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DE102014214267A1 - Lageranordnung für eine Rotorwelle und Verfahren zur Herstellung eines Lageraußen-rings für eine derartige Lageranordnung - Google Patents

Lageranordnung für eine Rotorwelle und Verfahren zur Herstellung eines Lageraußen-rings für eine derartige Lageranordnung Download PDF

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DE102014214267A1
DE102014214267A1 DE102014214267.9A DE102014214267A DE102014214267A1 DE 102014214267 A1 DE102014214267 A1 DE 102014214267A1 DE 102014214267 A DE102014214267 A DE 102014214267A DE 102014214267 A1 DE102014214267 A1 DE 102014214267A1
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DE
Germany
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bearing
outer ring
radially
feed openings
core diameter
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DE102014214267.9A
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English (en)
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Klaus Daut
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Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG and Co KG
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Publication date
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung (1) für eine Rotorwelle, insbesondere eines Abgasturboladers, mit zwei axial beabstandet zwischen einer Gehäusebohrung und der Rotorwelle angeordneten Wälzlagern (2, 3), die einen gemeinsamen Lageraußenring (4) mit mindestens zwei weitgehend radialen Einspeiseöffnungen (7, 8) zur Zufuhr von Schmier- und Kühlöl zu den Wälzlagern (2, 3) aufweisen, wobei die Einspeiseöffnungen (7, 8) jeweils axial innen benachbart zu dem zugeordneten Wälzlager (2, 3) angeordnet sind sowie einen kreisrunden Drosselquerschnitt mit einem Kerndurchmesser (dK) aufweisen. Zur kostengünstigen Herstellung des Lageraußenrings (4) ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Einspeiseöffnungen (7, 8) jeweils als eine zylindrische Stufenbohrung mit einem radial äußeren Bohrungsabschnitt (11) und einem radial inneren Bohrungsabschnitt (12) ausgebildet sind, wobei der radial äußere Bohrungsabschnitt (11) einen deutlich größeren Durchmesser (dA) als den Kerndurchmesser (dK) aufweist und bis an eine Restwandstärke (tR) des Lageraußenrings (4) heranreicht, und bei welcher der radial innere Bohrungsabschnitt (12) den Kerndurchmesser (dK) aufweist sowie über die Restwandstärke (tR) des Lageraußenrings (4) verläuft.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung für eine Rotorwelle, insbesondere eines Abgasturboladers, mit zwei axial beabstandet zwischen einer Gehäusebohrung und der Rotorwelle angeordneten Wälzlagern, die einen gemeinsamen Lageraußenring mit mindestens zwei weitgehend radialen Einspeiseöffnungen zur Zufuhr von Schmier- und Kühlöl zu den Wälzlagern aufweisen, wobei die Einspeiseöffnungen jeweils axial innen benachbart zu dem zugeordneten Wälzlager angeordnet sind sowie einen kreisrunden Drosselquerschnitt mit einem Kerndurchmesser aufweisen. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Lageraußenrings für eine Lageranordnung einer Rotorwelle der vorgenannten Bauart.
  • Die Lagerung von schnell drehenden Rotorwellen kann bekanntlich durch Gleitlager, durch Wälzlager, oder durch eine Kombination aus beiden Lagerbauarten bewerkstelligt werden. Bei relativ kleinen Abgasturboladern von Verbrennungsmotoren, die bei Personenfahrzeugen und leichten Nutzfahrzeugen zur Anwendung kommen, ist die Lagerung der das Turbinenrad mit dem Verdichterrad verbindenden Rotorwelle meistens durch zwei axial beabstandet zwischen einer Gehäusebohrung und der Rotorwelle angeordnete Wälzlager, insbesondere Schrägkugellager, mit einem gemeinsamen Lageraußenring gebildet. Aufgrund der hohen Drehzahl der Rotorwelle eines Abgasturboladers und der hohen thermischen Belastung durch das nahe liegende, im heißen Abgasstrom laufende Turbinenrad wird den Wälzlagern zur Schmierung und Kühlung häufig Motor- oder Hydrauliköl zugeführt.
  • Bei einer aus der DE 10 2008 020 067 A1 bekannten Lageranordnung der Rotorwelle eines Abgasturboladers wird den Wälzlagern über eine in eine zentrale Radialbohrung des Ladergehäuses eingesetzte Düse ein Schmier- und Kühlöl zugeführt. Der Düsenkörper ragt derart durch eine Radialbohrung des Lageraußenrings nach innen, dass die Düsenöffnung bei drehender Rotorwelle wechselweise einer von mehreren ringförmig angeordneten Öffnungen zwischen den beiden Lagerinnenringen radial gegenübersteht. Die weitere Verteilung des Schmier- und Kühlöls erfolgt innerhalb eines von den Lagerinnenringen und der Rotorwelle begrenzten ringförmigen Hohlraums durch einen keilförmigen Ringsteg der Rotorwelle und jeweils mindestens eine Austrittsöffnung, die in dem jeweiligen Lagerinnenring unmittelbar axial benachbart zu dem betreffenden Wälzlager angeordnet ist.
  • Eine wesentlich einfacher aufgebaute und entsprechend kostengünstiger herstellbare Lageranordnung der Rotorwelle eines Abgasturboladers ist in der DE 10 2010 019 528 A1 beschrieben. Bei dieser bekannten Lageranordnung wird den Wälzlagern das Schmier- und Kühlöl über jeweils einen von einer zentralen Radialbohrung des Ladergehäuses abzweigenden Ölkanal und eine weitgehend radiale Einspeiseöffnung in dem Lageraußenring zugeführt, wobei die Einspeiseöffnungen jeweils axial innen benachbart zu dem zugeordneten Wälzlager angeordnet sind und einen kreisrunden Drosselquerschnitt mit einem Kerndurchmesser aufweisen.
  • Bislang werden die Einspeiseöffnungen vor dem Härten des Lageraußenrings mittels eines Spiralbohrers und somit mit konstantem Kerndurchmesser in den Lageraußenring gebohrt. Da das Material des Lageraußenrings, bei dem es sich aufgrund der thermischen Belastung um einen warmfesten Wälzlagerstahl wie zum Beispiel M50 oder M50NiL handelt, auch vor dem Härten schon relativ hart ist, und der Kerndurchmesser der Einspeiseöffnung zur Dosierung des unter Druck stehenden Schmier- und Kühlöls mit einer Größe unter 1 mm relativ klein ist, kommt es zu einem vergleichsweise schnellen Verschleiß der verwendeten Spiralbohrer. Hierdurch wird eine automatisierte und entsprechend kostengünstige mechanische Bearbeitung des Lageraußenrings in einem Bearbeitungszentrum erheblich behindert und verteuert.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lageranordnung für eine Rotorwelle der eingangs genannten Bauart sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Lageraußenrings für eine derartige Lageranordnung vorzustellen, mit denen die genannten Fertigungsprobleme vermieden beziehungsweise die Herstellkosten deutlich reduziert werden können.
  • Die Lösung dieser Aufgabe wird erreicht mit einer Lageranordnung für eine Rotorwelle, insbesondere eines Abgasturboladers, welche zwei axial beabstandet zwischen einer Gehäusebohrung und der Rotorwelle angeordnete Wälzlager aufweist, die einen gemeinsamen Lageraußenring mit mindestens zwei weitgehend radialen Einspeiseöffnungen zur Zufuhr von Schmier- und Kühlöl zu den Wälzlagern aufweisen, wobei die Einspeiseöffnungen jeweils axial innen benachbart zu dem zugeordneten Wälzlager angeordnet sind sowie einen kreisrunden Drosselquerschnitt mit einem Kerndurchmesser aufweisen. Bei dieser Lageranordnung ist gemäß der Erfindung vorgesehen, dass die Einspeiseöffnungen jeweils als eine zylindrische Stufenbohrung mit einem radial äußeren Bohrungsabschnitt und einem radial inneren Bohrungsabschnitt ausgebildet sind, wobei der radial äußere Bohrungsabschnitt einen deutlich größeren Durchmesser als den Kerndurchmesser aufweist sowie bis an eine Restwandstärke des Lageraußenrings heranreicht, und wobei der radial innere Bohrungsabschnitt den Kerndurchmesser aufweist und über die Restwandstärke des Lageraußenrings verläuft.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Lageranordnung sind Gegenstand der zugeordneten Unteransprüche.
  • Ein diesbezügliches Verfahren dient zur Herstellung eines Lageraußenrings für eine Lageranordnung einer Rotorwelle, insbesondere eines Abgasturboladers, mit zwei axial beabstandet zwischen einer Gehäusebohrung und der Rotorwelle angeordneten Wälzlagern, die einen gemeinsamen Lageraußenring mit mindestens zwei weitgehend radialen Einspeiseöffnungen zur Zufuhr von Schmier- und Kühlöl zu den Wälzlagern aufweisen, wobei die Einspeiseöffnungen jeweils axial innen benachbart zu dem zugeordneten Wälzlager angeordnet sowie und einen kreisrunden Drosselquerschnitt mit einem Kerndurchmesser aufweisen.
  • Gemäß der Erfindung ist bei diesem Herstellverfahren vorgesehen, dass die Einspeiseöffnungen jeweils als eine zylindrische Stufenbohrung mit einem radial äußeren Bohrungsabschnitt und einem radial inneren Bohrungsabschnitt hergestellt werden, dass der radial äußere Bohrungsabschnitt mit einem deutlich größeren Durchmesser als dem Kerndurchmesser sowie als eine bis an eine Restwandstärke des Lageraußenrings heranreichende Sacklochbohrung durch Bohren mit einem Spiralbohrer von radial außen nach radial innen hergestellt wird, und dass der radial innere Bohrungsabschnitt mit dem Kerndurchmesser als eine über die Restwandstärke des Lageraußenrings verlaufende Durchgangsöffnung durch Ausstanzen mit einem Stanzwerkzeug von radial innen nach radial außen hergestellt wird.
  • Zur weiteren Verdeutlichung der Erfindung ist der Beschreibung eine Zeichnung beigefügt. In dieser zeigt
  • 1 eine erfindungsgemäße Lageranordnung eines Abgasturboladers mit einem gemeinsamen Lageraußenring in einem Längsschnitt,
  • 1a ein vergrößerter Ausschnitt des Lageraußenrings gemäß 1,
  • 1b ein vergrößerter Ausschnitt des Lageraußenrings gemäß 1 nach einem Fertigungszwischenschritt,
  • 2 eine bekannte Lageranordnung eines Abgasturboladers mit einem gemeinsamen Lageraußenring in einem Längsschnitt, und
  • 2a ein vergrößerter Ausschnitt des bekannten Lageraußenrings gemäß 2.
  • In 2 ist eine zum Beispiel aus der DE 10 2010 019 528 A1 bekannte Lageranordnung 1' der Rotorwelle eines Abgasturboladers mit zwei einen gemeinsamen Lageraußenring 4 aufweisenden Wälzlagern 2, 3 in einem mittigen Längsschnitt dargestellt. Die vorliegend als Schrägkugellager ausgebildeten Wälzlager 2, 3, von denen in 2 außer dem Lageraußenring 4' nur jeweils zwei kugelförmige Wälzkörper 5, 6 abgebildet sind, sind axial zueinander beabstandet radial zwischen einer Gehäusebohrung und der Rotorwelle angeordnet, welche beide nicht sichtbar sind. Der gemeinsame Lageraußenring 4' weist mindestens zwei weitgehend radiale Einspeiseöffnungen 7', 8' zur Zufuhr von Schmier- und Kühlöl zu den Wälzlagern 2, 3 auf. Die Einspeiseöffnungen 7', 8' sind jeweils axial innen benachbart zu dem zugeordneten Wälzlager 2, 3 angeordnet und weisen einen kreisrunden Drosselquerschnitt mit einem Kerndurchmesser dK auf, mittels dem der Volumenstrom des zugeführten Schmier- und Kühlöls dosiert wird.
  • Wie besonders gut in dem in 2a abgebildeten vergrößerten Ausschnitt A' von 2 erkennbar ist, sind die Einspeiseöffnungen 7', 8' jeweils senkrecht zu der Oberfläche einer im Profil keilförmigen Ringnut 9, 10 des Lageraußenrings 4' durch Bohren mittels eines Spiralbohrers von radial außen nach innen erzeugt. Demzufolge weisen die Einspeiseöffnungen 7', 8' jeweils einen konstanten Querschnitt mit dem Kerndurchmesser dK von beispielsweise 0,75 mm auf. Ebenso sind die Einspeiseöffnungen 7, 8' entsprechend der Kontur der Ringnuten 9, 14 jeweils um etwa 14° nach radial innen axial in Richtung des zugeordneten Wälzlagers 2, 3 geneigt.
  • Aufgrund des vergleichsweise harten Materials des Lageraußenrings 4', der wegen der vorliegenden Wärmebelastung der Lageranordnung 1' im Betrieb aus einem warmfesten Wälzlagerstahl wie M50 oder M50NiL besteht, und wegen des relativ kleinen Bohrungsdurchmessers von beispielsweise dK = 0,75 mm sind die verwendeten Spiralbohrer ziemlich teuer und weisen eine verhältnismäßig kurze Standzeit auf. Eine automatisierte und entsprechend kostengünstige mechanische Bearbeitung des Lageraußenrings 4' in einem Bearbeitungszentrum wird dadurch erschwert und ist vergleichsweise teuer.
  • Daher ist der Lageraußenring 4 der beiden Wälzlager 2, 3 der in 1 in einem Längsschnitt abgebildeten erfindungsgemäßen Lageranordnung 1 derart modifiziert ausgebildet, dass die Einspeiseöffnungen 7, 8 nun jeweils als eine zylindrische Stufenbohrung mit einem radial äußeren Bohrungsabschnitt 11 und einem radial inneren Bohrungsabschnitt 12 ausgebildet sind. Wie besonders gut in dem in 1a abgebildeten vergrößerten Ausschnitt A von 1 erkennbar ist, weist der radial äußere Bohrungsabschnitt 11 einen deutlich größeren Durchmesser dA auf als der Kerndurchmesser dK(dA >> dK), und der radial äußere Bohrungsabschnitt 11 reicht bis an eine vergleichsweise geringe Restwandstärke tR des Lageraußenrings 4 heran. Der radial innere Bohrungsabschnitt 12 weist einen Kerndurchmesser dK auf und verläuft über die verbliebene Restwandstärke tR des Lageraußenrings 4.
  • Zur Herstellung der Einspeiseöffnungen 7, 8 ist vorgesehen, dass der radial äußere Bohrungsabschnitt 11 jeweils als eine bis an die Restwandstärke tR des Lageraußenrings 4 heranreichende Sacklochbohrung mit einem das dreifache bis vierfache des Kerndurchmessers dK aufweisenden Durchmesser von zum Beispiel dA = 3,0 mm durch Bohren mit einem Spiralbohrer von radial außen nach radial innen hergestellt wird. Zur Verdeutlichung ist der Lageraußenring 4 in 1b in dem vergrößerten Ausschnitt A von 1 nach diesem ersten Fertigungszwischenschritt abgebildet. Da der radial äußere Bohrungsabschnitt 11 der Einspeiseöffnungen 7, 8 jeweils senkrecht zu der Oberfläche der jeweiligen keilförmigen Ringnut 9, 10 des Lageraußenrings 4 gebohrt wird, sind die radial äußeren Bohrungsabschnitte 11 der Einspeiseöffnungen 7, 8 entsprechend der Kontur der Ringnuten 9, 10 jeweils um etwa 14° nach radial innen axial in Richtung des zugeordneten Wälzlagers 2, 3 geneigt.
  • Der radial innere Bohrungsabschnitt 12 der Einspeiseöffnungen 7, 8 wird jeweils als Durchgangsöffnung durch Ausstanzen mit einem Stanzwerkzeug von radial innen nach radial außen durch die verbliebene Restwandstärke tR des Lageraußenrings 4 hergestellt und ist daher exakt radial ausgerichtet. Der beim Ausstanzen am Außenrand des radial inneren Bohrungsabschnittes 12 der Einspeiseöffnungen 7, 8 entstehende Grat braucht nicht entfernt zu werden, da er jeweils innerhalb des radial äußeren Bohrungsabschnittes 11 der betreffenden Einspeiseöffnung 7, 8 liegt.
  • Zwar wird mit dem Ausstanzen des inneren Bohrungsabschnitts 12 der Einspeiseöffnungen 7, 8 gegenüber dem bisherigen Herstellungsverfahren ein zusätzlicher Bearbeitungsschritt eingeführt. Da die Standzeit eines Spiralbohrers aber mit dem Bohrungsdurchmesser in Relation zur Bohrungstiefe ansteigt, wird dieser Nachteil durch die deutlich höhere Standzeit und die niedrigeren Beschaffungskosten der entsprechend größeren Spiralbohrer mehr als ausgeglichen. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung und Herstellung der Einspeiseöffnungen 7, 8 ist somit nun eine automatisierte und entsprechend kostengünstige mechanische Bearbeitung des Lageraußenrings 4 in einem Bearbeitungszentrum problemlos möglich.
  • Bezugszeichenliste
    • 1, 1'
    Lageranordnung
    2
    Erstes Wälzlager, Schrägkugellager
    3
    Zweites Wälzlager, Schrägkugellager
    4, 4'
    Lageraußenring
    5
    Wälzkörper
    6
    Wälzkörper
    7, 7'
    Erste Einspeiseöffnung
    8, 8
    Zweite Einspeiseöffnung
    9
    Erste Ringnut
    10
    Zweite Ringnut
    11
    Radial äußerer Bohrungsabschnitt
    12
    Radial innere Einspeiseöffnung
    A, A'
    Zeichnungsausschnitt
    dA
    Durchmesser von Bohrungsabschnitt 11
    dK
    Durchmesser von Einspeiseöffnung 7', 8', 12
    tR
    Restwandstärke von Lageraußenring 4 und Einspeiseöffnung 12
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102008020067 A1 [0003]
    • DE 102010019528 A1 [0004, 0017]

Claims (4)

  1. Lageranordnung für eine Rotorwelle, insbesondere eines Abgasturboladers, mit zwei axial beabstandet zwischen einer Gehäusebohrung und der Rotorwelle angeordneten Wälzlagern (2, 3), die einen gemeinsamen Lageraußenring (4) mit mindestens zwei weitgehend radialen Einspeiseöffnungen (7, 8) zur Zufuhr von Schmier- und Kühlöl zu den Wälzlagern (2, 3) aufweisen, wobei die Einspeiseöffnungen (7, 8) jeweils axial innen benachbart zu dem zugeordneten Wälzlager (2, 3) angeordnet sind sowie einen kreisrunden Drosselquerschnitt mit einem Kerndurchmesser (dK) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspeiseöffnungen (7, 8) jeweils als eine zylindrische Stufenbohrung mit einem radial äußeren Bohrungsabschnitt (11) und einem radial inneren Bohrungsabschnitt (12) ausgebildet sind, wobei der radial äußere Bohrungsabschnitt (11) einen deutlich größeren Durchmesser (dA) als den Kerndurchmesser (dK) aufweist (dA >> dK) sowie bis an eine Restwandstärke (tR) des Lageraußenrings (4) heranreicht, und wobei der radial innere Bohrungsabschnitt (12) den Kerndurchmesser (dK) aufweist sowie über die Restwandstärke (tR) des Lageraußenrings (4) verläuft.
  2. Lageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (dA) des radial äußeren Bohrungsabschnittes (11) der Einspeiseöffnungen (7, 8) jeweils das dreifache bis vierfache des Kerndurchmessers (dK) beträgt, und dass die Restwandstärke (tR) des Lageraußenrings (4), über den sich der radial innere Bohrungsabschnitt (12) der Einspeiseöffnungen (7, 8) erstreckt, jeweils kleiner ist als der Kerndurchmesser (dK) und maximal 0,5 mm beträgt.
  3. Lageranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der radial äußere Bohrungsabschnitt (11) der Einspeiseöffnungen (7, 8) jeweils um etwa 10° bis 15° nach radial innen axial in Richtung des zugeordneten Wälzlagers (2, 3) geneigt ist, wogegen der radial innere Bohrungsabschnitt (12) der Einspeiseöffnungen (7, 8) jeweils exakt radial ausgerichtet ist.
  4. Verfahren zur Herstellung eines Lageraußenrings (4) für eine Lageranordnung einer Rotorwelle, insbesondere eines Abgasturboladers, mit zwei axial beabstandet zwischen einer Gehäusebohrung und der Rotorwelle angeordneten Wälzlagern (2, 3), die einen gemeinsamen Lageraußenring (4) mit mindestens zwei weitgehend radialen Einspeiseöffnungen (7, 8) zur Zufuhr von Schmier- und Kühlöl zu den Wälzlagern (2, 3) aufweisen, wobei die Einspeiseöffnungen (7, 8) jeweils axial innen benachbart zu dem zugeordneten Wälzlager (2, 3) angeordnet sowie und einen kreisrunden Drosselquerschnitt mit einem Kerndurchmesser (dK) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspeiseöffnungen (7, 8) jeweils als eine zylindrische Stufenbohrung mit einem radial äußeren Bohrungsabschnitt (11) und einem radial inneren Bohrungsabschnitt (12) hergestellt werden, dass der radial äußere Bohrungsabschnitt (11) mit einem deutlich größeren Durchmesser (dA) als dem Kerndurchmesser (dK) sowie als eine bis an eine Restwandstärke (tR) des Lageraußenrings (4) heranreichende Sacklochbohrung durch Bohren mit einem Spiralbohrer von radial außen nach radial innen hergestellt wird, und dass der radial innere Bohrungsabschnitt (12) mit dem Kerndurchmesser (dK) als eine über die Restwandstärke (tR) des Lageraußenrings (4) verlaufende Durchgangsöffnung durch Ausstanzen mit einem Stanzwerkzeug von radial innen nach radial außen hergestellt wird.
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