DE102006033397A1

DE102006033397A1 - Lader für eine Brennkraftmaschine mit einer Lageranordnung und Verfahren zur Herstellung einer solchen Lageranordnung

Info

Publication number: DE102006033397A1
Application number: DE102006033397A
Authority: DE
Inventors: Mario Sievert
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2006-07-19
Filing date: 2006-07-19
Publication date: 2008-01-24

Abstract

Die Erfindung betrifft einen für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges bestimmten Lader, insbesondere Abgasturbolader, mit einer Lageranordnung (9) sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Um eine wesentliche Minimierung von unerwünschten Schwingungen einer Welle (6) eines Lader-Rotors durch eine optimale Kombination einer großen Lagersteifigkeit und einer großen Lagerdämpfung zu erreichen, ist in einem Gehäuse (10) des Laders ein nicht rotationssymmetrisches Wellenlager (11) entsprechend einem zwischen dem Wellenlager (11) und dem Gehäuse (10) eingeschlossenen Spalt (12) drehfest und eingeschränkt radial beweglich angeordnet. Außerdem ist das die Welle (6) rotationsbeweglich aufnehmende Wellenlager (11) in Bezug auf die Welle (6) als ein mit drei übereinstimmenden Flächen (14a, 14b, 14c) ausgestattetes Mehrflächenlager (14) ausgeführt.

Description

Die Erfindung betrifft einen für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges bestimmten Lader, insbesondere Abgasturbolader, mit einer Lageranordnung umfassend ein stationäres Gehäuse und ein relativ zu dem Gehäuse beweglich angeordnetes Wellenlager, welches seinerseits eine Welle des Laders rotationsbeweglich aufnimmt. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Lageranordnung.
Bei Anwendungen zur Lagerung mit hoher Drehzahl rotierender Wellen, wie zum Beispiel bei einem Abgasturbolader, erfolgt der Einsatz des Wellenlagers üblicherweise in einer schwimmenden Anordnung als eine zwischen der Welle und dem Lagergehäuse mitdrehende Lagerbuchse.
Ein Schmiermittel erzeugt im Betrieb des Abgasturboladers einen hydrodynamischen Film an den Grenzflächen zwischen dem Wellenlager und der Welle einerseits und zwischen dem Wellenlager und dem Gehäuse andererseits. Hieraus resultiert die gewünschte Dämpfung der rotierenden Welle.
Aufgrund des geringeren radialen Spaltmaßes zwischen dem Wellenlager und der Welle und zwischen dem Wellenlager und dem Gehäuse führen die viskosen Widerstands- bzw. Verzögerungskräfte zu einem Drehimpuls des schwimmenden Wellenlagers, welches so seinerseits in eine Rotation versetzt wird.
Während ein gewisser Drehzahlbereich für das schwimmende Wellenlager erforderlich ist, um einem erhöhten Verschleiß an den Grenzflächen zwischen dem Wellenlager und der Welle und zwischen dem Wellenlager und dem Gehäuse vorzubeugen, nähert sich die Drehzahl des Wellenlagers bei sehr hohen Drehzahlen derjenigen der Weile in unerwünschter Weise an. Bei solchen hohen Drehzahlen des schwimmenden Wellenlagers ist jedoch die Gefahr, dass gefährliche selbsterregte Schwingungen entstehen, nicht zuverlässig auszuschließen. Diese werden durch einen Wirbel in dem Schmierfilm hervorgerufen und sind in der Praxis unter den Begriffen Halbfrequenzwirbel, oil-whirl und oil-whip bekannt. Durch die damit einhergehende verminderte Dämpfung und Steifigkeit der Wellenbewegung kann es letztlich zu einem erhöhten Verschleiß bzw. Abrieb an der Grenzfläche zwischen dem Wellenlager und der Welle kommen.
Um diesem Problem entgegenzuwirken weist ein Dreh- bzw. Wellenlager zur Verwendung bei einem Turbolader gemäß der DE 195 39 678 A1 eine freischwimmende Buchse auf, die drehbar zwischen einer Welle und einem Gehäuse angeordnet ist. In einem Ausführungsbeispiel ist ein einzelner Ölspeisedurchlass in dem Gehäuse und eine Anzahl von radial angeordneten Ölübertragungsdurchlässen in der frei schwimmenden Buchse vorgesehen. Der Winkel des Gehäusedurchlasses relativ zu den Buchsendurchlässen ist so gewählt, dass das zwischen den Durchlässen strömende Öl einen Drehimpuls bzw. ein Drehmoment an das Lager bzw. die Buchse entgegengesetzt zu der Wellendrehung überträgt bzw. erzeugt, um die Drehgeschwindigkeit des Lagers bzw. der Buchse zu verlangsamen. Alternativ kann der Gehäusedurchlass radial angeordnet sein und die Buchsendurchlässe können unter einem Winkel relativ zu dem Gehäusedurchlass geneigt sein, um ähnlich einen Drehimpuls auf das schwimmende Lager bzw. Buchse in einer Richtung entgegengesetzt zu der Drehrichtung der Welle zu übertragen, oder sowohl der Gehäusedurchlass als auch die Buchsendurchlässe können geneigt sein, und zwar relativ zueinander, um einen Drehimpuls bzw. ein Drehmoment an die Buchse in einer Richtung entgegengesetzt zu der Drehrichtung der Welle zu übertragen bzw. zu erzeugen.
Auf diese Weise kann also die Drehgeschwindigkeit der Buchse verringert werden, während die Dämpfung und die Steifigkeit der Wellenbewegung aufrechterhalten wird, und zwar ohne den Verschleiß an den Grenzflächen zwischen dem Wellenlager und der Welle und zwischen dem Wellenlager und dem Gehäuse zu erhöhen.
Zur Vermeidung der oil-whirl und oil-whip- Effekte und damit zur Reduzierung unerwünschter Schwingungen und Geräuschentwicklungen bei einem Turbolader schlägt die JP 2002213450 A vor, an der Außenfläche des Wellenlagers eine sich in Achsrichtung erstreckende nutenförmige Ausnehmung und zusätzlich Durchbrechungen zwischen der Außenfläche und der Innenfläche des Wellenlagers vorzusehen. Auf diese Weise soll der Schmierfilm stabilisiert werden.
Als nachteilig erweist sich bei den vorstehend beschriebenen Maßnahmen der vergleichsweise hohe Aufwand für die Bearbeitung der Bauelemente der Lageranordnung, insbesondere des Wellenlagers.
Aus dem Stand der Technik sind außerdem auch so genannte Mehrflächen-Radiallager bekannt, deren charakteristisches Merkmal die von üblichen zylindrischen Gleitlagern abweichende, unrunde Form der Lagerbohrung darstellt. Diese Lagerbohrung besteht aus zwei oder mehr Gleitflächen, insbesondere Kreisbögen. Der Radius der Grundflächen ist um einen bestimmten Betrag größer als derjenige der Welle. Durch diese Radiendifferenz entsteht in jedem Kreisbogen ein Keilspalt, der jeweils mit seiner größten Weite an einer axial eingearbeiteten Schmiernut beginnt und dessen engste Stelle meist in der Mitte der Gleitfläche liegt. Bei einsetzender Drehbewegung der Welle wird das Schmiermittel infolge seiner Haftwirkung in den in Drehrichtung verengten Schmierspalt gezogen. Zwischen Welle und Lager-innenschale baut sich ein Druckberg auf, sodass die Welle von der Lagerschale abhebt und die Welle im Bereich der hydrodynamischen Schmierung läuft.
Ein solches in einem Getriebe einsetzbares Mehrflächen-Radiallager beschreibt auch bereits die DE 101 42 303 A1 , welches zum Lagern einer Welle des Getriebes bestimmt ist. Das Lager hat eine im Wesentlichen elliptische innere Umfangsfläche, an der weiterhin wenigstens zwei schmierende Harzelemente vorgesehen sind, die sich in Axialrichtung erstrecken.
Eine elliptische Formgebung der Kontaktfläche zwischen einem inneren Stator und einer inneren Oberfläche eines Rotors zur Anwendung bei Gas- oder Dampfturbinen wird gemäß der EP 15 41 807 A2 dadurch erreicht, dass auf die innere Oberfläche eine Sprühschicht aufgebracht wird, deren Dicke über den Umfang variiert und damit zu dem erwünschten uneinheitlichen Spaltmaß führt.
Die DE 195 19 798 A1 offenbart ferner ein Verfahren zur Herstellung geteilter Lager, die beispielsweise als Träger für Maschinenkurbelwellen, für Endbereiche von Pleuelstangen und ähnlichem benutzt werden. Dabei wird ein Lagerring in Spannbacken eingespannt, um auf die Außenfläche Druck auszuüben. Dabei wird im gleichen Ausmaß dimensionsgerecht und elastisch eine Verformung in eine ellipsoide Form erzielt. In diesem Zustand wird die Lauffläche des Lagerrings in Form eines echten Kreises geschliffen. Nach dem Schleifen wird die Druckkraft auf die Spannbacken entfernt, woraufhin sich der Lagerring im Ausmaß der entsprechenden elastischen Verformung zurückstellt, wodurch die Lauffläche des Lagerrings eine ellipsoide Form einnimmt.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen für eine Brennkraftmaschine bestimmten Lader der eingangs genannten Art derart auszuführen, dass unerwünschte Schwingungen vermieden werden. Insbesondere soll die Drehzahl des Wellenlagers auch bei hohen Drehzahlen wesentlich geringer sein als die Drehzahl der Welle. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren zur Herstellung einer solchen Lageranordnung zu schaffen.
Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst mit einem Lader gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche 2 bis 8 betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen des Laders.
Erfindungsgemäß ist also ein Lader mit einer Lageranordnung vorgesehen, bei der das Wellenlager in Bezug auf die Welle als ein Mehrflächenlager ausgeführt ist. Durch die Kombination des mitdrehenden Wellenlagers mit einem äußeren Dämpfungsspalt zwischen dem Wellenlager und dem Gehäuse und dem Mehrflächenlager zwischen dem Wellenlager und der Welle wird in überraschend einfacher Weise eine wesentliche Minimierung von unerwünschten selbsterregten Schwingungen des Lader-Rotors durch eine optimale Kombination einer großen Lagersteifigkeit und einer großen Lagerdämpfung erreicht. Die Umlaufdrehzahl des Wellenlagers stellt sich im Betrieb automatisch als Funktion der Viskosität des Schmiermittels in den Spalten zwischen dem Wellenlager und der Welle und zwischen dem Wellenlager und dem Gehäuse selbsttätig ein. Bei einer relativ niedrigen Wellendrehzahl rotiert das Wellenlager mit bis zu 50% der Wellendrehzahl. Bei hohen Wellendrehzahlen bis zu 100.000 U/min sinkt dieses Verhältnis deutlich unter 50%. Das Wellenlager erreicht hingegen in keinem Betriebszustand die Wellendrehzahl. Vorteilhaft wirkt sich bei niedrigen Temperaturen, beispielsweise bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine die gegenüber der Betriebstemperatur erhöhte Drehzahl des Wellenlagers in Folge der temperaturabhängigen Viskosität des Schmiermittels aus. Damit werden zugleich Geräuschbelästigungen und die Ausfallgefahr durch mechanische Schwingungen des die Welle aufweisenden Rotors wesentlich vermindert.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird auch dadurch erreicht, dass das Wellenlager in Bezug auf das Gehäuse konzentrisch ausgeführt ist. Hierdurch wird ein einfacher Weise eine freie Drehbeweglichkeit des konzentrisch zu der Gehäuseinnenfläche ausgeführten Außenfläche des Wellenlagers erreicht. Das Drehzahlverhältnis des Wellenlagers gegenüber der Welle stellt sich somit in Abhängigkeit der viskosen Eigenschaften des Schmiermittels ein, wobei selbstverständlich eine entsprechende Oberflächenbeschaffenheit des Wellenlagers oder der Innenfläche des Gehäuses die selbsttätige Einstellung der Drehzahl begünstigen kann.
Eine andere, ebenfalls besonders vorteilhafte Ausführungsform wird auch dadurch erreicht, dass das Wellenlager eingeschränkt radial und schwenkbeweglich gegenüber dem Gehäuse ausgeführt ist. Hierzu wird das Wellenlager mittels einer Spielpassung in das Lagergehäuse eingesetzt und gegen Verdrehen beispielsweise mittels eines gegen einen Vorsprung anlegbaren Anschlages oder eine unrunden Formgebung des Wellenlagers und des Gehäuses gesichert, so dass eine freie Rotationsbeweglichkeit des Wellenlagers ausgeschlossen ist, wohingegen eine radiale Beweglichkeit entsprechend der Abmessung des Spaltes zwischen dem Wellenlager und dem Gehäuse gegeben ist. Durch diese konstruktive Maßnahme werden die Vorteile der konventionellen Lagerung des schwimmenden Wellenlagers mit denen der Mehrflächenlager durch eine große Lagersteifigkeit und zugleich große Dämpfung in optimaler Weise vereint.
Besonders zweckmäßig ist dabei auch eine Weiterbildung, bei der das Wellenlager ausschließlich radial gegenüber dem Gehäuse beweglich ausgeführt ist, um so die Beweglichkeit des Wellenlagers auf einen einzigen Freiheitsgrad zu beschränken. Das Wellenlager kann zu diesem Zweck beispielsweise eine am äußeren Umfang in Achsrichtung verlaufende Keilnut oder einen Vorsprung aufweisen.
Eine andere, besonders einfache Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird dadurch erreicht, dass das Wellenlager zur Begrenzung der Drehbeweglichkeit zumindest eine am äußeren Umfang umlaufende Nut aufweist, in welche ein das Wellenlager mit dem Gehäuse verbindendes Sperrmittel eingreift, so dass die im Wesentlichen drehfeste Anordnung des Wellenlagers in dem Gehäuse mit einem vergleichsweise geringen Aufwand erreicht werden kann.
Das Mehrflächenlager könnte sich über die gesamte axiale Erstreckung der Lageranordnung erstrecken. Besonders zweckmäßig ist hingegen eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laders, bei der das Wellenlager als ein Hohlkörper mit zwei an einander gegenüberliegenden Endabschnitten radial nach innen vorspringenden Mehrflächenlager ausgeführt ist, so dass der Herstellungs- und Bearbeitungsaufwand durch die Beschränkung auf zwei einzelne Bereiche vermindert wird.
Grundsätzlich ist zum Einsatz als Mehrflächenlager jede unrunde, also von der Kreisform abweichende Beschaffenheit der Innenfläche des Wellenlagers denkbar. Eine besonders Erfolg versprechende Weiterbildung wird hingegen dann erreicht, wenn das Mehrflächenlager 2-flächig oder 3-flächig ausgeführt ist, wobei die jeweiligen Flächenmitten über den Umfang der Innenfläche gleichverteilt angeordnet sind. Dabei ist in Richtung der Lagerachse ein spiralförmiger Verlauf der einzelnen Flächen ebenso denkbar wie nutenförmige Ausnehmungen an der Innenfläche zur Realisierung des Mehrflächenlagers.
Weiterhin erweist es sich als besonders praxisnah, wenn das Wellenlager eine radiale Durchbrechung für eine Schmiermittelzufuhr aufweist, um so in einfacher Weise durch einen veränderlichen Schmiermitteldruck die viskosen Eigenschaften des Schmiermittels entsprechend der jeweiligen Betriebsbedingungen des Laders gezielt einstellen zu können.
Die zweitgenannte Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Lageranordnung zu schaffen, wird erfindungsgemäß dadurch realisiert, dass das Wellenlager durch zumindest eine vorübergehende Verformungskraft mit radialer Wirkrichtung in Bezug auf das Wellenlager elastisch verformt wird und eine Bohrung in das verformte Wellenlager eingebracht wird. Hierdurch wird in einfacher Weise eine unrunde und zugleich symmetrische Formgebung der inneren Durchbrechung des Wellenlagers mittels der Bohrung im elastisch verformten Zustand erreicht, wobei der Krümmungsradius der einzelnen Lagerflächen des Mehrflächenlagers durch den Grad der elastischen Verformung bestimmt werden kann.
Dabei ist es auch besonders vorteilhaft, wenn die Verformungskraft durch drei in radialen Richtungen, am Umfang gleich verteilt wirkende Kräfte aufgebracht wird, um so in einfacher Weise ein 3-flächiges Mehrflächenlager herzustellen.
Dabei ist es selbstverständlich ebenso realisierbar, dass die Verformungskräfte am Umfang des Wellenlagers in Richtung der Längsachse in unterschiedlichen Positionen angreifen, um so beispielsweise einen spiralförmigen Verlauf der Verformungskraft und damit eine homogene Krafteinleitung zu ermöglichen.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
1 eine Schnittdarstellung einer Lageranordnung eines erfindungsgemäßen Laders;
2 eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform einer Lageranordnung;
3 eine Prinzipdarstellung der Verfahrensschritte zur Herstellung einer Lageranordnung.
1 zeigt ausschnittsweise einen für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges bestimmten, als Abgasturbolader ausgeführten Lader 1 mit einer Lageranordnung 2. Die Lageranordnung 2 hat ein stationäres Gehäuse 3 und zwei übereinstimmende, relativ zu dem Gehäuse beweglich angeordnete, durch einen Distanzring 4 verbundene Wellenlager 5. Jedes Wellenlager 5 nimmt seinerseits eine Welle 6 des Laders 1 rotationsbeweglich in einer Durchbrechung auf. Das Gehäuse 3 ist mit einer Schmiermittelzufuhr 7 ausgestattet, durch welche einer jeweiligen radialen Durchbrechung 8 des Wellenlagers 5 der Lageranordnung 2 ein Schmiermittel zugeführt wird, um so durch die Auswahl der geeigneten Druckverhältnisse zugleich die gewünschte viskose Eigenschaft des Schmiermittels einstellen zu können.
Demgegenüber ist in 2 eine abgewandelte Ausführungsform einer Lageranordnung 9 in einer längs geschnittenen Ansicht sowie in einer Seitenansicht dargestellt. in ein lediglich andeutungsweise dargestelltes Gehäuse 10 ist dabei ein nicht rotationssymmetrisches Wellenlager 11 entsprechend einem zwischen dem Wellenlager 11 und dem Gehäuse 10 eingeschlossenen Spalt 12 drehfest und zugleich eingeschränkt radial beweglich angeordnet. Hierzu weist das Wellenlager 11 zur Begrenzung der Drehbeweglichkeit zumindest eine am äußeren Umfang umlaufende Nut 13 auf, in welche ein das Wellenlager 11 mit dem Gehäuse 10 verbindendes, nicht gezeigtes Sperrmittel eingreift. Das Wellenlager 11 nimmt seinerseits die Welle 6 rotationsbeweglich auf, wobei das Wellenlager 11 in Bezug auf die Welle 6 als ein mit drei übereinstimmenden Lagerflächen 14a, 14b, 14c ausgestattetes Mehrflächenlager 14 ausgeführt ist.
Die einzelnen Verfahrensschritte zur Herstellung eines Mehrflächenlagers 15 für eine Lageranordnung eines Laders ist in 3 anhand von vier Bearbeitungsschritten am Beispiel eines 2-flächigen Mehrflächenlagers 15 gezeigt. Ausgehend von dem Wellenlager 11 mit einer konzentrischen Bohrung 16 wird in einem ersten Bearbeitungsschritt eine betragsmäßig übereinstimmende Verformungskraft F mit gegenüberliegenden Wirkrichtungen auf das Wellenlager 11 aufgebracht und dieses dadurch elastisch verformt. Die nunmehr ebenfalls elliptisch verformte Bohrung 16 wird anschließend derart insbesondere durch Aufbohren nachbearbeitet, dass die Bohrung 16 eine Kreisform erhält. Im letzten Schritt ergibt sich daraus im unbelasteten Zustand des Wellenlagers 11 eine elliptische Geometrie der Bohrung 16 mit zwei übereinstimmenden Lagerflächen 15a, 15b, während eine Außenfläche 17 des Wellenlagers 11 die ursprüngliche, kreisförmige Querschnittsform einnimmt.

Claims

Ein für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges bestimmter Lader (1), insbesondere Abgasturbolader, mit einer Lageranordnung (2, 9) umfassend ein stationäres Gehäuse (3, 10) und ein relativ zu dem Gehäuse (3, 10) beweglich angeordnetes Wellenlager (5, 11), welches seinerseits eine Welle (6) des Laders (1) rotationsbeweglich aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenlager (5, 11) in Bezug auf die Welle (6) als ein Mehrflächenlager (14, 15) ausgeführt ist.
Lader (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenlager (5) in Bezug auf das Gehäuse (3) konzentrisch ausgeführt ist.
Lader (1) nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenlager (11) eingeschränkt radial und schwenkbeweglich gegenüber dem Gehäuse (10) ausgeführt ist.
Lader (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenlager (11) ausschließlich radial gegenüber dem Gehäuse (10) beweglich ausgeführt ist.
Lader (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenlager (11) zur Begrenzung der Drehbeweglichkeit zumindest eine am äußeren Umfang umlaufende Nut (13) aufweist, in welche ein das Wellenlager (11) mit dem Gehäuse (10) verbindendes Sperrmittel eingreift.
Lader (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenlager (5, 11) als ein Hohlkörper mit zwei an zueinander gegenüberliegenden Endabschnitten radial nach innen vorspringenden Mehrflächenlagern (14, 15) ausgeführt ist.
Lader (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mehrflächenlager (14, 15) 2-flächig oder 3-flächig ausgeführt ist.
Lader (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenlager (5) eine radiale Durchbrechung (8) für eine Schmiermittelzufuhr (7) aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer für einen Lader nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche bestimmten Lageranordnung mit einem ein Mehrflächenlager aufweisenden Wellenlager, bei dem das Wellenlager durch zumindest eine vorübergehende Verformungskraft mit radialer Wirkrichtung in Bezug auf das Wellenlager elastisch verformt wird und eine Bohrung in das verformte Wellenlager eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verformungskraft durch drei in radialen Richtungen, am Umfang gleich verteilt wirkende Kräfte aufgebracht wird.