schwimmend in der Innen­ bohrung des Lagergehäuses 6 gelagert ist.

In Fig. 2 ist stark vergrößert ein Schnitt durch die Welle 14 und die gleichfalls zylindrische Innenbohrung 34 des Lagerge­ häuses 6 dargestellt. Zur Verdeutlichung der Zusammenhänge ist die Lagerbuchse 20 übertrieben deformiert dargestellt. Die Lagerbuchse 20 erhielt die dargestellte Form durch plastische Verformung einer ursprünglich zylindrischen Buchse mit Hilfe eines Formwerkzeuges.

Die Welle 14 weist einen Außendurchmesser dW auf, während der Innendurchmesser dL der Innenbohrung 34 des Lagergehäuses 6 entsprechend größer ausgebildet ist. Die in dem derart gebildeten Zwischenraum 36 frei schwimmend angeordnete Lagerbuchse 20 weist eine von der kreiszylindrischen Form stark abweichende Kontur auf; Entsprechendes gilt für die zweite Lagerbuchse der Hülse. Die Lagerbuchse 20 weist einen maximalen Durchmesser d1 und, um im wesentlichen 90 Winkel­ grade hierzu versetzt, einen minimalen Außendurchmesser d2 auf. Ferner weist die Lagerbuchse 20 einen maximalen Innen­ durchmesser d3 sowie einen minimalen Innendurchmesser d4 auf. Der maximale Außendurchmesser d1 und der maximale Innen­ durchmesser d3 liegen im wesentlichen in der gleichen Axial­ ebene. Auch der minimale Außendurchmesser d2 sowie der minimale Innendurchmesser d4 liegen gleichfalls in einer gemeinsamen Axialebene, allerdings um etwa 90 Winkelgrade versetzt zur erstgenannten Axialebene. Die beiden maximalen Durchmesser d1 und d3 liegen in Phase und gleichfalls die beiden minimalen Durchmesser d2 und d4 liegen in Phase. Um eine Funktion der Lagerbuchse 20 zu gewährleisten, sind als maßgebende Bedingungen vorgegeben:

d4 dw · (1 + 1 o/oo),
d1 dL · (1 - 1 o/oo).

Aufgrund der erfindungsgemäß vorgegebenen und von der Zylin­ derform abweichenden Kontur der Lagerbuchse 20, ergeben sich im Bereich des minimalen Innendurchmessers d4 der Lagerbuchse 20 zwei im wesentlich diametral liegende Keilspalte. Ent­ sprechend den jeweiligen Drehzahlen und Belastungsverhält­ nissen ergeben sich selbstverständlich entsprechende Ab­ weichungen von der dargestellten ideal zentrischen Anordnung der Welle 14 innerhalb der Innenbohrung 34. Wesentlich ist hierbei, daß die Lagerbuchse 20 frei schwimmend angeordnet ist, also im Gegensatz zu vorbenannten Mehrflächengleitlagern nicht im Lagergehäuse verpreßt ist. Ferner ist von besonderer Bedeutung, daß die Lagerbuchse 20 über den Umfang geschlossen ausgebildet ist und nicht aus mehreren Segmenten oder der­ gleichen besteht, welche eine frei schwimmende Anordnung in der Praxis nicht ermöglichen könnten. Wie bei den bisher bekannten zylindrischen Buchsen weist die erfindungsgemäße Lagerbuchse 20 eine über den Umfang geschlossene, also nicht in Halbschalen oder dergleichen unterteilte, Wand auf. Bei der dargestellten Ausführungsform sind ferner zwischen der Außenfläche der Lagerbuchse 20 und der Innenbohrung 34 im Bereich des maximalen Außendurchmessers d1 wiederum zwei einander diametral liegende Keilspalte vorhanden. Die Lager­ buchse hat also symmetrisch verteilt außen und innen ins­ gesamt vier Keilspalte, welche eine optimale Dämpfung zur Verbesserung der Stabilitätseigenschaften des Lagers be­ wirken. Dies wird bei überraschend einfacher Geometrie nur mit einer in Umfangsrichtung geschlossenen, einteiligen Lagerbuchse 20 gewährleistet, die zudem innerhalb des Zwi­ schenraumes 36 frei schwimmend angeordnet ist. Das vorge­ schlagene Lager stellt damit eine optimale Kombination einerseits der frei schwimmenden Lagerbuchse und andererseits eines Mehrflächenlagers dar. Aufgrund der frei schwimmenden Anordnung können, im Unterschied zu dem eingangs erwähnten Patent gemäß DE-PS 36 01 082, die Relativgeschwindigkeiten zwischen der Welle 14 und der Lagerbuchse 20 reduziert werden, was sich besonders günstig im Hinblick auf eine lange Lebensdauer der Lageranordnung erweist.

Von besonderer Bedeutung ist ferner, wenn wenigstens eine der nachfolgenden vier Beziehungen eingehalten wird, wobei die gleichzeitige Einhaltung sämtlicher vier Beziehungen sich als besonders zweckmäßig herausgestellt hat. In den nachfolgenden Beziehungen ist das Multiplikationszeichen durch den kleinen Buchstaben x dargestellt.

Für das relative minimale Innenspiel zwischen Welle und Lagerbuchse gilt:

Für das relative minimale Außenspiel zwischen Lagergehäuse und Lagerbuchse gilt:

Für die Differenz der Innendurchmesser der Lagerbuchse, bezogen auf den Außendurchmesser der Welle, gilt:

Für die Differenz der Außendurchmesser der Lagerbuchse 20, bezogen auf den Innendurchmesser des Lagergehäuses 6, gilt:

Im Rahmen der Erfindung kann die Abweichung von der zylindri­ schen Form die Lagerbuchse 20 auch nur entweder an der Innenfläche oder nur an der Außenfläche realisiert werden. Bei derartigen Ausführungsformen gelten selbstverständlich oben aufgestellten Beziehungen in entsprechender Weise für den jeweiligen Bereich.

Fig. 3 zeigt die Hülse 26 mit den beiden axial beabstandet angeordneten Lagerbuchsen 20 und 22, welche mittels eines ringförmigen Verbindungssteges 24 verbunden sind. Wie oben bereits dargelegt, ist in diesem Zweibuchsenlager die Lager­ buchse 22 in der gleichen Weise wie die erläuterte Lager­ buchse 20 deformiert worden.

In Fig. 4 ist eine Lagerbuchse 23 entsprechend der Fig. 2 dargestellt. Zwei dieser Lagerbuchsen 23 können anstelle der Hülse zur Lagerung der Welle dienen.

In dem anhand von Fig. 2 eingehend erläuterten Ausführungs­ beispiel lag die Abweichung der äußeren Kontur der Lager­ buchse 20 in Phase mit der inneren Kontur; so liegt bei­ spielsweise der maximale Außendurchmesser in der gleichen Axialebene wie der maximale Innendurchmesser. Darüber hinaus können die Außenkontur und die Innenkontur auch außer Phase angeordnet sein, so daß beispielsweise die Axialebene des maximalen Außendurchmessers und die Axialebene des maximalen Innendurchmessers um einen vorgegebenen Winkel versetzt sind. Außerdem können die inneren und äußeren Konturen nichtsym­ metrische (asymmetrische) Lagerflächen aufweisen. Derartige Abweichungen der inneren zur äußeren Kontur der Lagerbuchse 20 werden durch Räumen oder Gießen der Lagerbuchse 20 herge­ stellt.

Bezugszeichen

 2 Verdichtergehäuse
 4 Turbinengehäuse
 6 Lagergehäuse
10 Verdichterrad
12 Turbinenrad
14 Welle
16 Axiallager
18 Bohrung in 6
20, 22 Lagerbuchse
23 Lagerbuchse
24 Steg
26 Hülse
28 Durchbrechung
30, 32 Sicherungsring
34 Innenbohrung
36 Zwischenraum
dW Außendurchmesser der Welle 14
dL Innendurchmesser des Lagergehäuses 6
d1 maximaler Außendurchmesser von 20
d2 minimaler Außendurchmesser von 20
d3 maximaler Innendurchmesser von 20
d4 minimaler Innendurchmesser von 20

Claims (6)

1. Lagerung eines Abgasturboladers mit einer Hülse oder Lager­ buchsen, die in einer Bohrung eines Lagergehäuses zur radialen Lagerung einer Welle schwimmend und drehbar angeordnet sind und jeweils wenigstens eine innere und wenigstens eine äußere Lager­ fläche aufweisen, wobei die Hülse oder Lagerbuchsen innen eine von der kreiszylindrischen Form abweichende Kontur aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die von der kreiszylindrischen Form abweichende Kontur der Lagerinnenfläche und der Lageraußenfläche durch Verpressen und einer hierdurch erreichten plastischen Verformung einer ursprünglich zylindrischen Hülse oder Buchse hergestellt ist und daß zwischen der Lagerinnenfläche der Lager­ buchse (20, 22; 23) und der Welle (14) sowie zwischen der Lager­ außenfläche der Lagerbuchse (20, 22; 23) und der Innenbohrung (34) des Lagergehäuses (6) jeweils wenigstens zwei als Gleitflä­ chen wirksame und Keilspalte bildenden Flächenbereiche vorhanden sind.

2. Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (26) zwei axial beabstandete und zweckmäßig mit einem zylindrischen Steg (24) verbundene Lagerbuchsen (20, 22) auf­ weist.

3. Lagerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für das relative minimale Innenspiel zwischen der Welle (14) und der Lagerbuchse (20, 22) die Beziehung gilt:

4. Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß für das relative minimale Außenspiel zwischen der Innenbohrung (34) des Lagergehäuses (6) und der Lagerbuchse (20, 22) die Beziehung gilt:

5. Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß für die Differenz der Innendurchmesser der Lager­ buchse (20, 22), bezogen auf den Außendurchmesser der Welle (14) die Beziehung gilt:

6. Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß für die Differenz der Außendurchmesser der Lager­ buchse (20, 22; 23) bezogen auf den Innendurchmesser der Innen­ bohrung (34) des Lagergehäuses (6) die Beziehung gilt: