WO2012079881A1 - Lageranordnung für einen turbolader und turbolader - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a bearing arrangement for a turbocharger, comprising a bearing housing, a bearing arranged inside the bearing housing with an outer bearing ring and a number of rolling elements, and a rotatably mounted within the bearing housing, axially extending shaft.
- the invention relates to a turbocharger with an aforementioned bearing assembly.
- a turbocharger is usually used to increase the performance of internal combustion engines through the use of exhaust gas energy.
- the turbocharger consists of a compressor and a turbine, which are connected to each other via a shaft mounted within a bearing housing shaft.
- the turbine In operation, the turbine is rotated by an exhaust gas flow and drives the compressor via the shaft, which sucks and compresses air.
- the compressed air is conducted into the engine, whereby a large amount of air enters the cylinders due to the increased pressure during the intake stroke.
- the oxygen content required for the combustion of fuel increases accordingly, so that more oxygen enters the combustion chamber of the engine at each intake stroke.
- this increase allows the use of a more powerful motor with approximately the same dimensions or, alternatively, allows for a reduction in engine dimensions, ie, a comparable performance for smaller and lighter machines.
- a first object of the invention to provide a comparison with the prior art improved bearing assembly that allows for easy installation and low cost secure storage of a shaft in a turbocharger.
- a second object of the invention is to provide a turbocharger with such a bearing assembly.
- the first object of the invention is achieved by a bearing arrangement for a turbocharger, comprising a bearing housing extending in an axial direction, a roller bearing arranged inside the bearing housing with an outer bearing ring and a number of rolling elements, and a housing rotatably mounted within the bearing housing axially extending shaft.
- the shaft comprises a rolling body raceway for guiding the rolling bodies.
- the inner bearing rings are pushed onto the shaft and must be pressed onto them so that no rotation relative to the shaft is possible during operation.
- the bearing rings are compressed in such a way that the axial distance between the rolling element raceways is shortened and thus the shaft clearance is changed. Furthermore, the diameter of the WälzSystemonnebahnen and thus the bearing clearance change.
- the inner bearing rings when they are pressed in, they may be misaligned on the shaft. It is possible, for example, that they do not align coaxially with the shaft and with respect to one another, which can lead to an undesired setting at the axial contact points between the bearing rings or the bearing seats both during balancing and during later operation.
- the balancing quality can vary over the life of the warehouse deteriorate and lead to increased wear of the bearing components. In any case, such a trouble-free function of a turbocharger can not be guaranteed.
- the invention finally recognizes that the aforementioned problems can be overcome, surprisingly, when the shaft comprises a rolling body raceway for guiding the rolling bodies.
- the use of separately mounted inner bearing rings can be dispensed with altogether. In other words, the shaft itself assumes the function of the inner bearing ring, so that a safe mounting of the shaft in a turbocharger can be achieved by such a design with low cost and assembly costs.
- the shaft can be made of different materials, in particular temperature-stable and corrosion-resistant materials are suitable.
- the shaft may for example be made in one piece by means of a forming process, a machining process or a casting process.
- a multi-part production is possible.
- the rolling body raceway is in this case integrated into the lateral surface of the shaft and can be introduced, for example, directly in the production of the shaft in one step in the lateral surface.
- the rolling body raceway can be subsequently introduced into the lateral surface in a step subsequent to the manufacture of the shaft main body.
- the shaft is rotatably mounted in the installed state within a bearing housing.
- the bearing housing is preferably hollow-cylindrical. det. Due to the high loads during operation of a turbocharger, temperature-resistant and corrosion-resistant metallic materials are particularly suitable for producing the bearing housing.
- the bearing housing is formed in particular with a receiving bore for the other components of the bearing assembly, such as the rolling bearing.
- the rolling bearing or the individual rolling bearing components are expediently made of temperature and corrosion resistant materials, such as hardened steels or ceramics.
- the common types of bearings are basically used, such as cylindrical roller bearings or tapered roller bearings.
- Particularly suitable are ball bearings, such as in particular double row angular contact ball bearings.
- two axially spaced WälzEffbahnen are introduced in the lateral surface of the shaft.
- the rolling bearing is further formed with at least one outer bearing ring, on whose inner circumference a rolling body raceway is introduced, which also serves to guide and position the rolling bodies.
- at least one outer bearing ring on whose inner circumference a rolling body raceway is introduced, which also serves to guide and position the rolling bodies.
- the outer bearing rings for example, abut each other and thus prevent axial displacement of the bearings on the shaft.
- the outer bearing rings for example, by means of a spring member axially spaced apart.
- a gap for example as a circumferential outer race ring gap formed for a so-called Quetschölfilm.
- the quenching oil film assumes the function of the vibration damper and prevents unwanted contact between the outer bearing ring and the bearing housing.
- a number of supply bores can be introduced within the bearing housing, via which oil from the engine oil circuit can be metered into the intermediate space.
- the supply holes are for this purpose in particular with a number of the outer circumference of the outer bearing ring encircling grooves in a communicating connection. Accordingly, the grooves can be supplied with oil via the supply bores.
- the oil can distribute in the axial direction over the circumference of the outer bearing ring, so that forms a uniform oil film between the outer bearing ring and the inner wall of the bearing housing.
- the number of supply bores and the grooves is in principle not limited and can for example be adapted to the dimensions of the bearing housing and the thickness of the quenching oil film.
- an outlet bore is preferably additionally introduced into the bearing housing, which is communicatively connected to a drain groove running around the outer bearing ring on its outer circumference. In this way it is ensured that the oil supplied via the supply bore to the intermediate space can flow away continuously.
- the outer bearing rings can be guided by an additional support ring in the bearing housing.
- the carrier ring is embedded in the intermediate space.
- the carrier ring preferably has on its outer circumference a number of circumferential grooves which, in the installed state, communicate with the supply bores of the bearing housing in a communicating manner.
- the quenching oil film is then formed correspondingly in the space between the outer periphery of the carrier ring and the inner wall of the bearing housing.
- a carrier ring is suitably introduced in this introduced on its outer circumference drainage communicating with an outlet bore in connection and allows corresponding to the oil drain.
- securing elements can be used.
- securing elements which withstand the forces acting during operation of a turbocharger and which enable a rotation-proof arrangement of the outer bearing ring within the bearing housing.
- the security elements may be formed, for example, as backup pins or securing bolts that can be inserted into holes provided for this purpose within the bearing housing.
- the securing elements can be designed as springs, which can then engage, for example, in recesses or grooves provided for this purpose.
- the shaft consists of a steel, at least in the region of the rolling body track.
- different steels or metallic materials can be used here.
- an alloyed bearing steel is suitable.
- a roller bearing steel type 81 MoCrV42-16 can be used, which in particular due to its temperature stability and corrosion resistance, the necessary conditions for use in turbochargers.
- the properties of the metallic material or of the rolling bearing steel can be influenced by the choice of the alloy components or by the composition. In principle, it is possible here to manufacture the entire shaft from a rolling bearing steel. Alternatively, a rolling bearing steel can also be used only at the points of the rolling body raceways.
- the shaft is composed of a number of axially adjacent shaft sections.
- the individual shaft sections can be welded together prior to assembly of the bearing assembly.
- the multi-part design allows, for example, the controlled introduction of recesses in the shaft. These recesses provide an air volume within the shaft which, when the shaft is installed in the turbocharger, reduces the heat conduction from the turbine wheel to the rolling bearing.
- the shaft sections can be made of different materials.
- the shaft sections in which the WälzSystemterrorismbahnen are introduced preferably made of a bearing steel, which has the necessary stability.
- requirement-specific material and correspondingly less expensive shaft material can be used.
- welding methods are suitable in this case in particular because, when used, it is also possible to use materials with different physical properties, such as, for example, Steel with aluminum, to connect.
- the shaft comprises an inner recess.
- the inner recess may be formed as a cavity that provides an additional volume of air.
- the recess can serve for receiving so-called welding ejection, which occurs when the shaft is connected to the turbine wheel or even when several shaft sections are connected to one another and can then be caught within the recesses.
- a recess can also be made in the turbine wheel. The same applies to a multi-part design of the shaft for the individual shaft sections, which can also be formed in each case with a recess. As a result, the internal air volume increases further and the thermal conductivity is further reduced.
- the shaft on the front side a shaft journal for centering and attachment to a turbine wheel.
- the shaft journal is preferably designed as a pin extending in the axial direction, which in the inserted Built state in the bore of a turbine wheel can intervene.
- a connection between them is possible, which simplify the subsequent welding process.
- the formation of a pin on the turbine wheel is possible, which then engages in a bore on the end face of the shaft.
- the outer bearing ring comprises a spray oil hole for lubricant application of the rolling bearing.
- the spray oil holes are in this case connected to the grooves in the outer ring. The oil can pass from the grooves through the spray oil holes in the storage room and be used in this way for lubrication and cooling.
- the shaft comprises on its outer circumference a number of grooves for positioning of sealing elements.
- the grooves can be introduced into the outer circumference of the shaft both on the compressor side and on the turbine side, so that a sealing effect is achieved on both sides of the shaft. In this way, the required lubrication of the positioned inside the bearing housing bearing can be ensured, which is achieved for example via spray oil holes.
- the shaft comprises an oil separator.
- the oil separator may for example be attached to the shaft as a separate component or integrated into the shaft.
- the oil separator is designed as one which operates by utilizing the centrifugal force principle.
- the second object of the invention is achieved by a turbocharger, comprising a compressor wheel, a turbine wheel, and a bearing assembly according to the aforementioned embodiments, wherein the Compressor and the turbine are arranged at the opposite ends of the shaft. It is provided that the shaft is welded to the turbine wheel.
- the turbine wheel of the turbine of a turbocharger is set in rotation by an exhaust gas flow and drives the compressor via the shaft.
- the compressor draws in air and compresses it.
- the compressor operates continuously and is characterized by low pressure increase and a high volume throughput.
- the compressed air is directed into the engine, whereby a large amount of air enters the cylinders due to the increased pressure during the intake stroke.
- the oxygen content required for the combustion of fuel increases accordingly, so that more oxygen enters the combustion chamber of the engine at each intake stroke.
- the shaft is welded to the turbine wheel.
- different welding methods are suitable.
- Friction welding allows a secure connection of components both with the same and with different material combinations. This is a pressure welding process, whereby the heating of the parts to be joined takes place by mechanical friction. The heating is usually generated by a movement between a rotating and a stationary component, which are combined under force without additional material.
- the shaft can also be connected to the turbine wheel by means of an electron beam welding method.
- This method for example, due to the high energy density, which is introduced into the welding zone, allows the joining of a variety of different materials, such as high-melting metals.
- the electron Beam welding enables high welding speeds with extremely deep and narrow seams. Due to the small seam widths and the high parallelism, the delay can be kept extremely small.
- a laser beam welding is conceivable, which can connect components with high welding speed, narrow and slim weld shape and low thermal distortion. The laser beam welding is usually performed without feeding a filler material.
- the turbine wheel is pressed onto the shaft.
- This process is expediently preceded by the welding process.
- the shaft is formed on the turbine side, for example, with a shaft journal extending in the axial direction, which is pressed into a bore in the turbine wheel.
- a connection between the shaft and the turbine wheel is possible even before welding, so that the two components subsequently only have to be welded together at the preferably planar contact points.
- the turbine wheel with a pin and the shaft can be formed with a bore on its end face, so that the shaft is pressed in the turbine wheel.
- the compressor wheel is expediently fastened to the shaft by means of a nut.
- the compressor wheel is pushed onto the shaft during assembly and finally jammed there by means of the nut. In this way, a secure connection between the compressor and the shaft is guaranteed.
- the bearing components of the bearing cartridge can be preassembled and pushed starting from the turbine side into the bearing housing. This allows a delivery of the storage cartridge with less effort and a low installation costs for the customer. Further advantageous embodiments can be found in the directed to the bearing assembly subclaims that can be analogously transmitted to the turbocharger.
- FIG. 1 to 4 each show a turbocharger with a bearing assembly in a longitudinal section.
- FIG. 1 shows a turbocharger 1 having a bearing assembly 3.
- the turbocharger has a compressor wheel 5 and a turbine wheel 7 disposed at opposite ends of a shaft 9 extending in the axial direction.
- the shaft 9 is part of the bearing assembly 3 and rotatably mounted within a likewise axially extending bearing housing 1 1.
- the bearing arrangement 3 comprises a rolling bearing 13 arranged inside the bearing housing 11 with two axially adjacent outer bearing rings 15, 17.
- the outer bearing rings 15, 17 are spaced apart from one another by means of a prestressed spring element 19 arranged between them.
- the rolling bearing 13 also has rolling elements 21 designed as balls, which are held in rows in cages 23, respectively.
- the rolling elements 21 are each guided in rolling body raceways 25, 27, which are integrated in the lateral surface of the shaft 9.
- the WälzSystemterrorismen 25, 27 are introduced directly in the manufacture of the shaft in one step in the lateral surface. This makes it possible to dispense with the use of separately mounted inner Lagerhnge, since the shaft 9 takes over the function of the inner bearing rings. As a result, the effort during assembly, in which the inner bearing rings must be pushed onto the shaft and pressed onto this reduced. Furthermore, the axial distance between the WälzConsequentlymaschinennenbahnen 25, 27 always the same size, so that the wave play does not change.
- the entire shaft 9 is made in one piece from a temperature-resistant bearing steel. It is welded by means of a friction welding process with the turbine wheel 7, whereby a secure connection between the shaft 9 and the turbine wheel 7 is achieved.
- the recesses 29, 31 provide an air volume, so that the heat conduction is reduced from that of a turbine wheel 7 to the rolling bearing 13 during operation of the turbocharger 1. Furthermore, they provide space for welding ejection during machining of the shaft.
- the shaft 9 is connected to the compressor 5.
- the compressor wheel 5 is pushed onto the shaft and clamped there by means of a nut 33.
- sealing elements 37 seal against leakage and impurities both on the side of the compressor wheel 5 and on the side of the turbine wheel 7.
- the bearing components can be pre-assembled and pushed starting from the turbine side into the bearing housing 11 become. Since the outer diameter of the outer bearing rings 15, 17 is slightly smaller than the inner diameter of the bearing housing 1 1, formed between the bearing housing 11 and the outer bearing rings 15, 17, a gap-shaped gap 39.
- the space 39 is via supply bore 41 in the bearing housing 11 with oil acted upon, so that there forms a Quetschölfilm.
- the supply bores 41, 42 communicate with grooves 43, 44 on the outer periphery of the outer races 15, 17 in communication. Furthermore, the oil from the grooves 43, 44, starting is distributed through connected with the grooves 43 spray oil holes 45, 46 in the camp and can be used for lubrication. To drain the oil, an outlet bore 47 is included.
- an oil separator 49 is attached to the shaft 9 with centrifugal force principle.
- FIG. 2 another turbocharger 61 is shown with a bearing assembly 63.
- the turbocharger 61 has a compressor wheel 65 and a turbine wheel 67 disposed at opposite ends of an axially extending shaft 69.
- the entire shaft 69 is also manufactured in one piece in FIG. 2 from a temperature-resistant steel.
- turbocharger 61 in FIG. 2 Since the function and the individual components of the turbocharger 61 in FIG. 2 essentially correspond to those of the turbocharger 1 in FIG. 1, reference is here made to the detailed description and representation in FIG. 1, which can be transmitted analogously below.
- the turbine wheel 67 is connected to the shaft 69 by means of electron beam welding.
- the turbine wheel 67 is pressed onto the shaft 69.
- the turbine wheel 67 has a corresponding bore 1 1 1, in which the formed on the end face of the shaft shaft journal 1 13 of the shaft is pressed.
- the shaft journal 113 is formed as a pin extending in the axial direction.
- the turbine wheel 67 and the shaft 69 are welded to the planar contact surfaces 15 of the turbine wheel 67 and the shaft 69 by an electron beam only.
- the shaft 69 is clamped on the turbine wheel 67 opposite side with the compressor wheel 65 by means of a nut 93.
- FIG. 3 shows another turbocharger 121 having a bearing assembly 123.
- the turbocharger 121 also includes a compressor wheel 125 and a turbine wheel 127 disposed at opposite ends of a shaft 129 extending in the axial direction.
- the shaft 129 is rotatably mounted within a likewise axially extending bearing housing 131.
- the bearing assembly 123 a disposed within the bearing housing 131 rolling bearing 133 with two axially adjacent outer bearing rings 135, 137.
- the outer bearing rings 135, 137 are spaced apart from each other by means of a preloaded spring element 139 arranged between them.
- the rolling bearing 133 further has rolling elements 141 formed as balls, which are held in rows in cages 143, respectively.
- the rolling elements 141 are each guided in rolling element raceways 145, 147, which are integrated in the lateral surface of the shaft 149.
- a gap-shaped gap 159 is formed between the outer diameter of the outer bearing rings 135, 137 and the bearing housing 131, which is acted upon by two supply holes 161 in the bearing housing 131 with oil.
- a quenching oil film forms in the intermediate space.
- the supply bores 161, 162 communicate with grooves 163, 164 on the outer periphery of the outer races 13, 137 in communication.
- the oil is additionally distributed via injection oil bores 165, 166 into the bearings and can thus be lubricated be used.
- an outlet bore 167 is further included.
- the difference between the turbocharger 121 and the turbochargers 1, 61 already shown is the nature of the shaft 129.
- the shaft 129 is composed of various shaft sections 171, 173, 175.
- the rolling element raceways 145, 147 are correspondingly introduced only in a shaft section 173.
- the shaft portion 173 assumes the function of the otherwise required inner bearing rings accordingly.
- the shaft portion 173 is made of temperature-resistant steel, whereas the two axially adjacent shaft portions 171, 175 are made requirement-specific from a cheaper metallic material.
- the shaft portions 171, 173, 175 have axially inwardly extending recesses 176, 177, 178, 179.
- the inner recesses 176, 177, 178, 179 are formed as cavities, which provide an additional volume of air available. Due to this, they cause a reduction of the heat conduction from the turbine wheel 127 to the bearings.
- the turbine wheel 127 also has a recess 180, which additionally increases the volume of air and thus reduces the heat conduction.
- the shaft sections 171, 173, 175 are welded together in the present case. After welding the shaft sections 171, 173, 175, finally, the shaft section 175 is welded to the turbine wheel 127.
- a friction welding is used for this purpose.
- the welded shaft portions 171, 173, 175 and the shaft 129 is finally welded to the side of the shaft portion 175 by a Reibsch consult- method with the turbine wheel 127.
- the turbine wheel 127 also has an inner recess 180, which further reduces the volume of air for reducing the heat conduction from the turbine wheel 127 to the rolling bearing 133 during operation of the turbocharger 121.
- the compressor wheel 125 For fastening the compressor wheel 125 to the shaft 129, the latter is pushed onto the side of the shaft 129 opposite the turbine wheel 127 and fastened there by means of a nut 153.
- an oil separator 169 which operates by means of the centrifugal force principle, is attached to the shaft 129.
- FIG. 4 shows a further turbocharger 181 with a bearing arrangement 183.
- the turbocharger 181 includes a compressor wheel 185 and a turbine wheel 187 disposed at opposite ends of an axially extending shaft 189.
- the shaft 189 is rotatably mounted within a likewise axially extending bearing housing 191.
- the bearing assembly 183 further comprises a rolling bearing 193 disposed within the bearing housing 191 with two axially adjacent outer bearing rings 195, 197 which, as in the previous figures, are spaced apart by means of a prestressed spring element 199 disposed between them.
- the rolling bearing 193 further comprises rolling elements 201 formed as balls, which are held in rows in cages 203, respectively.
- the rolling elements 201 are guided in WälzEffbahnen 205, 207.
- the shaft 189 is made of three separate shaft sections 237, 239, 241.
- the shaft portions 237, 239, 241 are made of different materials, the shaft portion 239 is made of temperature-resistant steel.
- the other two shaft sections 237, 241 are made of a less expensive metallic material.
- the WälzEffegabahnen 205, 207 are introduced accordingly only in the shaft portion 239, which consists of the steel.
- the shaft portion 239 takes over the function of the inner bearing rings, so that both the cost and the assembly costs are reduced and increases the accuracy.
- the shaft portion 239 is each frontally formed with two axially extending shaft journals 243, 245. These shaft journals 243, 245 engage a built state in the bores 247, 249 which are respectively formed at the axial abutment points of the shaft sections 237, 241.
- the shaft journals 243, 245 are correspondingly pressed into the holes 247, 249 during assembly.
- the shaft portion 241 on the opposite side of the bore 249 a shaft journal 255 which is pressed into the bore 257 of the turbine wheel 187.
- the two components or the shaft 189 and the turbine wheel 187 are welded to the contact points 259.
- a laser beam welding is used, whereby components with high welding speed, narrow and slim weld form and connect with low thermal distortion. The laser beam welding is performed without feeding a filler material.
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung (3, 63, 123, 183) für einen Turbolader (1, 61, 121, 181), umfassend ein sich in einer axialen Richtung erstreckendes Lagergehäuse (11, 71, 131, 191), ein innerhalb des Lagergehäuses (11, 71, 131, 191) angeordnetes Wälzlager (13, 73, 133, 193) mit einem äußeren Lagerring (15, 17, 75, 77, 135, 137, 195, 197) und einer Anzahl von Wälzkörpern (21, 81, 101, 161 ), sowie eine innerhalb des Lagergehäuses (11,71, 131, 191) drehbar gelagerte, sich axial erstreckende Welle (9, 69, 129, 189). Hierbei ist vorgesehen, dass die Welle (9, 69, 129, 189) eine Wälzkörperlaufbahn (25, 27, 85, 87, 145, 147, 205, 207) zur Führung der Wälzkörper (21, 81, 101, 161) umfasst. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Turbolader (1, 61, 121, 181), mit einer solchen Lageranordnung (3, 63, 123, 183). Eine derartige Lageranordnung (3, 63, 123, 183) ermöglicht bei einfacher Montage und geringen Kosten die sichere Lagerung einer Welle (9, 69, 129, 189) in einem Turbolader (1, 61, 121, 181).
Description
Bezeichnung der Erfindung
Lageranordnung für einen Turbolader und Turbolader Beschreibung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung für einen Turbolader, umfassend ein Lagergehäuse, ein innerhalb des Lagergehäuses angeordnetes Wälzlager mit einem äußeren Lagerring und einer Anzahl von Wälzkörpern, sowie eine innerhalb des Lagergehäuses drehbar gelagerte, sich axial erstreckende Welle.
Weiterhin betrifft die Erfindung einen Turbolader mit einer vorgenannten Lageranordnung.
Hintergrund der Erfindung
Ein Turbolader dient üblicherweise der Leistungssteigerung von Brennkraftmaschinen durch die Nutzung von Abgasenergie. Der Turbolader besteht hierzu aus einem Verdichter und einer Turbine, die über eine innerhalb eines Lagergehäuses gelagerte Welle miteinander verbunden sind.
Im Betrieb wird die Turbine durch einen Abgasstrom in Rotation versetzt und treibt über die Welle den Verdichter an, der Luft ansaugt und verdichtet. Die verdichtete Luft wird in den Motor geleitet, wobei durch den erhöhten Druck während des Ansaugtaktes eine große Menge Luft in die Zylinder gelangt. Hier- durch steigt der zur Verbrennung von Kraftstoff benötigte Sauerstoffgehalt entsprechend an, so dass bei jedem Einlasstakt mehr Sauerstoff in den Brennraum des Motors gelangt.
Dies führt zu einer Steigerung des maximalen Drehmoments, wodurch die Leistungsabgabe, also die maximale Leistung bei konstantem Arbeitsvolumen, erhöht wird. Diese Steigerung erlaubt insbesondere den Einsatz eines leistungsstärkeren Motors mit annähernd gleichen Abmessungen oder ermöglicht alter- nativ eine Verringerung der Motorabmessungen, also das Erzielen einer vergleichbaren Leistung bei kleineren und leichteren Maschinen.
Da die Welle im Betrieb eines Turboladers mit hoher Drehgeschwindigkeit rotiert, ist deren sichere Lagerung notwendig, um einen störungsfreien Betrieb des Turboladers zu ermöglichen.
Aus der DE 689 08 244 T2 ist eine als Lagerhalterungsanordnung ausgebildete Lagereinheit für einen Turbolader der eingangs genannten Art bekannt. Innerhalb eines Lagergehäuses ist eine Welle angeordnet. Die Lagerung der Welle innerhalb des Lagergehäuses erfolgt über ein Paar von als Kugellagern ausgebildeten Wälzlagern. Die Kugellager bestehen hierbei jeweils aus einem äußeren Lagerring sowie aus einem inneren Lagerring, wobei die inneren Lagerringe fest an der Welle befestigt sind. Durch die vorgenannte Ausgestaltung lässt sich die sichere Lagerung einer Welle eines Turboladers auch bei erhöhten Drehzahlen der Welle erreichen. Allerdings stellen der Einsatz einer Mehrzahl an benötigten separaten Lagerkomponenten und der damit verbundene kostenintensive Montageaufwand keine dauerhafte Lösung für eine Lageranordnung bzw. einen Turbolader dar.
Aufgabe der Erfindung
Es ist demnach eine erste Aufgabe der Erfindung, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Lageranordnung anzugeben, die bei einfacher Montage und geringen Kosten die sichere Lagerung einer Welle in einem Turbolader ermöglicht.
Eine zweite Aufgabe der Erfindung ist es, einen Turbolader mit einer solchen Lageranordnung anzugeben.
Lösung der Aufgabe
Die erste Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Lageranordnung für einen Turbolader, umfassend ein sich in einer axialen Richtung erstreckendes Lagergehäuse, ein innerhalb des Lagergehäuses angeord- netes Wälzlager mit einem äußeren Lagerring und einer Anzahl von Wälzkörpern, sowie eine innerhalb des Lagergehäuses drehbar gelagerte, sich axial erstreckende Welle. Hierbei ist vorgesehen, dass Welle eine Wälzkörperlaufbahn zur Führung der Wälzkörper umfasst. Die Erfindung berücksichtigt, dass durch den Einsatz einer Mehrzahl separater Lagerkomponenten neben einem erhöhten Montageaufwand auch eine Beeinträchtigung der Lagerkomponenten und damit der Funktion des Turboladers zu befürchten ist. Dies gilt insbesondere im Hinblick auf die üblicherweise eingesetzten inneren Lagerringe, die zur Führung von Wälzkörpern an ihrem Außen- umfang entsprechende Laufbahnen aufweisen. Bei der Montage werden die inneren Lagerringe auf die Welle aufgeschoben und müssen auf diese gepresst werden, so dass im Betrieb kein Verdrehen relativ zur Welle möglich ist. Bei dem Aufpressen werden die Lagerringe derart gestaucht, dass sich der axiale Abstand zwischen den Wälzkörperlaufbahnen verkürzt und somit das Wellen- spiel verändert wird. Weiterhin ändern sich die Durchmesser der Wälzkörperlaufbahnen und damit auch das Lagerspiel.
Zusätzlich kann es beim Aufpressen der inneren Lagerringe zu deren fehlerhafter Ausrichtung auf der Welle kommen. Es ist beispielsweise möglich, dass sie sich nicht koaxial mit der Welle und zueinander ausrichten, was sowohl beim Wuchten als auch im späteren Betrieb zu einem unerwünschten Setzen an den axialen Kontaktstellen zwischen den Lagerringen bzw. den Lagersitzen führen kann. Darüber hinaus kann sich die Wuchtqualität über die Laufzeit des Lagers
verschlechtern und so zu einem erhöhtem Verschleiß der Lagerkomponenten führen. In jedem Fall kann so eine störungsfreie Funktion eines Turboladers nicht gewährleistet werden. Die Erfindung erkennt schließlich, dass die vorgenannten Probleme überraschenderweise dann überwunden werden können, wenn die Welle eine Wälzkörperlaufbahn zur Führung der Wälzkörper umfasst. Auf die Verwendung separat zu montierender innerer Lagerringe kann gänzlich verzichtet werden. Mit anderen Worten übernimmt die Welle selbst die Funktion der inneren Lagerrin- ge, so dass durch eine derartige Ausgestaltung mit geringem Kosten- und Montageaufwand eine sichere Lagerung der Welle in einem Turbolader erreicht werden kann.
Zusätzlich kann durch den Verzicht auf separate innere Lagerringe die Summe der Bauteiltoleranzen verringert werden. Die sich üblicherweise addierenden Form- und Lagefehler der inneren Lagerringe auf der Welle können so vermieden werden, wodurch die Toleranz insgesamt geringer ist.
Die Welle kann aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sein, wobei sich insbesondere temperaturstabile und korrosionsbeständige Werkstoffe eignen. Die Welle kann beispielsweise einteilig mittels eines Umformverfahrens, eines spanenden Verfahrens oder eines Gießverfahrens gefertigt sein. Alternativ zur einteiligen Fertigung ist auch eine mehrteilige Fertigung möglich. Die Wälzkörperlaufbahn ist hierbei in die Mantelfläche der Welle integriert und kann bei- spielsweise direkt bei der Fertigung der Welle in einem Schritt in die Mantelfläche eingebracht sein. Alternativ kann die Wälzkörperlaufbahn in einem sich der Fertigung des Wellengrundkörpers anschließenden Schritt nachträglich in die Mantelfläche eingebracht werden. Um die notwendige Stabilität der Welle zu gewährleisten, wir diese nach der Fertigung vorzugsweise einer Nachbearbei- tung unterzogen.
Die Welle ist im eingebauten Zustand innerhalb eines Lagergehäuses drehbar gelagert. Das Lagergehäuse ist hierzu vorzugsweise hohlzylindrisch ausgebil-
det. Aufgrund der hohen Belastungen im Betrieb eines Turboladers eignen sich zur Herstellung des Lagergehäuses insbesondere temperaturfeste und korrosionsbeständige metallische Werkstoffe. Das Lagergehäuse ist insbesondere mit einer Aufnahmebohrung für die weiteren Komponenten der Lageranordnung, wie beispielsweise das Wälzlager ausgebildet.
Auch das Wälzlager bzw. die einzelnen Wälzlagerkomponenten sind zweckmäßigerweise aus temperatur- und korrosionsbeständigen Materialien, wie beispielsweise aus durchgehärteten Stählen oder auch Keramiken gefertigt. Als Wälzlager sind grundsätzlich die gängigen Lagertypen einsetzbar, wie beispielsweise Zylinderrollenlager oder auch Kegelrollenlager. Besonders geeignet sind Kugellager, wie insbesondere doppelreihige Schrägkugellager. Zur Führung der Wälzkörper eines doppelreihigen Schrägkugellagers sind in der Mantelfläche der Welle zweckmäßigerweise zwei axial voneinander beabstandete Wälzkörperlaufbahnen eingebracht.
Das Wälzlager ist weiterhin mit zumindest einem äußeren Lagerring ausgebildet, an dessen Innenumfang eine Wälzkörperlaufbahn eingebracht ist, die e- benfalls der der Führung und Positionierung der Wälzkörper dient. Hierbei ist sowohl eine einteilige als auch eine mehrteilige Fertigung des äußeren Lagerrings möglich. Bei einer mehrteiligen Fertigung können die äußeren Lagerringe beispielsweise aneinander anliegen und so ein axiales Verschieben der Lager auf der Welle verhindern. Alternativ können die äußeren Lagerringe beispielsweise auch mittels eines Federelements axial voneinander beabstandet sein.
Zwischen dem Außendurchmesser des äußeren Lagerrings und dem Innenumfang des Lagergehäuses ist insbesondere ein Zwischenraum, beispielsweise als ein den äußeren Lagerring umlaufender Spalt, für einen sogenannten Quetschölfilm ausgebildet. Der Quetschölfilm übernimmt hier die Funktion des Schwingungsdämpfers und verhindert einen unerwünschten Kontakt zwischen dem äußeren Lagerring und dem Lagergehäuse.
Um den Zwischenraum mit Öl zu versorgen, kann innerhalb des Lagergehäuses eine Anzahl an Versorgungsbohrungen eingebracht sein, über welche Öl aus dem Motorölkreislauf in den Zwischenraum dosiert werden kann. Die Versorgungsbohrungen stehen hierzu insbesondere mit einer Anzahl von den Au- ßenumfang des äußeren Lagerrings umlaufenden Nuten in einer kommunizierenden Verbindung. Entsprechend können die Nuten über die Versorgungsbohrungen mit Öl beaufschlagt werden. Von den Nuten ausgehend kann sich das Öl in axialer Richtung über den Umfang des äußeren Lagerrings verteilen, so dass sich ein gleichmäßiger Ölfilm zwischen dem äußeren Lagerring und der Innenwand des Lagergehäuses bildet. Die Anzahl der Versorgungsbohrungen und der Nuten ist hierbei grundsätzlich nicht begrenzt und kann beispielsweise den Abmessungen des Lagergehäuses und der Dicke des Quetschölfilms an- gepasst werden. Weiterhin ist in dem Lagergehäuse vorzugsweise zusätzlich eine Auslassbohrung eingebracht, die mit einer den äußeren Lagerring auf seinem Außenumfang umlaufenden Ablaufnut kommunizierend verbunden ist. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass das über die Versorgungsbohrung dem Zwischenraum zugeführte Öl kontinuierlich abfließen kann.
Alternativ können die äußeren Lagerringe durch einen zusätzlichen Trägerring im Lagergehäuse geführt werden. In diesem Fall wird der Trägerring im Zwischenraum eingebettet. Der Trägerring weist hierbei bevorzugt an seinem Außenumfang eine Anzahl von umlaufenden Nuten auf, die im eingebauten Zu- stand mit den Versorgungsbohrungen des Lagergehäuses kommunizierend in Verbindung stehen. Der Quetschölfilm wird dann entsprechend im Zwischenraum zwischen dem Außenumfang des Trägerrings und der Innenwand des Lagergehäuses ausgebildet. Beim Einsatz eines Trägerrings steht zweckmäßigerweise eine in diesem auf seinem Außenumfang eingebrachte Ablaufnut mit einer Auslassbohrung kommunizierend in Verbindung und ermöglicht entsprechend den Ölablauf.
Um das Wälzlager verdrehsicher innerhalb des Lagergehäuses zu positionieren, können Sicherungselemente eingesetzt werden. Grundsätzlich ist hierbei eine Vielzahl von Sicherungselementen denkbar, die den im Betrieb eines Turboladers wirkenden Kräften standzuhalten und die eine verdrehsichere Anord- nung des äußeren Lagerrings innerhalb des Lagergehäuses ermöglichen. Die Sicherungselemente, deren Anzahl grundsätzlich nicht begrenzt ist, können beispielsweise als Sicherungspins oder Sicherungsbolzen ausgebildet sein, die in hierfür vorgesehene Bohrungen innerhalb des Lagergehäuses gesteckt werden können. Alternativ können die Sicherungselemente als Federn ausgebildet sein, die dann beispielsweise in dafür vorgesehene Vertiefungen oder Nuten eingreifen können.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht die Welle zumindest im Bereich der Wälzkörperlaufbahn aus einem Stahl. Grundsätzlich sind hier verschiedene Stähle oder metallische Werkstoffe einsetzbar. Insbesondere eignet sich ein legierter Wälzlagerstahl. Hierbei kann beispielsweise ein Wälzlagerstahl des Typs 81 MoCrV42-16 eingesetzt werden, der insbesondere aufgrund seiner Temperaturstabilität und Korrosionsbeständigkeit die notwendigen Voraussetzungen für den Einsatz in Turboladern. Die Eigenschaften des metal- lischen Werkstoffs bzw. des Wälzlagerstahls können durch die Wahl der Legierungskomponenten bzw. durch die Zusammensetzung beeinflusst werden. Grundsätzlich ist es hierbei möglich, die gesamte Welle aus einem Wälzlagerstahl zu fertigen. Alternativ kann auch nur an den Stellen der Wälzkörperlaufbahnen ein Wälzlagerstahl eingesetzt sein.
In einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Welle aus einer Anzahl axial benachbarter Wellenabschnitte zusammengesetzt. Die einzelnen Wellenabschnitte können vor der Montage der Lageranordnung miteinander verschweißt werden. Die mehrteilige Ausgestaltung ermöglicht beispielsweise die kontrollierte Einbringung von Aussparungen in die Welle. Diese Aussparungen stellen ein Luftvolumen innerhalb der Welle zur Verfügung, welches im eingebauten Zustand der Welle im Turbolader die Wärmeleitung vom Turbinenrad zum Wälzlager reduziert.
Insbesondere können durch den Einsatz mehrerer Wellenabschnitte die Kosten bei der Herstellung der Welle bzw. bei der Herstellung der Lageranordnung verringert werden. Dies wird insbesondere dadurch ermöglicht, dass die Wel- lenabschnitte aus verschiedenen Materialien gefertigt sein können. Hierbei sind die Wellenabschnitte, in denen die Wälzkörperlaufbahnen eingebracht sind, vorzugsweise aus einem Wälzlagerstahl gefertigt, der die notwendige Stabilität aufweist. Für die weiteren Wellenabschnitte kann anforderungsspezifisches Material und entsprechend kostengünstigeres Wellenmaterial, eingesetzt wer- den.
Um die Wellenabschnitte miteinander zu verbinden, sind diese vorzugsweise miteinander verschweißt. Schweißverfahren eignen sich hierbei insbesondere deswegen, weil bei deren Einsatz die Möglichkeit besteht, auch Werkstoffe mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften, wie z.B. Stahl mit Aluminium, zu verbinden.
Bevorzugt umfasst die Welle eine innere Aussparung. Die innere Aussparung kann als ein Hohlraum ausgebildet sein, der ein zusätzliches Luftvolumen zu Verfügung stellt. Hierdurch kann beispielsweise die Wärmeleitung vom Turbinenrad zum Lager reduziert werden. Weiterhin kann die Aussparung der Aufnahme von sogenanntem Schweißauswurf dienen, der bei der Verbindung der Welle mit dem Turbinenrad oder auch bei der Verbindung mehrerer Wellenabschnitte miteinander entsteht und dann innerhalb der Aussparungen aufgefan- gen werden kann. Grundsätzlich kann auch im Turbinenrad eine Aussparung eingebracht sein. Das gleiche gilt bei einer mehrteiligen Ausgestaltung der Welle für die einzelnen Wellenabschnitte, die ebenfalls jeweils mit einer Aussparung ausgebildet sein können. Hierdurch vergrößert sich das innenliegende Luftvolumen weiter und die Wärmeleitfähigkeit wird weiter verringert.
Vorzugsweise weist die Welle stirnseitig einen Wellenzapfen zur Zentrierung und Befestigung an einem Turbinenrad auf. Der Wellenzapfen ist vorzugsweise als ein sich in axialer Richtung erstreckender Zapfen ausgebildet, der im einge-
bauten Zustand in die Bohrung eines Turbinenrads eingreifen kann. So wird bereits vor dem Verschweißen der Bauteile eine Verbindung zwischen diesen möglich, die den sich anschließenden Schweißvorgang vereinfachen. Grundsätzlich ist hierbei auch die Ausbildung eines Zapfens an dem Turbinenrad möglich, welcher dann in eine Bohrung an der Stirnseite der Welle eingreift.
Hierbei ist es grundsätzlich auch möglich, dass in dem Zapfen einer Aussparung eingebracht ist, die ein Luftvolumen innerhalb der Welle zur Verfügung stellt. So kann auch mittels des Zapfens die Wärmeleitung vom Turbinenrad zum Wälzlager reduziert werden.
Zweckmäßigerweise umfasst der äußere Lagerring eine Spritzölbohrung zur Schmiermittelbeaufschlagung des Wälzlagers. Die Spritzölbohrungen sind hierbei mit den Nuten im Außenring verbunden. Das Öl kann von den Nuten über die Spritzölbohrungen in den Lagerraum gelangen und auf diese Weise zur Schmierung und Kühlung genutzt werden.
Weiter bevorzugt umfasst die Welle auf ihrem Außenumfang eine Anzahl von Nuten zur Positionierung von Dichtelementen. Die Nuten können sowohl auf der Verdichterseite als auch auf der Turbinenseite in den Außenumfang der Welle eingebracht sein, so dass an beiden Seiten der Welle eine Dichtwirkung erreicht wird. Auf diese Weise kann die benötigte Schmierung des innerhalb des Lagergehäuses positionierten Wälzlagers sichergestellt werden, die beispielsweise über Spritzölbohrungen erreicht wird.
Weiter bevorzugt umfasst die Welle einen Olabscheider. Der Olabscheider kann beispielsweise als separates Bauteil an der Welle angebracht sein oder auch in die Welle integriert sein. Insbesondere ist der Olabscheider als ein solcher ausgebildet, der unter Ausnutzung des Fliehkraftwirkprinzips arbeitet.
Die zweite Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Turbolader, umfassend ein Verdichterrad, ein Turbinenrad, sowie eine Lageranordnung entsprechend den vorgenannten Ausgestaltungen, wobei das
Verdichterrad und das Turbinenrad an den entgegengesetzten Enden der Welle angeordnet sind. Hierbei ist vorgesehen, dass die Welle mit dem Turbinenrad verschweißt ist. Wie eingangs bereits erläutert wird das Turbinenrad der Turbine eines Turboladers durch einen Abgasstrom in Rotation versetzt und treibt über die Welle den Verdichter an. Der Verdichter saugt Luft an und verdichtet diese. Der Verdichter arbeitet kontinuierlich und zeichnet sich durch geringe Druckerhöhung und einen hohen Volumendurchsatz aus. Die verdichtete Luft wird in den Motor gelei- tet, wobei durch den erhöhten Druck während des Ansaugtaktes eine große Menge Luft in die Zylinder gelangt. Hierdurch steigt der zur Verbrennung von Kraftstoff benötigte Sauerstoffgehalt entsprechend an, so dass bei jedem Einlasstakt mehr Sauerstoff in den Brennraum des Motors gelangt. Um eine sichere Befestigung des Turbinenrads auf der Welle zu erreichen und damit eine Verbindung zwischen dem Verdichterrad und dem Turbinenrad sicherstellen zu können, ist die Welle mit dem Turbinenrad verschweißt. Hierzu eignen sich unterschiedliche Schweißverfahren. Beispielsweise kann ein Reibschweißverfahren eingesetzt werden. Das Reibschweißen ermöglicht eine sichere Verbindung von Bauteilen sowohl bei gleichen als auch bei unterschiedlichen Werkstoffkombinationen. Es handelt es sich hierbei um ein Pressschweißverfahren, wobei die Erwärmung der zu fügenden Teile durch mechanische Reibung erfolgt. Die Erwärmung wird in der Regel durch eine Bewegung zwischen einem rotierenden und einem feststehenden Bauteil erzeugt, welche unter Kraft ohne Zusatzwerkstoff zusammengeführt werden.
Alternativ zum Reibschweißverfahren kann die Welle mit dem Turbinenrad auch mittels eines Elektronenstrahlschweißverfahrens verbunden werden. Dieses Verfahren erlaubt beispielsweise aufgrund der hohen Energiedichte, die in die Schweißzone eingebracht wird, das Verbinden einer Vielzahl verschiedener Material, wie beispielsweise auch hochschmelzender Metalle. Das Elektronen-
strahlschweißen ermöglicht hierbei hohe Schweißgeschwindigkeiten mit extrem tiefen und schmalen Nähten. Durch die geringen Nahtbreiten und der hohen Parallelität kann der Verzug extrem klein gehalten werden. Weiterhin ist beispielsweise auch ein Laserstrahlschweißen denkbar, wodurch sich Bauteile mit hoher Schweißgeschwindigkeit, schmaler und schlanker Schweißnahtform und mit geringem thermischem Verzug verbinden lassen. Das Laserstrahlschweißen wird in der Regel ohne Zuführung eines Zusatzwerkstoffes ausgeführt.
Vorzugsweise ist das Turbinenrad auf die Welle aufgepresst. Dieser Vorgang ist zweckmäßigerweise dem Schweißverfahren vorgeschaltet. Hierzu ist die Welle auf der Turbinenseite beispielsweise mit einem sich in axialer Richtung erstreckenden Wellenzapfen ausgebildet, der in eine Bohrung im Turbinenrad gepresst wird. Durch diese Presspassung wird bereits vor dem Verschweißen eine Verbindung zwischen der Welle und dem Turbinenrad möglich, so dass die beiden Bauteile anschließend nur noch an den vorzugsweise planen Kontaktstellen miteinander verschweißt werden müssen. Selbstverständlich können alternativ auch das Turbinenrad mit einem Zapfen und die Welle mit einer Boh- rung an ihrer Stirnseite ausgebildet sein, so dass die Welle in dem Turbinenrad verpresst ist.
Zweckmäßigerweise ist das Verdichterrad mittels einer Mutter an der Welle befestigt. Das Verdichterrad wird hierzu bei der Montage auf die Welle aufge- schoben und schließlich mittels der Mutter dort verklemmt. Auf diese Weise ist auch eine sichere Verbindung zwischen dem Verdichterrad und der Welle gewährleistet.
Grundsätzlich können die Lagerkomponenten der Lagerkartusche vormontiert werden und von der Turbinenseite ausgehend in das Lagergehäuse geschoben werden. Dies ermöglicht eine Lieferung der Lagerkartusche mit geringerem Aufwand sowie einen geringen Montageaufwand beim Kunden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den auf die Lageranordnung gerichteten Unteransprüchen, die sinngemäß auf den Turbolader übertragen werden können.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen die Fig. 1 bis 4 jeweils einen Turbolader mit einer Lageranordnung in einem Längsschnitt.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung Fig. 1 zeigt einen Turbolader 1 mit einer Lageranordnung 3. Der Turbolader weist ein Verdichterrad 5 und ein Turbinenrad 7 auf, die an den entgegengesetzten Enden einer sich in axialer Richtung erstreckenden Welle 9 angeordnet sind. Die Welle 9 ist Teil der Lageranordnung 3 und innerhalb eines sich ebenfalls axial erstreckenden Lagergehäuses 1 1 drehbar gelagert. Weiterhin umfasst die Lageranordnung 3 ein innerhalb des Lagergehäuses 1 1 angeordnetes Wälzlager 13 mit zwei axial benachbarten äußeren Lagerringen 15, 17. Die äußeren Lagerringe 15, 17 sind mittels eines zwischen ihnen angeordneten vorgespann- ten Federelements 19 voneinander beabstandet.
Das Wälzlager 13 weist weiterhin als Kugeln ausgebildete Wälzkörper 21 auf, die in Reihen jeweils in Käfigen 23 gehalten sind. Geführt werden die Wälzkörper 21 jeweils in Wälzkörperlaufbahnen 25, 27, die in der Mantelfläche der Wel- le 9 integriert sind. Die Wälzkörperlaufbahnen 25, 27 sind direkt bei der Fertigung der Welle in einem Schritt in die Mantelfläche eingebracht. Hierdurch kann auf die Verwendung separat zu montierender innerer Lagerhnge verzichtet werden, da die Welle 9 die Funktion der inneren Lagerringe übernimmt.
Hierdurch wird der Aufwand bei der Montage, bei welcher die inneren Lagerringe auf die Welle aufgeschoben und auf diese gepresst werden müssen, verringert. Weiterhin bleibt der axiale Abstand zwischen den Wälzkörperlaufbahnen 25, 27 immer gleich groß, so dass sich auch das Wellenspiel nicht verändert.
Zusätzlich kann durch den Verzicht auf separate innere Lagerringe die Summe der Bauteiltoleranzen verringert werden. Die sich üblicherweise addierenden Form- und Lagefehler der inneren Lagerringe auf der Welle 9 können so ver- mieden werden, wodurch die Toleranz insgesamt geringer ist.
Die gesamte Welle 9 ist einteilig aus einem temperaturbeständigen Wälzlagerstahl gefertigt. Sie ist mittels eines Reibschweißverfahrens mit dem Turbinenrad 7 verschweißt, wodurch eine sichere Verbindung zwischen der Welle 9 und dem Turbinenrad 7 erreicht wird.
Zusätzlich sind sowohl in der in der Welle 9 als auch in dem Turbinenrad 7 Aussparung 29, 31 eingebracht. Die Aussparungen 29, 31 stellen ein Luftvolumen zur Verfügung, so dass die Wärmeleitung von dem einem Turbinenrad 7 zum Wälzlager 13 im Betrieb des Turboladers 1 reduziert wird. Weiterhin bieten sie Platz für Schweißauswurf bei der Bearbeitung der Welle.
Auf der dem Turbinenrad 7 gegenüberliegenden Seite ist die Welle 9 mit dem Verdichterrad 5 verbunden. Hierzu ist das Verdichterrad 5 auf die Welle aufge- schoben und dort mittels einer Mutter 33 verklemmt.
Auf dem Außenumfang der Welle 9 sind Nuten 35 für die Positionierung von Dichtelementen 37 eingebracht. Die Dichtelemente 37 dichten sowohl auf Seiten des Verdichterrads 5 als auch auf Seiten des Turbinenrads 7 gegen Lecka- ge und Verunreinigungen ab.
Zur Montage des Turboladers können die Lagerkomponenten vormontiert werden und von der Turbinenseite ausgehend in das Lagergehäuse 11 geschoben
werden. Da der Außendurchmesser der äußeren Lagerringe 15, 17 geringfügig kleiner ist, als der Innendurchmesser des Lagergehäuses 1 1 , entsteht zwischen dem Lagergehäuse 11 und den äußeren Lagerringen 15, 17 ein spaltförmiger Zwischenraum 39. Der Zwischenraum 39 wird über Versorgungsbohrung 41 im Lagergehäuse 11 mit Öl beaufschlagt, so dass sich dort ein Quetschölfilm ausbildet. Die Versorgungsbohrungen 41 , 42 stehen mit Nuten 43, 44 auf dem Außenumfang der äußeren Lagerringe 15, 17 kommunizierend in Verbindung. Weiterhin wird das Öl von den Nuten 43, 44 ausgehend wird durch mit den Nuten 43 verbundenen Spritzölbohrungen 45, 46 in die Lager verteilt und kann so zur Schmierung genutzt werden. Zum Ablauf des Öls ist eine Auslassbohrung 47 umfasst.
Zusätzlich ist an der Welle 9 ein Ölabscheider 49 mit Fliehkraftwirkprinzip angebracht.
In Fig. 2 ist ein weiterer Turbolader 61 mit einer Lageranordnung 63 gezeigt. Der Turbolader 61 weist eine Verdichterrad 65 und ein Turbinenrad 67 auf, die an den entgegengesetzten Enden einer sich in axialer Richtung erstreckenden Welle 69 angeordnet sind. Die gesamte Welle 69 ist auch in Fig. 2 einteilig aus einem temperaturbeständigen Stahl gefertigt.
Da die Funktion und die einzelnen Komponenten des Turboladers 61 in Fig. 2 im Wesentlichen denen des Turboladers 1 in Fig. 1 entsprechend, wird an dieser Stelle auf die detaillierte Beschreibung und Darstellung in Fig. 1 verwiesen, die im Folgenden sinngemäß übertragen werden kann.
Im Unterschied zu Fig. 1 ist das Turbinenrad 67 mittels eines Elektronenstrahl- schweißens mit der Welle 69 verbunden. Hierzu ist das Turbinenrad 67 auf die Welle 69 aufgepresst. Das Turbinenrad 67 weist eine entsprechende Bohrung 1 1 1 auf, in die der an der Stirnseite der Welle ausgebildete Wellenzapfen 1 13 der Welle eingepresst wird. Der Wellenzapfen 113 ist als ein sich in axialer Richtung erstreckender Zapfen ausgebildet.
Im Anschluss werden das Turbinenrad 67 und die Welle 69 lediglich an den planen Anlageflächen 1 15 des Turbinenrads 67 und der Welle 69 durch einen Elektronenstrahl verschweißt. Weiterhin ist die Welle 69 auf der dem Turbinenrad 67 gegenüberliegenden Seite mit dem Verdichterrad 65 mittels einer Mutter 93 verklemmt. An der gleichen Seite ist an der Welle 69 zusätzlich ein Ölabscheider 109 mit Fliehkraftwirkprinzip angebracht. Fig. 3 zeigt einen weiteren Turbolader 121 mit einer Lageranordnung 123. Der Turbolader 121 weist ebenfalls ein Verdichterrad 125 und ein Turbinenrad 127 auf, die an den entgegengesetzten Enden einer sich in axialer Richtung erstreckenden Welle 129 angeordnet sind. Die Welle 129 ist innerhalb eines sich ebenfalls axial erstreckenden Lagergehäuses 131 drehbar gelagert.
Hierzu weist die Lageranordnung 123 ein innerhalb des Lagergehäuses 131 angeordnetes Wälzlager 133 mit zwei axial benachbarten äußeren Lagerringen 135, 137 auf. Die äußeren Lagerringe 135, 137 sind mittels eines zwischen ihnen angeordneten vorgespannten Federelements 139 voneinander beabstan- det. Das Wälzlager 133 weist weiterhin als Kugeln ausgebildete Wälzkörper 141 auf, die in Reihen jeweils in Käfigen 143 gehalten sind. Geführt werden die Wälzkörper 141 jeweils in Wälzkörperlaufbahnen 145, 147, die in der Mantelfläche der Welle 149 integriert sind. Im eingebauten Zustand ist zwischen dem Außendurchmesser der äußeren Lagerringe 135, 137 und dem Lagergehäuse 131 ein spaltförmiger Zwischenraum 159 ausgebildet, der über zwei Versorgungsbohrungen 161 im Lagergehäuse 131 mit Öl beaufschlagt wird. Hierbei bildet sich im Zwischenraum ein Quetschölfilm aus. Die Versorgungsbohrungen 161 , 162 stehen mit Nuten 163, 164 auf dem Außenumfang der äußeren Lagerringe 13, 137 kommunizierend in Verbindung. Von den Nuten 163, 164 ausgehend wird das Öl zusätzlich über Spritzölbohrungen 165, 166 in die Lager verteilt und kann so zur Schmierung
genutzt werden. Zum Ablauf des Öls ist weiterhin eine Auslassbohrung 167 umfasst.
Der Unterschied des Turboladers 121 zu den bereits gezeigten Turboladern 1 , 61 besteht in der Beschaffenheit der Welle 129. Die Welle 129 ist aus verschiedenen Wellenabschnitten 171 , 173, 175 zusammengesetzt. Die Wälzkörperlaufbahnen 145, 147 sind entsprechend nur in einem Wellenabschnitt 173 eingebracht. Der Wellenabschnitt 173 übernimmt entsprechend die Funktion der ansonsten benötigten inneren Lagerringe.
Der Wellenabschnitt 173 besteht aus temperaturbeständigem Stahl, wohingegen die beiden axial benachbarten Wellenabschnitte 171 , 175 anforderungsspezifische aus einem günstigeren metallischen Werkstoff gefertigt sind. Die Wellenabschnitte 171 , 173, 175 weisen sich axial nach innen erstreckende Aussparungen 176, 177, 178, 179 auf. Die inneren Aussparungen 176, 177, 178, 179 sind als Hohlräume ausgebildet, die ein zusätzliches Luftvolumen zu Verfügung stellen. Aufgrund dessen bewirken sie eine Reduzierung der Wärmeleitung vom Turbinenrad 127 zu den Lagern bewirken. Auch das Turbinen- rad 127 weist eine Aussparung 180 auf, die zusätzlich das Luftvolumen erhöht und damit die Wärmeleitung verringert.
Die Wellenabschnitte 171 , 173, 175 sind vorliegend miteinander verschweißt. Nach dem Verschweißen der Wellenabschnitte 171 , 173, 175 ist schließlich der Wellenabschnitt 175 mit dem Turbinenrad 127 verschweißt. Hierzu wird wie bereits beim Turbolader 1 gemäß Fig. 1 ein Reibschweißen eingesetzt.
Die verschweißten Wellenabschnitte 171 , 173, 175 bzw. die Welle 129 wird schließlich an der Seite des Wellenabschnitts 175 mittels eines Reibschweiß- Verfahrens mit dem Turbinenrad 127 verschweißt. Auch das Turbinenrad 127 weist eine innere Aussparung 180 auf, die das Luftvolumen zur Reduzierung der Wärmeleitung vom Turbinenrad 127 zum Wälzlager 133 im Betrieb des Turboladers 121 weiter reduziert.
Zur Befestigung des Verdichterrads 125 an der Welle 129 ist dieses an der dem Turbinenrad 127 gegenüberliegenden Seite der Welle129 auf diese aufgeschoben und dort mittels einer Mutter 153 befestigt. Weiterhin ist an der Wel- le 129 ein Ölabscheider 169 angebracht, der mittels des mit Fliehkraftwirkprinzip arbeitet.
In Fig. 4 ist ein weiterer Turbolader 181 mit einer Lageranordnung 183 gezeigt. Der Turbolader 181 weist eine Verdichterrad 185 und ein Turbinenrad 187 auf, die an den entgegengesetzten Enden einer sich in axialer Richtung erstreckenden Welle 189 angeordnet sind. Die Welle 189 ist innerhalb eines sich ebenfalls axial erstreckenden Lagergehäuses 191 drehbar gelagert.
Die Lageranordnung 183 umfasst weiterhin ein innerhalb des Lagergehäuses 191 angeordnetes Wälzlager 193 mit zwei axial benachbarten äußeren Lagerringen 195, 197, die wie bereits bei den vorhergehenden Figuren mittels eines zwischen ihnen angeordneten vorgespannten Federelements 199 voneinander beabstandet sind. Das Wälzlager 193 weist weiterhin als Kugeln ausgebildete Wälzkörper 201 auf, die in Reihen jeweils in Käfigen 203 gehalten sind. Die Wälzkörper 201 sind in Wälzkörperlaufbahnen 205, 207 geführt.
Da die Funktion der einzelnen Komponenten des Turboladers 181 in Fig. 4 im Wesentlichen denen der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen entspricht, wird an dieser Stelle auf die dortige detaillierte Beschreibung verwie- sen, die im Folgenden sinngemäß übertragen werden kann.
Wie auch in Fig. 3 ist die Welle 189 aus drei separaten Wellenabschnitten 237, 239, 241 gefertigt. Die Wellenabschnitte 237, 239, 241 bestehen aus verschiedenen Materialien, wobei der Wellenabschnitt 239 aus temperaturbeständigem Stahl besteht. Die beiden anderen Wellenabschnitte 237, 241 bestehen aus einem kostengünstigeren metallischen Werkstoff.
Die Wälzkörperlaufbahnen 205, 207 sind entsprechend nur in dem Wellenabschnitt 239 eingebracht, der aus dem Stahl besteht. Der Wellenabschnitt 239 übernimmt die Funktion der inneren Lagerringe, so dass sowohl die Kosten als auch der Montageaufwand verringert werden und die Genauigkeit erhöht.
Der Wellenabschnitt 239 ist jeweils stirnseitig mit zwei sich axial erstreckenden Wellenzapfen 243, 245 ausgebildet. Diese Wellenzapfen 243, 245 greifen gebauten Zustand in die Bohrungen 247, 249, die jeweils an den axialen Anlagestellen der Wellenabschnitten 237, 241 ausgebildet sind. Die Wellenzapfen 243, 245 werden bei der Montage entsprechend in die Bohrungen 247, 249 eingepresst. So wird bereits vor dem Verschweißen der Bauteile eine Verbindung zwischen diesen möglich, die den sich anschließenden Schweißvorgang vereinfachen. Das Verschweißen der einzelnen Wellenabschnitte aneinander erfolgt aufgrund des Presssitzes zwischen dieses nur noch an den Kontaktflä- Chen 251 , 253.
Zur Befestigung am Turbinenrad 187 weist der Wellenabschnitt 241 an der der Bohrung 249 gegenüberliegenden Seite zusätzlich einen Wellenzapfen 255 auf, der in die Bohrung 257 des Turbinenrads 187 gepresst ist. Nach dem Auf- pressen werden die beiden Bauteile, bzw. die Welle 189 und das Turbinenrad 187 an den Kontaktstellen 259 verschweißt. Hierzu wird ein Laserstrahlschweißen eingesetzt, wobei Bauteile mit hoher Schweißgeschwindigkeit, schmaler und schlanker Schweißnahtform und mit geringem thermischem Verzug verbinden. Das Laserstrahlschweißen wird ohne Zuführung eines Zusatzwerkstoffes ausgeführt.
Zur Befestigung des Verdichterrads 185 an der Welle 189 ist dieses an der dem Turbinenrad 187 gegenüberliegenden Seite der Welle189 auf diese aufgeschoben und dort mittels einer Mutter 213 verklemmt. Auf diese Weise ist auch eine sichere Verbindung zwischen dem Verdichterrad 185 und der Welle 189 gewährleistet. Zusätzlich ist an der Welle 189 ein Ölabscheider 229 angebracht, der mittels des mit Fliehkraftwirkprinzip arbeitet.
Liste der Bezugszahlen
1 Turbolader
3 Lageranordnung
5 Verdichterrad
7 Turbinenrad
9 Welle
1 1 Lagergehäuse
13 Wälzlager
15 äußerer Lagerring
17 äußerer Lagerring
19 Federelement
21 Wälzkörper
23 Käfig
25 Wälzkörperlaufbahn
27 Wälzkörperlaufbahn
29 Aussparung
31 Aussparung
33 Mutter
35 Nut
37 Dichtelement
39 Zwischenraum
41 Versorgungsbohrung
42 Versorgungsbohrung
43 Nut
44 Nut
45 Spritzölbohrung
46 Spritzölbohrung
47 Auslassbohrung
49 Ölabscheider
61 Turbolader
63 Lageranordnung
65 Verdichterrad
Turbinenrad
Welle
Lagergehäuse Wälzlager
äußerer Lagerring äußerer Lagerring Federelement Wälzkörper
Käfig
Wälzkörperlaufbahn Wälzkörperlaufbahn Aussparung
Aussparung
Mutter
Nut
Dichtelement Zwischenraum Versorgungsbohrung Versorgungsbohrung Nut
Nut
Spritzölbohrung Spritzölbohrung Auslassbohrung Ölabscheider1 Bohrung
Wellenzapfen Kontaktfläche1 Turbolader
Lageranordnung Verdichterrad Turbinenrad
9 Welle
Lagergehäuse Wälzlager äußerer Lagerring äußerer Lagerring Federelement Wälzkörper
Käfig
Wälzkörperlaufbahn Wälzkörperlaufbahn Mutter
Nut
Dichtelement Zwischenraum Versorgungsbohrung Versorgungsbohrung Nut
Nut
Spritzölbohrung Spritzölbohrung Auslassbohrung Ölabscheider Wellenabschnitt Wellenabschnitt Wellenabschnitt Aussparung
Aussparung
Aussparung
Aussparung
Aussparung
Turbolader
Lageranordnung Verdichterrad Turbinenrad
189 Welle
191 Lagergehäuse
193 Wälzlager
195 äußerer Lagerring
197 äußerer Lagerring 99 Federelement
201 Wälzkörper
203 Käfig
205 Wälzkörperlaufbahn
207 Wälzkörperlaufbahn
213 Mutter
215 Nut
217 Dichtelement
219 Zwischenraum
221 Versorgungsbohrung
223 Nut
225 Spritzölbohrung
227 Auslassbohrung
229 Ölabscheider
237 Wellenabschnitt
239 Wellenabschnitt
241 Wellenabschnitt
243 Wellenzapfen
245 Wellenzapfen
247 Bohrung
249 Bohrung
251 Kontaktfläche
253 Kontaktfläche
255 Wellenzapfen
257 Bohrung
259 Kontaktfläche
Claims
Lageranordnung (3, 63, 123, 183) für einen Turbolader (1, 61, 121, 181), umfassend ein sich in einer axialen Richtung erstreckendes Lagergehäuse (11 , 71 , 131 , 191 ), ein innerhalb des Lagergehäuses (11, 71 , 131, 191) angeordnetes Wälzlager (13, 73, 133, 193) mit einem äußeren Lagerring (15, 17, 75, 77, 135, 137, 195, 197) und einer Anzahl von Wälzkörpern (21,81, 101, 161), sowie eine innerhalb des Lagergehäuses (11, 71 , 131, 191) drehbar gelagerte, sich axial erstreckende Welle (9, 69, 129, 189), dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (9, 69, 129, 189) stirnseitig einen Wellenzapfen (113, 243, 245, 255) zur Befestigung an einem Turbinenrad (7, 67, 127, 187) aufweist.
Lageranordnung (3, 63, 123, 183) für einen Turbolader (1, 61, 121, 181), umfassend ein sich in einer axialen Richtung erstreckendes Lagergehäuse (11 , 71 , 131 , 191 ), ein innerhalb des Lagergehäuses (11,71, 131, 191) angeordnetes Wälzlager (13, 73, 133, 193) mit äußeren Lagerringen (15, 17, 75, 77, 135, 137, 195, 197) und einer Anzahl von Wälzkörpern (21, 81, 101, 161), sowie eine innerhalb des Lagergehäuses (11, 71, 131, 191) drehbar gelagerte, sich axial erstreckende Welle (9, 69, 129, 189), wobei die Welle (9, 69, 129, 189) eine Wälzkörperlaufbahn (25, 27, 85, 87, 145, 147, 205, 207) zur Führung der Wälzkörper (21, 81, 101, 161) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren Lagerringe (15, 17, 75, 77, 135, 137, 195, 197) durch einen Trägerring im Lagergehäuse geführt werden.
Lageranordnung (3, 63, 123, 183) nach Anspruch 2, dadurch gekenn- zeichnet,dass die Welle (9, 69, 129, 189) stirnseitig einen Wellenzapfen (113, 243, 245, 255) zur Befestigung an einem Turbinenrad (7, 67, 127, 187) aufweist.
4. Lageranordnung (3, 63, 123, 183) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (9, 69, 129, 189) zumindest im Bereich der Wälzkörperlaufbahn (25, 27, 85, 87, 145, 147, 205, 207) aus einem Stahl besteht.
5. Lageranordnung (3, 63, 123, 183) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (9, 69, 129, 189) aus einer Anzahl axial benachbarter Wellenabschnitte (171 , 173, 175, 237, 239, 241 ) zusammengesetzt ist.
6. Lageranordnung (3, 63, 123, 183) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass wobei die Wellenabschnitte (171 , 173, 175, 237, 239, 241 ) miteinander verschweißt sind.
7. Lageranordnung (3, 63, 123, 183) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (9, 69, 129, 189) eine innere Aussparung (29, 176, 177, 178, 179) umfasst.
8. Lageranordnung (3, 63, 123, 183) nach einem der vorhergehenden An- spräche, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Lagerring (15, 17,
75, 77, 135, 137, 195, 197) eine Spritzölbohrung (45, 46, 105, 106, 165, 166, 225, 226) zur Schmiermittel-beaufschlagung des Wälzlagers (13, 73, 133, 193) umfasst.
9. Lageranordnung (3, 63, 123, 183) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (9, 69, 129, 189) auf ihrem Außenumfang eine Anzahl von Nuten (35, 95, 155, 215) zu Positionierung von Dichtelementen (37, 97, 157, 217) umfasst.
10. Lageranordnung (3, 63, 123, 183) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (9, 69, 129, 189) einen Ölabscheider (49, 109, 169, 229) umfasst. Turbolader (1 , 61 , 121 , 181 ), umfassend ein Verdichterrad (5, 65, 125, 185), ein Turbinenrad (7, 67, 127, 187), sowie eine Lageranordnung (3, 63, 123, 183) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Verdichter (5, 65, 125, 185) und das Turbinenrad (7, 67, 127, 187) über die Welle (9, 69, 129, 189) verbunden sind, und wobei die Welle (9, 69, 129, 189) mit dem Turbinenrad (7, 67, 127, 187) verschweißt ist.
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