DE102011009564A1

DE102011009564A1 - Lagereinheit für Turbolader-Spindel-Einheiten

Info

Publication number: DE102011009564A1
Application number: DE102011009564A
Authority: DE
Inventors: Martin Engler; Dennis Müller
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2011-01-27
Filing date: 2011-01-27
Publication date: 2012-08-02
Anticipated expiration: 2031-01-28
Also published as: DE102011009564B4

Abstract

Die Lagereinheit für eine Welle eines Turboladers umfasst mindestens einen Außenring, mindestens einen Innenring und mindestens zwei zwischen Außenring und Innenring geführte Lagerreihen. Es ist mindestens ein Kanal zum Einspritzen von Schmiermittel in einen Zwischenraum zwischen dem Außenring und dem Innenring vorgesehen. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass innerhalb des Zwischenraums am Innenring und/oder dem Außenring Einrichtungen angeordnet sind, die unter Ausnutzung der Fliehkraft das Schmiermittel von im Schmiermittel befindlichen Schmutzpartikeln trennen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Lagereinheit für Turbolader-Spindel-Einheiten, im folgenden auch als TLSE bezeichnet, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Abgasturbolader werden mit sehr hohen Drehzahlen bei hohen Temperaturen betrieben. Auf einer gemeinsamen Welle sind eine Turbine und ein Verdichter angeordnet. Diese Betriebsbedingungen stellen hohe Anforderungen an die Genauigkeit und Verschleißfestigkeit der Lagereinheit der Lagerung der Welle. Typische TLSE sind beispielsweise in DE 20 2004 017 194 U1 und DE 38 25 326 A1 offenbart. Die Lagereinheit ist als Wälzlager ausgebildet. Das Wälzlager umfasst beispielsweise einen Außenring mit zwei Lagerreihen und zwei Innenringe mit je einer Lagerreihe. Die Abstände der Laufbahnen zwischen dem Außenring und dem Innenring besitzen eine genau festgelegte Differenz, um eine Anstellungstendenz zu erzeugen; bevorzugt wird eine O-Anordnung verwendet.
Aufgrund der hohen Temperaturen und Drehzahlen muss die TLSE permanent mit Schmiermittel versorgt werden. Das Schmiermittel, typischerweise Öl, wird der TLSE durch zwei Bohrungen im Außenring zugeführt. Diese beiden Bohrungen sind zu den Lagerreihen hin geneigt, um eine gute Versorgung der Lagerreihen mit Schmiermittel zu gewährleisten. Da der Turbolader in Verbrennungsmotoren zum Einsatz kommt wird die TLSE vorteilhaft in den Schmierkreislauf des Verbrennungsmotors einbezogen. Als Schmiermittel für die TLSE wird somit das Motorenöl des Verbrennungsmotors verwendet. Neben der Schmierung übernimmt das Motorenöl auch eine Kühlfunktion.
Die Qualität des Motorenöls in einem Verbrennungsmotor nimmt im Betrieb stark ab. Da das Öl auch für die Schmierung der TLSE verwendet wird, können vor allem Verschmutzungen durch Abrieb und Verbrennungsrückstände die sichere Funktion der TLSE beeinträchtigen. Im Betrieb der TLSE wirken sehr hohe Kräfte, Temperaturen und Drehzahlen, die die TLSE stark beanspruchen. Zur Sicherstellung der geforderten Lebensdauer der TLSE ist eine gute Schmiermittelversorgung mit guter Schmiermittelqualität vorteilhaft. Übliche Filter zur Reinigung des Motorenöls, die vor dem Eintritt des Motoröls in die TLSE angeordnet werden, setzen sich sehr schnell zu und drosseln den Schmiermittelkreislauf. Solche vorgeschalteten Filter haben sich deshalb nicht bewährt.
Eine häufige Ausfallursache für kugelgelagerte TLSE ist das Versagen des Kugellager-Käfigs. Der Käfig wird typischerweise am Innenbord oder Außenbord geführt und hat die Aufgabe die Wälzkörper, hier Kugeln, auf Distanz zueinander zu halten, um eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Kugel am Umfang zu erreichen. Dabei verschleißen typischerweise die Kugeltaschen in Umfangsrichtung sowie die jeweilige Führungsfläche am Innen- oder Aussenring. Große Kräfte und hohe Relativgeschwindigkeiten erhöhen dabei die Neigung zum Verschleiß. Die größten Kräfte und Relativgeschwindigkeiten treten insbesondere in den Beschleunigungsphasen auf. Bedingt durch die Schaufelräder (Turbinenrad und Verdichterrad) ist beim Turbolader die Drehrichtung vorgegeben – der Turbolader dreht nur in eine Richtung. Die Kräfte auf den Käfig, die u. a. durch die Massenträgheit des Käfigs und die Reibungskräfte in den Kontaktstellen mit benachbarten Bauteilen, sowie aus der Flüssigkeitsreibung des Schmiermittels hervorgerufen werden, müssen überwunden werden. Dazu muss dem Käfig Energie zugeführt werden. Die Energie-Zuführung erfolgt über die Kugeln und evtl. über den Innen- oder Aussenring (falls der Käfig über den rotierenden Ring geführt wird). Bei der Energiezufuhr über die Kugel kann der schädliche „Skidding-Effekt” verstärkt werden, wobei die Kugeln aufgrund von Gleitreibung anstatt Rollreibung. am Ring durchrutschen. Durch Reduktion bzw. Vermeidung des „Skidding-Effekts” kann der Verschleiß der Lagereinheit allgemein, insbesondere auch der Verschleiß am Käfig reduziert bzw. vermieden werden, um die Lebensdauer der gesamten Lagereinheit bzw. des gesamten Turboladers zu erhöhen.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, den Verschleiß bei einer Lagereinheit für Turbolader-Spindel-Einheiten deutlich zu reduzieren, und damit die Lebensdauer zu erhöhen sowie die Funktionssicherheit zu verbessern.
Die Aufgabe wird durch eine Lagereinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung und weitere vorteilhafte Merkmale sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Lagereinheit für eine Welle eines Turboladers umfasst mindestens einen Außenring, mindestens einen Innenring und mindestens zwei zwischen Außenring und Innenring geführte Lagerreihen. Es ist mindestens ein Kanal zum Einspitzen von Schmiermittel in einen Zwischenraum zwischen dem Außenring und dem Innenring vorgesehen.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass innerhalb des Zwischenraums und/oder am Innenring und/oder dem Außenring Einrichtungen angeordnet sind, die unter Ausnutzung der Fliehkraft das Schmiermittel von im Schmiermittel befindlichen Schmutzpartikeln trennen.
Erfindungsgemäß wird das unterschiedliche spezifische Gewicht der Schmutzpartikel im Vergleich zum reinen Motorenöl ausgenutzt. Nach dem Eintritt des Motorenöls in die TLSE trifft das Schmiermedium auf das rotierende Bauteil beispielsweise den Innenring, und wird dadurch in Rotation versetzt und schließlich in Richtung des nicht rotierenden Bauteils, beispielsweise dem Außenring, abgeschleudert. Die vorwiegend durch die Fliehkraft bestimmte Flugbahn der abgeschleuderten Schmutzpartikel unterscheidet sich von der Flugbahn des reinen Motorenöls aufgrund der unterschiedlichen spezifischen Gewichte und der unterschiedlichen Massenträgheit. Durch Einbringen von geeigneten Geometrien auf dem rotierenden Bauteil und/oder dem nicht rotierenden Bauteil, aber auch im Strömungskanal, können die Schmutzpartikel durch Ausnutzung der Fliehkraft ganz oder zumindest teilweise aus dem Motorenöl entfernt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung gelangt das Schmutzpartikel enthaltende Schmiermittel, beispielsweise Motoröl, durch gezielt orientierte Zuführkanäle auf den Außendurchmesser des rotierenden Innenrings. Die Kanäle verlaufen vorzugsweise in einem Winkel von etwa 60° bis 80° zur Wellenachse der Welle und münden in der Nähe einer zugeordneten Lagerreihe. Der Innenring besitzt in der Auftreffzone des Schmiermittels eine spezielle Geometrie in Form beispielsweise einer definierten Rille evtl. mit Abspritzkante. Durch das Auftreffen auf den rotierenden Innenring wird das Öl selbst in Rotation versetzt und schließlich abgeschleudert und trifft auf den Bord des feststehenden Außenrings. Durch Zentrifugalkräfte, die auf das Schmiermittel und die darin befindlichen Schmutzpartikel einwirken, werden die Schmutzpartikel durch deren höhere Massenträgheit in einem unterschiedlichen Winkel abgelenkt als das reine Schmiermittel und treffen in einem anderen Bereich auf den Außenring auf als das reine Schmiermittel. Durch eine geeignete Geometrie im Außenring, z. B. eine definierte Rille mit Trennkante, können die Schmutzpartikel vom Öl getrennt werden. Das von den Schmutzpartikeln zumindest teilweise befreite Schmiermittel kann dann direkt den Lagerreihen zugeleitet werden, während das mit Schmutzpartikel angereicherte Schmiermittel von den Lagerreihen weg geleitet wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird eine Vernebelung/Zerstäubung des Schmiermittels durchgeführt. Durch die Optimierung der Parameter der Ölzuführung, wie z. B. Volumenstrom, Druck, Richtung, Drehzahl des Bauteils, auf das der Strahl auftrifft, Einbringen einer Abspritzkante zur Vernebelung des Öls, wird eine Wirbelströmung des vernebelten Schmiermittels erzeugt, die den Schmiermittelnebel zu den Lagerreihen hin transportiert. Eine Vernebelung kann auch durch eine entsprechende Gestaltung der Ölzufuhrkanäle erreicht werden. Dabei wird zumindest ein Teil des zugeführten Schmiermittels vernebelt bzw. zerstäubt. Die Lagerreihen werden somit mit Ölnebel geschmiert. Durch Nebelbildung (Tröpfchen-Bildung) wird der Schmutz von dem „sauberen” Öl getrennt Der nicht vernebelte, schmutzbehaftete Teil des Öls gelangt nicht in die Lagerreihen, verlässt die TLSE durch die Ölauslaß-Bohrung, verbleibt aber im Schmiermittelkreislauf und steht zur Kühlung zur Verfügung.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann die Strömungsenergie des Schmieröls genutzt werden, um den Verschleiß insbesondere am Käfig zu reduzieren. Die zum Kugellager hin geneigten Ölzufuhrkanäle werden nicht nur in Bezug auf die Längsachse der Welle sondern zusätzlich in Unfangsrichtung des Außenrings geneigt und so positioniert, dass der Schmiermittelstrahl den Käfig direkt oder indirekt trifft und dabei den Käfig in dessen vorgesehener Drehrichtung antreibt.
Vorzugsweise soll der Schmiermittelstrom den Käfig in einem Gebiet treffen, das den Käfig gut antreibt, den Käfig nicht beeinträchtigt und dessen stabilen Lauf unterstützt. Vorzugsweise kann das die Käfigseite sein. Zur besseren Umwandlung der Strömungsenergie des Schmiermittels in kinetische Energie des Käfigs können entsprechende Konturen oder Prallflächen auf dem Käfig bzw. im Käfig angebracht bzw. eingebracht sein. Es können z. B. Schaufelräder auf der dem Schmiermittelstrom zugewandten Stirnfläche des Käfigs angeordnet werden. Alternativ zum direkten Auftreffen des Ölstrahls auf den Käfig kann der Ölstrahl zunächst auf das rotierende Bauteil (z. B. Innenring) treffen, und dann auf den Käfig auftreffen, also indirekt auftreffen. Hierbei zerstäubt das Schmiermittel und trifft in vielen kleinen Tröpfchen auf den Käfig auf, was schonender für den Käfig ist. Außerdem werden inkonstante Volumenströme des Öls gleichmäßiger. Durch das Auftreffen des Ölstrahls auf den Innenring (bzw. die Welle) wird ein Drehimpuls auf das Schmiermittel übertragen, das den Antrieb des Käfigs begünstigt.
Innenring geführte Käfige neigen dazu, sich auf der bezüglich der Schmiermitteleinbringung abgewandten Seite zu erhitzen und schnell zu verschleißen, weil zu wenig Schmiermittel die Gleitführung erreicht. Die Wärmeeinbringung mit Erwärmung der Lagerreihe auf ein sehr hohes Temperaturniveau ist für die Funktion und die Lebensdauer des Lagers ungünstig. Eine bessere Schmierung zur Reduzierung der Reibung und eine Reduktion der Temperatur der Lagerreihe sind daher vorteilhaft. Die Kühlung mittels des Motorenöls ist für die turbinenseitige Lagerreihe nur ungenügend wirksam.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, die Geometrie des Käfigs asymmetrisch auszubilden. Dadurch kann die Reibung an der Käfigführung wesentlich verringert werden. Durch die neuartige Käfiggeometrie wird unter Nutzung der Zentrifugalkräfte über eine Schräge das Schmiermittel komplett über die Lagerstelle gebracht und dann nach außen abgeschleudert, um über die Wälzkörper die Lagerstelle zu schmieren, und gelangt zusätzlich zur gegenüberliegende Führung des Käfigs, um auch dort eine ausreichende Schmierung zu gewährleisten, insbesondere wenn die Einringung des Schmiermittels nur einseitig erfolgen kann. Durch die beschriebenen Maßnahmen und Effekte wird Schmiermittel in typischer Weise zu bisher schlecht mit Schmiermittel versorgten Bereichen des Kugellagers transportiert.
Außerdem werden die „offenen”, d. h. für den Durchfluss des Schmiermittels freien Querschnitte vergrößert. Dadurch verringert sich die „Filterwirkung” der Lagerreihe, womit sich die Wahrscheinlichkeit des Verbleibs von Verunreinigungen aus dem Schmieröl in der Lagerreihe reduziert. Verunreinigungen könnten in den Laufbahn – Kugel – Kontakt oder in die Berührstellen des Käfigs mit benachbarten Bauteilen gelangen und dort erhöhtes Laufgeräusch oder hohe mechanische Spannungen erzeugen. Die Reduktion bzw. das Vermeiden von Verunreinigungseintrag in die Lagerreihen ist somit sehr vorteilhaft für den störungsfreien Betrieb und die Langlebigkeit der Lagerung.
Zusätzlich reduziert die neue Geometrie das Eigengewicht des Käfigs, da das Käfigvolumen reduziert wird. Damit wird das Massenträgheitsmoment reduziert, was ein schnelles Beschleunigen und Abbremsen begünstigt.
Ferner ist bei der neuartigen Geometrie das Gewicht des Käfigs ausbalanciert, da trotz der asymmetrischen Käfig-Geometrie (Querschnitt) die Massen symmetrisch verteilt sind, so dass die die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten einer dynamischen Unwucht reduziert wird. Zur Vermeidung einer Erwärmung der Lagerstelle auf ein zu hohes Temperaturniveau wird die Lagerreihe bezüglich des Temperaturflusses aufgrund der speziellen Geometrie des Käfigs besser und mit mehr Schmiermittel versorgt. Dadurch wird die Wärme auf das Schmiermittel übertragen und von der Lagerstelle abtransportiert. Darüber hinaus verhindert bzw. reduziert der günstige Abtransport des Schmiermittels „Planschverluste” in der Lagerreihe. Durch den asymmetrischen Kugelkäfig erreicht man eine verbesserte Schmierung und höhere Wärmeabfuhr der Lagerreihe, was die Lebensdauer und Funktion der kompletten Einheit erhöht.
Als zusätzliches Merkmal können die Gleitführungen des Käfigs, also z. B. Käfig-Lagerring-Kontakt und Käfig-Kugel-Kontakt) mit einer Reibung reduzierenden Schicht versehen sein, wie z. B. einer Silberschicht, einer DLC-Schicht oder ähnlichem.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann dem mit Schmutzpartikeln kontaminierten Schmiermittel ein Drall (Drehimpuls) versetzt werden, wodurch sich ein Wirbelstrom ergibt und die Schmutzpartikel durch Fliehkraft nach außen an den Rand des Wirbelstroms transportiert werden. Das durch Fliehkraft radial nach außen transportierte mit Schmutzpartikeln versetzte Schmiermittel kann dann durch radial außen angebrachte Abflusseinrichtungen, beispielsweise im einfachsten Falle durch eine Bohrung, abgeführt werden. In der Mitte der Wirbelströmung, also im Kern der Schmiermittelzufuhrströmung, verbleibt das „gereinigte” Schmiermittel und kann dann zur Schmierung dem Lagersystem bzw. der Kugellagerreihe zugeführt werden. Der Drehimpuls in der Schmiermittelströmung kann beispielsweise durch entsprechend schräg zur Strömung gestellte Leitschaufeln, durch tangentiale Anströmung, durch Gewindekanäle oder schräge Anströmung erzeugt werden. Die Drallerzeugung kann sowohl in der Lagereinheit selbst als auch in den Kanälen für die Schmiermittelzufuhr, beispielsweise auch im Gehäuse des Turboladers angeordnet werden. Die Reinigung des Schmiermittels mittels Drehimpuls ist somit innerhalb der Abmessungen des Turboladers möglich, d. h. in den Turbolader bzw. dessen Lagereinheit integrierbar, so dass kein weiteres anzubauendes Bauteil außerhalb der Lagereinheit bzw. des Turboladers benötigt wird.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von mehreren Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Aus den Zeichnungen und der Zeichnungsbeschreibung ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1: zeigt einen Schnitt durch eine erste Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lagereinheit.
2: zeigt einen vergrößerten Schnitt im Bereich der linken Lagerreihe.
2a: zeigt eine abgewandelte Ausgestaltung der Rille 32 aus 2.
3: zeigt einen Schnitt durch eine zweite Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lagereinheit.
4: zeigt einen vergrößerten Schnitt im Bereich der linken Lagerreihe.
5: zeigt einen vereinfachten Schnitt durch einen Teil einer Lagereinheit gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung.
6: zeigt einen vereinfachten Schnitt durch einen Teil einer Lagereinheit gemäß einer vierten Ausgestaltung der Erfindung.
7: zeigt einen Schnitt durch eine fünfte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Lagereinheit.
7a, b: zeigt einen Lagerkäfig in perspektivischer Darstellung und im Schnitt
8: zeigt einen schematischen Schnitt durch eine Lagereinheit gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung.
9: zeigt eine vergrößerte Ansicht des Kanals zur Zuführung des Schmiermittels gemäß 8.
10: zeigt schematisch einen Schnitt durch den Kanal zur Zuführung des Schmiermittels gemäß einer weiteren Ausgestaltung zur Erzeugung eines Dralls des Schmiermittels.
11: zeigt schematisch einen Schnitt durch den Kanal zur Zuführung des Schmiermittels mit tangentialer Anströmung zur Erzeugung eines Dralls.
12: zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Kanal mit Wendelgeometrie zur Erzeugung eines Dralls des Schmiermittels.
Beschreibung von bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung
In 1 ist eine Lagereinheit mit zwei Kugellager-Reihen, die hier als Schulter-Kugellager ausgeführt sind, gemäß der Erfindung dargestellt. Die Lagereinheit umfasst einen einteiligen Außenring 10 sowie einen davon beabstandeten zweiteiligen Innenring 12a, b. Zwischen dem Außenring 10 und dem Innenring 12a, b verbleibt ein Zwischenraum 14, in welchem die Lagerreihen angeordnet sind, die in einem großen Abstand zueinander angeordnet sind. Der Innenring 12a, b ist fest mit einer Welle 16 verbunden, die um eine Wellenachse 18 rotiert.
Eine erste Lagerreihe umfasst einen Kugelkäfig 20, der eine Vielzahl von Kugeln 22 enthält. Die zweite Lagerreihe umfasst ebenfalls einen Kugelkäfig 24, der eine Vielzahl von Kugeln 26 enthält. Die Kugeln 22, 26 laufen in entsprechenden Laufbahnen des Außenrings 10 bzw. der Innenringe 12a, 12b.
Eine Schmierung und zugleich Kühlung der Lagereinheit erfolgt durch ein Schmiermittel, das über entsprechende Kanäle 28 in den Zwischenraum 14 in der Nähe der Lagerreihen eingespritzt wird. Als Schmiermittel wird vorzugsweise ein Motoröl eines Ölkreislaufes eines Verbrennungsmotors verwendet. Die Kanäle 28 sind im Winkel von etwa 60° bis 80° in Bezug auf die Wellenachse 18 der Welle 16 im Außenring 10 vorgesehen, so dass das Schmiermittel schräg in Richtung der jeweiligen Lagerreihen eingespritzt wird.
2 zeigt eine vergrößerte Darstellung der Lagereinheit aus 1 im Bereich der linken Lagerreihe. Man erkennt den Außenring 10, den Innenring 12a und die dazwischen angeordneten Kugeln 22, die vom Kugelkäfig 20 gehalten werden. Der Innenring sitzt auf der Welle 16, die um eine Wellenachse 18 rotiert. Über den Kanal 28 wird das Schmiermittel in einem schrägen Winkel in Richtung des Innenrings 12a eingespritzt. Der Schmiermittelstrom 40 trifft in einem ersten Bereich 30 auf den Innenring 12a auf, in welchem gemäß dieser Ausführungsform eine definierte Rille 32 angeordnet ist. Wie man in 2a erkennt, kann diese Rille 32 auch mit einer Abspritzkante 32a versehen sein. Da der Innenring 12a und somit auch die Rille 32 mit der Welle 16 rotieren, wird auch der Schmiermittelstrom 40 in Rotation versetzt und von der Rille 32 umgelenkt und abgeschleudert in Richtung des Außenrings 10. Der Schmiermittelstrom trifft dann auf den Innendurchmesser des Außenrings 10. Durch die auf das Schmiermittel und die darin enthaltenen Schmutzpartikel wirkenden Fliehkräfte werden die Schmutzpartikel stärker im Uhrzeigersinn gemäß Zeichnungsdarstellung abgelenkt als das reine Schmiermittel, so dass das reine Schmiermittel entsprechend dem Strömungsverlauf 40a in einem zweiten Bereich 34 auf den Außenring 10 auftrifft, während die Schmutzpartikel stärker im Uhrzeigersinn abgelenkt werden und entsprechend dem Strömungsverlauf 40b in einem dritten Bereich 36 auf den Außenring 10 auftreffen. Um das reine Öl besser von dem schmutzbehafteten Öl trennen zu können, ist eine Trennkante 38 an dem Innendurchmesser des Außenrings 10 vorgesehen.
Die 3 und 4 zeigen eine Lagereinheit, die im Wesentlichen der in den 1 und 2 dargestellten Lagereinheit entspricht. Gleiche Bauteile sind mit denselben Bezugszeichen versehen und die allgemeine Beschreibung der Lagereinheit gilt auch für die Lagereinheit der 3 und 4.
Im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel ist beim Ausführungsbeispiel gemäß 3 an dem Innenring 12a, 12b keine Rille vorgesehen, sondern am Außendurchmesser des Innenrings 12a, b sind entsprechende Prallbleche 42 vorgesehen.
In der vergrößerten Darstellung des linken Lagerteils gemäß 4 erkennt man, dass das Prallblech 42 so angeordnet und abgewinkelt ist, dass das durch den Kanal 28 eingespritzte Schmiermittel entsprechend dem dargestellten Schmiermittelstrom 44 auf das rotationssymmetrische Prallblech 42 auftrifft und durch den Einspritzdruck zerstäubt wird. Der Grad der Zerstäubung kann durch verschiedene Parameter gesteuert werden, insbesondere durch den Volumenstrom, den Druck, die Richtung des eingespritzten Schmieröls sowie die Drehzahl des Innenrings 12a, b und damit die Drehzahl des Prallbleches 42. Dadurch, dass das Schmiermittel schräg in Richtung des Prallbleches 42 eingespritzt wird, erfährt es sowohl eine Geschwindigkeitskomponente in Richtung der Kugeln 22 als auch eine Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung aufgrund der Rotation des Innenrings 12a bzw. des Prallbleches 42 um die Wellenachse 18. Es wird ein erster Strömungsverlauf 44a des zerstäubten Schmiermittels erzeugt, der den Schmiermittelnebel zu der Lagerreihe hintransportiert. Die Lagerreihen werden somit mit zerstäubtem Schmiermittel geschmiert. Die Schmutzpartikel folgen dem Strömungsverlauf 44b und werden durch Fliehkräfte im Uhrzeigersinn gemäß Zeichnungsdarstellung abgelenkt und gelangen nicht in den Bereich der Lagerreihen.
5 zeigt schematisch eine weitere Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Lagereinheit mit einem Außenring 110, einem Innenring 112a sowie dazwischen angeordneten Kugeln 122 mit Kugelkäfig 120. Über einen Kanal 128 wird ein Schmiermittel entsprechend dem Schmiermittelstrom 140 in den Zwischenraum 114 eingespritzt und trifft in einem ersten Bereich 130 auf eine am Innenring 112a angeordnete Rippe 132. Aufgrund der schrägen Einspritzung und der Rotation des Innenrings 112a mit der Rippe 132 wird das eingespritzte Schmiermittel verwirbelt und Fliehkräften ausgesetzt, wobei die leichteren Anteile, also das reine Schmiermittel, entsprechend dem Strömungsverlauf 140a in Richtung der Lagerreihe strömt, während die schwereren Schmutzanteile im Uhrzeigersinn gemäß Zeichnungsdarstellung dem Strömungsverlauf 140b folgend abgelenkt werden und die Rippe 132 nicht überwinden. In Richtung der Wellenachse 18 versetzt zur Rippe 132 ist am Außenring 110 eine weitere Rippe 138 angeordnet, die den Schmiermittelstrom 140 im Strömungsverlauf 140a bremst und gegebenenfalls weitere Schmutzpartikel zurückhält, die dann durch die Fliehkräfte, die radial nach außen in Richtung des Außenrings 110 wirken, im Bereich dieser Rippe 138 gehalten werden.
6 zeigt eine Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Lagereinheit im Detail, die im Wesentlichen der Ausgestaltung gemäß 5 entspricht. Gleiche Bauteile sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Im Unterschied zur 5 ist bei 6 am Innenring 112a eine im Querschnitt etwa rechteckige Rippe 232 angeordnet, welche im Wesentlichen dieselbe Funktion erfüllt wie die Rippe 132 in 5. In 5 war die Rippe 132 mit abgerundeten Kanten versehen.
Am Außenring 110 ist gemäß 6 ebenfalls eine Rippe 238 vorhanden, die versetzt zur Rippe 232 angeordnet ist und eine in Richtung der Rippe 232 geöffnete Hinterschneidung 242 aufweist. Diese Hinterschneidung soll eventuelle Schmutzpartikel sammeln, welche die erste Rippe 232 in Richtung der Lagerreihe überwinden und durch die radial nach außen wirkenden Fliehkräfte in dieser Hinterschneidung 242 gehalten werden und nicht weiter zur Lagerreihe gelangen. Der Strömungsverlauf 240a des Schmiermittels und der Strömungsverlauf 240b der Schmutzpartikel ist durch die Pfeile dargestellt.
Insbesondere bei der Ausgestaltung gemäß den 1 und 2 besteht noch der weitere Vorteil, dass durch die auf die Lagerreihe gerichtete Strömung 40a des gereinigten Schmiermittels diese Strömungsenergie des Schmiermittels genutzt wird, um den Kugelkäfig 20 in dessen vorgesehener Drehrichtung anzutreiben.
Vorteilhaft ist, wenn der Kanal 28 zum Einspritzen des Schmiermittels nicht nur zur Wellenachse 18 der Welle 16 hingeneigt ist, sondern auch in Umfangsrichtung des Außenrings 10 geneigt ist, so dass das Schmiermittel über die Umlenkung durch den Innenring 12a auf die Trennkante und dann den Kugelkäfig 20 trifft und den Kugelkäfig 20 in Drehrichtung antreibt.
Es kann natürlich auch vorgesehen sein, dass der Kanal 28 bzw. der Auslass des Kanals 28 direkt auf den Kugelkäfig gerichtet ist, so dass durch die höhere Strömungsgeschwindigkeit, im Vergleich zur indirekten Strömung, der Kugelkäfig sehr viel stärker beschleunigt wird. Allerdings müssten bei dieser Ausführungsform die Rille 32 im Innenring 12a bzw. die Trennkante 38 am Außenring entfallen, so dass auch die Schmutzpartikel abscheidende Wirkung dieser Einrichtungen nicht mehr vorhanden wäre.
In 7 ist eine Lagereinheit mit zwei Kugellagern dargestellt, die in ihrem Aufbau im Wesentlichen den Lagereinheiten aus den 1 und 3 entspricht. Die Lagereinheit umfasst einen einteiligen Außenring 310 sowie einen davon beabstandeten zweiteiligen Innenring 312a, 312b. Zwischen dem Außenring 310 und dem Innenring 312a, b verbleibt ein Zwischenraum 314, in welchem die Lagerreihen in einem großen Abstand zueinander angeordnet sind. Der Innenring 312a, b kann fest mit einer Welle (nicht dargestellt) verbunden werden und rotiert um eine Wellenachse 318. Eine erste Lagerreihe umfasst einen Kugelkäfig 320, der eine Vielzahl von Kugeln 322 enthält. Die zweite Lagerreihe umfasst ebenfalls einen Kugelkäfig 324, der eine Vielzahl von Kugeln 326 enthält. Die Kugeln 322, 326 laufen in entsprechenden Laufbahnen des Außenrings 310 bzw. der Innenringe 312a, 312b.
Das Schmiermittel wird über entsprechende Kanäle 328 in den Zwischenraum 314 in der Nähe der beiden Lagerreihen eingespritzt und kann den Zwischenraum über einen Auslass 346 verlassen.
Gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung sind die Kugelkäfige 320 und 324 im Querschnitt asymmetrisch ausgebildet. Der Querschnitt des Kugelkäfigs umfasst einen längeren Schenkel und einen kürzeren Schenkel, die in einem stumpfen Winkel zueinander angeordnet sind. Die Spitze des Winkels zeigt in Richtung des Außenrings 310. Der längere Schenkel liegt in Richtung des Kanals 328, durch den das Schmiermittel eingebracht wird. Der durch die Kanäle 328 eingebrachte Schmiermittelstrom 340 trifft zunächst auf den Innenring 312a, 312b auf. Da der Innenring 312a, 312b im Betrieb des Lagers rotiert, wird der Schmiermittelstrom 340 in Rotation versetzt und vom Innenring 312a, 312b in Richtung des Außenrings 310 abgeschleudert. Der Schmiermittelstrom trifft dann auf den Innendurchmesser des Außenrings 310. Durch die Asymmetrie der Kugelkäfige 320, 324 verbleibt zwischen den Schenkeln der Kugelkäfige 320, 324 und dem Außenring 310 ein durchgängiger Zwischenraum. Der Schmiermittelstrom kann nun leicht in den Zwischenraum eindringen und die Kugeln umspülen und gelangt so an alle wichtigen Schmierstellen.
Die Ausgestaltung der Kugelkäfige 320, 324 hat noch einen weiteren Effekt. Aufgrund der auf das Schmiermittel und die darin enthaltenen Schmutzpartikel wirkenden Fliehkräfte werden das Schmiermittel und die Schmutzpartikel unterschiedlich stark abgelenkt. Das reine Schmiermittel gelangt bevorzugt zu den Schmierstellen, während die Schmutzpartikel zum großen Teil von den Lagerreihen weg gelenkt werden.
In 7a und 7b ist exemplarisch eine mögliche Ausgestaltung der Kugelkäfige 320, 324 gezeigt.
8 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine weitere Ausgestaltung einer Lagereinheit gemäß der Erfindung. Die Lagereinheit umfasst einen Außenring 410 sowie einen davon beabstandeten Innenring 412a, wobei zwischen dem Außenring 410 und dem Innenring 412a ein Zwischenraum 414 verbleibt, in welchem Wälzkörper, in diesem Fall Kugeln 422, angeordnet sind. Die Kugeln 422 sind vorzugsweise in einem Kugelkäfig 420 gehalten und laufen auf entsprechenden Laufbahnen, die im Innenring 412a bzw. Außenring 410 angeordnet sind. Der Innenring 412a sitzt beispielsweise auf einer Welle, die in dieser Zeichnung nicht dargestellt ist.
Eine Schmierung und zugleich Kühlung der Lagereinheit bzw. der Kugeln 422 erfolgt durch ein Schmiermittel, das über einen entsprechenden Kanal 428 in den Zwischenraum 414 eingespritzt wird, wobei als Schmiermittel vorzugsweise ein Motorenöl eines Ölkreislaufs eines Verbrennungsmotors verwendet wird. Der Kanal 428 zum Einspritzen des Schmiermittels ist in einem Winkel in Bezug auf die Längsachse der Lagereinheit angeordnet, so dass das Schmiermittel schräg in Richtung der jeweiligen Wälzkörper 422 zugeführt wird.
Der Außenring 410 ist in einem Gehäuse 448 angeordnet. Über einen Kanal 450 wird das Schmiermittel in den Kanal 428 im Außenring 410 eingeleitet. Entweder im Kanal 450 oder aber am Anfang des Kanals 428 sind Einrichtungen vorhanden, die dem einströmenden Schmiermittelstrom 440 einen Drall verleihen. Dieser Drehimpuls des Schmiermittels um die Strömungsachse bewirkt eine auf das Schmiermittel wirkende Fliehkraft. Im Schmiermittel sind Schmutzpartikel enthalten, insbesondere metallischer Abrieb durch Verschleiß oder Verbrennungsrückstände, deren spezifische Dichte größer ist als die Dichte des Schmiermittels. Durch die auf das mit Schmutzpartikel versetzte Schmiermittel wirkende Fliehkraft werden diese „schwereren” Schmutzpartikel auf Grund der wirkenden Zentrifugalkräfte von dem reinen Schmiermittel getrennt. Die Schmutzpartikel höherer Dichte wandern auf Grund der höheren Zentrifugalkräfte in dem sich drehenden Schmiermittelstrom nach außen. Dabei verdrängen sie die Bestandteile mit niedrigerer Dichte, also das reine Schmiermittel, das hierdurch zur Mitte gelangt, während die Schmutzpartikel nach außen wandern. Im Kanal 428 wird also das reine Schmiermittel von dem schmutzbehafteten Schmiermittel getrennt. Während das reine Schmiermittel durch eine zentrische Bohrung 452 in den Zwischenraum 414 gelangt und zur Schmierung der Kugeln 422 eingesetzt werden kann, wird das schmutzbehaftete Schmiermittel, das sich radial außen im Kanal 428 aufhält, über eine andere Bohrung 454 abgeführt und dem Zwischenraum 414 in einem anderen Winkel zugeleitet, so dass es nicht in den zu schmierenden Bereich gelangt.
Die Erzeugung eines Drehimpulses des Schmiermittels kann auf verschiedene Wege erreicht werden.
9 zeigt beispielsweise den zugeführten Schmiermittelstrom 440, der dem Kanal 428 zugeführt wird. An der Außenwand des Kanals sind schräg zur Achse des Kanals angeordnete Leitschaufeln 456 vorgesehen, auf die der Schmiermittelstrom 440 trifft und dadurch in einen Schmiermittelstrom mit Drehimpuls 440a versetzt wird. Durch den Drehimpuls werden die schwereren Schmutzpartikel radial nach außen transportiert, während das reine Schmiermittel im Zentrum des Schmiermittelstroms verbleibt und über die Bohrung 452 als Schmiermittelstrom 441 abfließen kann, während der mit Schmutzpartikeln angereicherte Schmiermittelstrom 444 über eine seitliche Bohrung 454 abfließen kann.
In 10 ist eine andere Möglichkeit zur Erzeugung eines Drehimpulses auf das Schmiermittel dargestellt. Man erkennt schematisch den Außenring 410 mit dem Kanal 428 zum Einbringen des Schmiermittels sowie einen Teil des Gehäuses 448, welches am Außenring anliegt. Über einen weiteren Kanal 450 wird der Schmiermittelstrom 440 schräg in Bezug auf den Kanal 428 eingebracht, so dass das Schmiermittel dadurch in Drall versetzt wird und Schmiermittelstrom mit Drehimpuls 440a bildet. Die schwereren Schmutzpartikel wandern dadurch radial nach außen und an den Rand des Kanals 428, während das leichtere Schmiermittel in der Mitte des Kanals 428 verbleibt. Eine Trennung der beiden Komponenten kann beispielsweise wie in 9 durchgeführt werden und ist in 10 nicht dargestellt.
11 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Drallerzeugung durch tangentiale Anströmung. Schematisch ist der Außenring 410 mit Kanal 428 von oben dargestellt, wobei der Schmiermittelstrom 440 dem Kanal 428 durch den Kanal 450 tangential zugeführt wird und dadurch einen rotierenden Schmiermittelstrom mit Drehimpuls 440a bildet. Dieser Schmiermittelstrom mit Drehimpuls 440a kann dann entsprechend weiter verwendet werden.
12 zeigt schematisch einen Schnitt durch den Außenring 410 im Bereich der Zuführung des Schmiermittelstroms 440, wobei der Schmiermittelstrom über eine Gewindebohrung 458 zugeführt wird und dadurch einen Drehimpuls (Drall) erhält und einen Schmiermittelstrom mit Drehimpuls bildet.
Bezugszeichenliste

10: Außenring
12a, b: Innenring
14: Zwischenraum
16: Welle
18: Wellenachse
20: Kugelkäfig
22: Kugel
24: Kugelkäfig
26: Kugel
28: Kanal
30: erster Bereich
32: Rille
32a: Abspritzkante
34: zweiter Bereich
36: dritter Bereich
38: Trennkante
40: Schmiermittelstrom
40a, b: Strömungsverlauf
42: Prallblech
44: Schmiermittelstrom
44a, b: Strömungsverlauf
110: Außenring
112a: Innenring
114: Zwischenraum
120: Kugelkäfig
122: Kugel
128: Kanal
130: erster Bereich
132: Rippe
138: Rippe
140: Schmiermittelstrom
140a, b: Strömungsverlauf
232: Rippe
238: Rippe
240: Schmiermittelstrom
240a, b: Strömungsverlauf
242: Hinterschneidung
310: Außenring
312a, b: Innenring
314: Zwischenraum
318: Wellenachse
320: Kugelkäfig
322: Kugel
324: Kugelkäfig
326: Kugel
328: Kanal
340: Schmiermittelstrom
346: Auslass
410: Außenring
412a: Innenring
414: Zwischenraum
420: Kugelkäfig
422: Kugel
428: Kanal
440: Schmiermittelstrom
440a: Schmiermittelstrom mit Drehimpuls
441: Schmiermittelstrom (gereinigt)
444: Schmiermittelstrom (kontaminiert)
448: Gehäuse
450: Kanal
452: Bohrung
454: Bohrung
456: Leitschaufel
458: Gewindebohrung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202004017194 U1 [0002]
DE 3825326 A1 [0002]

Claims

Lagereinheit für eine Welle (16) eines Turboladers, welche mindestens einen Außenring (10; 110; 310; 410), mindestens einen Innenring (12a, b, 112a; 312a, b; 412a) und mindestens zwei zwischen Außenring und Innenring geführte Lagerreihen umfasst, wobei mindestens ein Kanal (28; 128; 328; 428) zum Einspitzen von Schmiermittel in einen Zwischenraum (14; 114; 314; 414) zwischen dem Außenring und dem Innenring vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass Einrichtungen (32, 38, 42, 132, 138, 232, 238, 242; 320, 324; 428; 456, 458) vorgesehen sind, die unter Ausnutzung der Fliehkraft das Schmiermittel von im Schmiermittel befindlichen Schmutzpartikeln trennen.
Lagereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen (32, 38, 42, 132, 138, 232, 238, 242; 320, 324) innerhalb des Zwischenraums (14; 114; 314; 414) zwischen dem Außenring und dem Innenring angeordnet sind.
Lagereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen (32, 38, 42, 132, 138, 232, 238, 242; 428; 456; 458) im oder am Innenring und/oder im oder am Außenring angeordnet sind.
Lagereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen Teil eines im Zwischenraum (314) angeordneten Kugelkäfigs (320, 324) sind.
Lagereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (28; 128; 328; 428) zum Einspritzen des Schmiermittels in den Zwischenraum (14; 114; 314; 414) im feststehenden Außenring (10; 110; 310; 410) angeordnet ist.
Lagereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (28; 128; 328; 428) in einem Winkel von etwa 60° bis 80° zur Längsachse des Außenrings (10; 110; 310; 410) verläuft und in der Nähe einer Lagerreihe mündet.
Lagereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (28; 128; 328; 428) auf den rotierenden Innenring (12a, b; 112a, b; 312a, b) gerichtet ist, und das Schmiermittel in einem ersten Bereich (30; 130) auf den Innenring (12a, b; 112a; 312a, b; 412a) auftrifft und durch die Rotation des Innenrings in Umfangsrichtung beschleunigt wird.
Lagereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring (12a, b) in dem ersten Bereich (30) eine im Wesentlichen senkrecht zur Wellenachse (18) der Welle (16) verlaufende Rille (32) aufweist, die das Schmiermittel in Richtung des Außenrings (10) umlenkt.
Lagereinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rille (32) eine Abspritzkante (32a) aufweist, an der sich das umgelenkte Schmiermittel von dem Innenring (12a, b) ablöst.
Lagereinheit nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund der Beschleunigung des Schmiermittels und der Umlenkung durch die Rille (32) Fliehkräfte auf das Schmiermittel wirken, wodurch das Schmiermittel in einem ersten Winkel in Richtung des Außenrings (10) umgelenkt wird und in einem zweiten Bereich (34) am Außenring (10) auftrifft, während mit Schmutzpartikeln angereichertes Schmiermittel in einem zweiten Winkel in Richtung des Außenrings umgelenkt wird und in einem dritten Bereich (36) am Außenring (10) auftrifft.
Lagereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenring (10) zwischen dem zweiten Bereich (34) und dem dritten Bereich (36) eine im Wesentlichen senkrecht zur Wellenachse (18) der Welle verlaufende Trennkante (38) aufweist.
Lagereinheit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennkante (38) derart angeordnet und ausgestaltet ist, dass das in dem zweiten Bereich (34) auftreffende Schmiermittel in Richtung der Lagerreihe abgelenkt wird, während das in dem dritten Bereich (36) auftreffende und mit Schmutzpartikeln angereicherte Schmiermittel von der Lagerreihe weg abgelenkt wird.
Lagereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (28, 128) derart gestaltet ist, dass das eingespritzte Schmiermittel zerstäubt wird und ein Strömungsverlauf (140a; 240a) des zerstäubten Schmiermittels in Richtung der Lagerreihe erzeugt wird, während mit Schmutzpartikeln angereichertes Schmiermittel durch einen Strömungsverlauf (140b; 240b) vom reinen Schmiermittel getrennt und von der Lagerreihe weg geleitet wird.
Lagereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring (12a, b; 112a) in dem ersten Bereich eine im Wesentlichen senkrecht zur Wellenachse (18) der Welle (16) verlaufende geometrische Kontur (132, 232) oder ein Prallblech (42) oder eine Prallkante aufweist, auf welche das Schmiermittel auftrifft und dadurch zerstäubt wird.
Lagereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (428) derart ausgestaltet ist oder Einrichtungen (456; 458)) aufweist, die dem eingespritzten Schmiermittel einen Drehimpuls (Drall) verleihen, wodurch mit Schmutzpartikeln angereichertes Schmiermittel aufgrund von Zentrifugalkräften vom reinen Schmiermittel getrennt und abgeleitet wird, während das reine Schmiermittel der Lagerreihe zugeführt wird.
Lagereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (28; 128; 328; 428) derart ausgerichtet ist, dass das Schmiermittel direkt oder indirekt auf einen Kugelkäfig (20, 24; 120; 320; 324; 420) einer Lagerreihe auftrifft und den Kugelkäfig in dessen Drehrichtung antreibt.
Lagereinheit für eine Welle (16) eines Turboladers, welche mindestens einen Außenring (310), mindestens einen Innenring (312a, b) und mindestens zwei zwischen Außenring und Innenring geführten Lagerreihen umfasst, wobei mindestens ein Kanal (328) zum Einspitzen von Schmiermittel in einen Zwischenraum (314) zwischen dem Außenring und dem Innenring vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (328) derart ausgerichtet ist, dass das Schmiermittel direkt oder indirekt auf einen Kugelkäfig (320; 324) einer Lagerreihe auftrifft.
Lagereinheit nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Kugelkäfig (320; 324) Prallflächen aufweist, auf die das Schmiermittel direkt oder indirekt auftrifft.
Lagereinheit nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Kugelkäfig (320, 324) im Querschnitt asymmetrisch ausgebildet ist.
Lagereinheit nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Kugelkäfigs (320, 324) einen längeren Schenkel und einen kürzeren Schenkel umfasst, die in einem stumpfen Winkel zueinander angeordnet sind, wobei die Spitze des Winkels in Richtung des Außenrings (310) zeigt, und der längere Schenkel in Richtung des Kanals (328) angeordnet ist, durch den das Schmiermittel eingebracht wird.
Turbolader mit einer Turbine und einem Verdichter, die auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind, wobei die Welle mittels einer Lagereinheit gemäß den Ansprüchen 1 bis 20 drehgelagert ist.