DE102009059660A1

DE102009059660A1 - Welle

Info

Publication number: DE102009059660A1
Application number: DE102009059660A
Authority: DE
Inventors: Christoph 71229 Butscher; Jörg 67278 Jennes; Jan Patrick 76131 Häntsche; Volkhard 72124 Ammon
Original assignee: Bosch Mahle Turbo Systems GmbH and Co KG
Current assignee: BMTS Technology GmbH and Co KG
Priority date: 2009-12-19
Filing date: 2009-12-19
Publication date: 2011-06-22

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Welle (1), insbesondere einen Rotor in einem Abgasturbolader, mit einem zumindest einem Lagerbereich (2). Erfindungswesentlich ist dabei – dass die Welle (1) zumindest bereichsweise im Lagerbereich (2) mit einer die Reibung und den Verschleiß reduzierenden DLC-Schicht (4) versehen ist, und/oder – dass die Welle (1) im Lagerbereich (2) wenigstens eine Ausbauchung (8) aufweist, insbesondere konvex ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Welle, insbesondere einen Rotor in einem Abgasturbolader, mit zumindest einem Lagerbereich gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine Lageranordnung zur Lagerung einer derartigen Welle.
In modernen Abgasturboladern werden Rotor bzw. Läufer aufgrund technischer Anforderungen (hohe Drehzahl und kleine Auslenkungen), üblicherweise mittels Gleitlagern gelagert. Dabei haben sich vor allem zwei Varianten der Gleitlagerung durchgesetzt. Zum Einen eine stehende Buchse bei einer sich drehenden Welle und zum Anderen eine Schwimmbuchsenlagerung, das heißt eine sich mit der Welle mitdrehenden Buchse. Beide Konzepte haben dabei den Nachteil, dass sie im Bereich der Gleitflächen von Welle und Buchse verschleißbehaftet sind.
Dieses Phänomen tritt vor allem im Bereich der Festkörper- und Mischschreibung auf, wenn aufgrund kleiner Drehzahlen und großer Lasten ein Schmierspalt nicht ausreichend groß ist. Dies kann zwar durch eine geeignete Auslegung vermieden werden, bei einem Start jedoch können das Durchfahren der Mischschreibung und somit der Verschleiß nicht gänzlich verhindert werden. Der Verschleiß ist somit auch abhängig von der Anzahl der Lastzyklen (Anzahl der Motorstarts), wobei dieser Aspekt durch die moderne Start-Stopp-Strategie zur Erfüllung neuer Abgasnormen eine immer wichtigere Bedeutung bekommt.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Welle der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine höhere Lebensdauer auszeichnet.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine Welle, insbesondere einen Rotor in einem Abgasturbolader, in einem Lagerbereich zumindest teilweise mit einer die Reibung und den Verschleiß reduzierenden DLC-Schicht (Diamond like carbon) zu versehen und dadurch die Lebensdauer deutlich zu erhöhen. Eine derartige DLC-Schicht ist dabei vergleichsweise hart (1.000 bis 2.000 HV) und besitzt äußerst gute Reibungseigenschaften, das heißt einen geringen Reibungskoeffizienten, insbesondere gegenüber Stahl (ungeschmiert ca. 0,2), wobei die Eigenschaften der DLC-Schicht durch Abscheideparameter in zumindest gewissen Grenzen variiert werden können. Die Schicht ist weniger spröde als andere Haftstoffschichten und kann polymerartige Eigenschaften aufweisen. Darüber hinaus ist eine derartige DLC-Schicht resistent gegenüber vielen Chemikalien und physiologisch unbedenklich. Von entscheidendem Vorteil ist jedoch die reibungs- und damit verschleißreduzierende Wirkung der DLC-Schicht, so dass es selbst bei einer Mangelschmierung im Lager nicht zu einem übermäßigen Verschleiß und dadurch zu einem frühzeitigen Ausfall der Welle kommt. Eine derartige DLC-Schicht kann prozesstechnisch einfach und kostengünstig hergestellt werden, wobei die mit der Beschichtung erzielte Wirkung die Kosten des Beschichtungsverfahrens bei weitem überwiegt. Verschleißbeständige, das heißt beispielsweise gehärtete, Wellen sind im Nutzfahrzeugbereich bereits bekannt, wobei im PKW-Bereich normalerweise keine zusätzlichen Maßnahmen gegen den Verschleiß ergriffen werden. Neue Trends, wie beispielsweise Start-Stopp-Strategien, verschärfen jedoch die Anforderungen, wobei das Härten der Welle Vorteile bezüglich der Verschleißbeständigkeit bringt. Da sich jedoch beim Härten die Oberflächentopographie nicht entscheidend ändert, sind keine positiven Effekte auf eine hydrodynamische Auslegung von Radiallagern zu erwarten. Durch die Einführung der erfindungsgemäßen DLC beschichteten Welle können jedoch sowohl die Verschleißbeständigkeit als auch die Rotordynamik verbessert werden.
Zusätzlich oder alternativ ist denkbar, dass die Welle im Lagerbereich eine Ausbauchung aufweist, insbesondere dort konvex ausgebildet ist. Damit können gezielt Kantenberührungen zwischen einer Radiallagerbuchse und der Welle reduziert werden, insbesondere im Hinblick auf rotordynamische Auslenkungen. Angeregt durch die Rotordrehzahl wird der Rotor entsprechend den Moden (Biege- und Starrkörperverschiebungen) ausgelenkt, wobei es zu Relativverschiebungen zwischen dem Radiallager und der Welle kommen kann. Mit der erfindungsgemäßen Ausbauchung wird eine kardanische Verbindung geschaffen, die ein kontinuierliches Arbeiten unter Berücksichtigung der rotordynamischen Auslenkungen erlaubt. Kantenträger und die damit sprungartige Änderungen von Randbedingungen (Wechsel von Fläche zu Kante und umgekehrt) können dadurch effektiv vermieden werden. Die Ausbauchung im Lagerbereich der Welle kann dabei entweder durch eine obengenannte DLC-Schicht erreicht werden, oder aber durch ein Schleifen derselben, wobei ein Scheitelpunkt der Ausbauchung nicht zwangsläufig in der Mitte des Radiallagers liegen muss. Alternativ hierzu ist selbstverständlich auch vorstellbar, dass eine zur Welle passende Lagerbuchse entsprechend gefertigt, insbesondere mit einer nach innen gerichteten Ausbuchtung, das heißt konvex, ausgebildet ist. Da die Lagerbuchsen jedoch üblicherweise gehont oder gerieben werden, ist eine prozesssichere Herstellung der Kontur an der Lagerbuchse um einiges schwieriger als das Herstellen der Ausbauchung an der Welle.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Dabei zeigen, jeweils schematisch,
1a eine erfindungsgemäße Welle mit einer die Reibung und den Verschleiß reduzierenden DLC-Schicht,
1b eine Welle wie in 1a, jedoch mit einem lediglich bereichsweise mit einer DLC-Schicht versehenen Lagerbereich,
2a eine erfindungsgemäße Welle mit einer Ausbauchung in einem Lagerbereich,
2b eine Detaildarstellung von möglichen Ausbauchungen im Lagerbereich der Welle.
Entsprechend den 1a und 1b, weist eine erfindungsgemäße Welle 1, welche beispielsweise als Rotor eines Abgasturboladers ausgebildet ist, einen Lagerbereich 2 auf, über welchen die Welle 1 in einem nicht näher beschriebenen Lager, beispielsweise in einer Lagerbuchse 3 wie sie in 2b gezeigt ist, gelagert ist. Erfindungsgemäß ist nun die Welle 1 zumindest bereichsweise in ihrem Lagerbereich 2 mit einer die Reibung und den Verschleiß reduzierenden DLC-Schicht 4 versehen. Diese DLC-Schicht 4 kann beispielsweise mittels PVD (Physical Vapour Deposition) oder mittels PACVD-Verfahren (Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition) hergestellt sein. Eine derartige DLC-Schicht 4 weist üblicherweise eine Härte von ca. 1.000 bis 2.000 HV auf. Wie in 1a und 1b dargestellt ist, kann die DLC-Schicht 4 beispielsweise vollflächig oder aber in Art von Längsstreifen 5 (vgl. 1b), Umfangsringen 6 (vgl. 1a) oder Schraubenlinien 7 (vgl. 1a) im Lagerbereich 2 aufgebracht sein.
Zusätzlich oder alternativ zur DLC-Schicht 4 kann die Welle 1 im Lagerbereich 2, wie dies gemäß den 2a und 2b dargestellt ist, zumindest eines Ausbauchung 8 aufweisen, insbesondere dort konvex ausgebildet sein. Eine derartige Ausbauchung 8 kann ebenfalls durch die DLC-Schicht 4 gebildet sein, oder aber durch ein entsprechendes Schleifen der Welle 1 hergestellt werden. Die Ausbauchung 8 beträgt dabei ca. 2 bis 10 μm. Selbstverständlich ist dabei auch denkbar, dass im Lagerbereich 2 nicht nur eine Ausbauchung 8 (vgl. oberen Teil der 2a), sondern auch mehrere Ausbauchungen 8 (vgl. unteren Teil der 2a) vorgesehen sind. Die Ausbauchung 8 muss dabei mit ihrem Scheitelpunkt nicht unbedingt innerhalb der Lagerbuchse 3 liegen, wie dies beispielsweise auf der unteren Seite der 2b dargestellt ist. Selbstverständlich kann alternativ zur Ausbauchung 8 an der Welle 1 auch die Lagerbuchse 3 eine derartige nicht dargestellte Ausbauchung aufweist, insbesondere konkav ausgebildet sein, wobei diese Ausbauchung ebenfalls entweder durch ein entsprechendes Schleifen oder aber durch eine entsprechend geformte DLC-Schicht 4 gebildet werden kann.
Der große Vorteil der DLC-Schicht 4 liegt darin, eine intermetallische Trennschicht der beiden Reibpartner zu bilden, wobei die Dicke der DLC-Schicht 4 beim Herstellen der Welle 1 vorgehalten werden kann, so dass ein Lagerspiel zwischen Welle 1 und Lagerbuchse 3 nicht negativ beeinflusst wird.

Claims

Welle (1), insbesondere ein Rotor in einem Abgasturbolader, mit zumindest einem Lagerbereich (2), dadurch gekennzeichnet, – dass die Welle (1) zumindest bereichsweise im Lagerbereich (2) mit einer die Reibung und den Verschleiß reduzierenden DLC-Schicht (4) versehen ist, und/oder – dass die Welle (1) im Lagerbereich (2) wenigstens eine Ausbauchung (8) aufweist, die insbesondere konvex ausgebildet ist.
Welle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die DLC-Schicht (4) mittels PVD-Verfahren (Physical Vapour Deposition) oder mittels PACVD-Verfahren (Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition) hergestellt ist.
Welle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die DLC-Schicht (4) eine Härte von 1.000 bis 2.000 HV aufweist.
Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die DLC-Schicht (4) in der Art von Längsstreifen (5), Umfangsringen (6) oder Schraubenlinien (7) im Lagerbereich (2) aufgebracht ist.
Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbauchung (8) durch die DLC-Schicht (4) gebildet ist.
Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbauchung (8) durch ein entsprechendes Schleifen der Welle (1) hergestellt ist.
Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbauchung (8) 2 bis 10 μm beträgt.
Lageranordnung zur Lagerung einer Welle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit zumindest einer Lagerbuchse (3), wobei – die Lagerbuchse (3) zumindest bereichsweise mit einer die Reibung und den Verschleiß reduzierenden DLC-Schicht (4) versehen ist, und/oder – die Lagerbuchse (3) tailliert, insbesondere konkav ausgebildet ist.