DE102013213172A1

DE102013213172A1 - Abgasturbolader

Info

Publication number: DE102013213172A1
Application number: DE102013213172.0A
Authority: DE
Inventors: Guido Daimer
Original assignee: Bosch Mahle Turbo Systems GmbH and Co KG
Current assignee: BMTS Technology GmbH and Co KG
Priority date: 2013-07-04
Filing date: 2013-07-04
Publication date: 2015-01-08
Also published as: US9689425B2; US20150010387A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgasturbolader (1) mit einem Rotor (2), der über ein Wälzlager (3) in einem Lagergehäuse (4) des Abgasturboladers (1) gelagert ist, wobei das Wälzlager (3) eine Außenschale (8), eine Innenschale (9) sowie dazwischen laufende Wälzkörper (10) umfasst. Erfindungswesentlich ist dabei, dass zumindest ein ringförmiges und Schwingungsschall absorbierendes Membranfederelement (7) vorgesehen ist, das zwischen der Außenschale (8) des Wälzlagers (3) und dem Lagergehäuse (4) angeordnet ist und das den Rotor (2) in Radialrichtung und Axialrichtung schwingungsisolierend gegenüber dem Lagergehäuse (4) lagert. Hierdurch ist eine optimierte schwingungsdämpfende Lagerung des Rotors (2) möglich.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgasturbolader mit einem Rotor, der über ein Wälzlager in einem Lagergehäuse des Abgasturboladers gelagert ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein Membranfederelement für einen derartigen Abgasturbolader.
Aus der DE 10 2004 004 870 A1 ist ein gattungsgemäßer Abgasturbolader mit einem Rotor bekannt, der über ein Wälzlager in einem Lagergehäuse des Abgasturboladers gelagert ist. Das Wälzlager besitzt dabei eine Außenschale, eine Innenschale sowie dazwischen laufende Wälzkörper. Die Außenschale oder eine diese hülsenartig umfassende Aufnahme ist dabei mittels einer Halterung oder Arretierung aus einem Körperschallschwingungen dämpfenden Material am Lagergehäuse in eine Solllage gespannt und/oder in der Solllage fixiert. Hierdurch soll insbesondere eine Übertragung von Körperschall zwischen dem Rotor und dem Lagergehäuse zumindest minimiert werden.
Aus der WO 2012/079882 A1 ist ein weiterer gattungsgemäßer Abgasturbolader bekannt, bei welchem die Außenschale eines Wälzlagers über einen Federring gegenüber dem Lagergehäuse federnd gelagert ist.
Generell werden zur Verbesserung des mechanischen Wirkungsgrades bei modernen Abgasturboladern Wälzlager anstelle von Gleitlagern eingesetzt. Eine Wälzlagerkartusche des Wälzlagers wird dabei oftmals über einen Quetschölfilm gegenüber dem Lagergehäuse gelagert. Hierdurch sollen insbesondere belastungskritische Eigenfrequenzen des Rotors, die zu starken Verformungen des Rotors führen, besser gedämpft werden können. Ein derartiger Quetschölfilm dämpft zwar den Rotor in Radialrichtung, nicht jedoch in Axialrichtung, so dass dort durch einen direkten Bauteilkontakt beispielsweise zwischen dem Lagergehäuse und dem Wälzlager trotz allem eine signifikante Körperschallübertragung erfolgen kann, die je nach Restunwucht bzw. Drehzahl des Rotors in nicht akzeptable Bereiche dringt.
Selbstverständlich gibt es generell Ansätze zur Schwingungsdämpfung bzw. Isolation in Abgasturboladern, wobei diese Ansätze oftmals unter Verwendung von Kunststoffen bzw. Elastomeren bewerkstelligt werden, die ein sehr stark temperaturabhängiges Dämpfungsverhalten aufweisen und somit keine ausreichende akustische Schwingungsdämpfung bzw. Schwingungsisolation ermöglichen. Des Weiteren gibt es bislang keine Kunststoffe, welche ausreichend temperaturstabil sind, um beispielsweise die gesamte Lebensdauer auf der Turbinenseite eines Abgasturboladers eingesetzt werden zu können.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für einen Abgasturbolader der gattungsgemäßen Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine deutlich verbesserte Schwingungsdämpfung bezüglich eines Rotors 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, ein ringförmiges und schwingungsschallabsorbierendes Membranfederelement zur schwingungsisolierenden Lagerung eines Rotors und zwar sowohl in Radialrichtung als auch in Axialrichtung in einem Lagergehäuse eines Abgasturboladers einzusetzen, was zum einen deutlich schallemissionsärmeren Betrieb des Abgasturboladers ermöglicht und zugleich einen bisher erforderlichen Quetschölfilm erübrigt. Der erfindungsgemäße Abgasturbolader weist einen Rotor auf, der in bekannter Weise über ein Wälzlager im Lagergehäuse gelagert ist. Das Wälzlager umfasst dabei eine Außenschale, eine Innenschale wie dazwischen laufende Wälzkörper, beispielsweise Nadeln oder Kugeln. Erfindungsgemäß ist nun zumindest ein, vorzugsweise sind zwei ringförmige und schwingungsschallabsorbierende Membranfederelemente vorgesehen, welche zwischen der Außenschale des Wälzlagers und dem Lagergehäuse angeordnet sind und welche den Rotor sowohl in Radialrichtung als auch in Axialrichtung schwingungsreduzierend bzw. schwingungsisolierend gegenüber dem Lagergehäuse lagern. Durch das erfindungsgemäße Membranfederelement ist somit der Rotor nicht wie bisher nur in Radialrichtung, beispielsweise mittels des Quetschölfilms, schwingungsisolierend gelagert, sondern zugleich auch in Axialrichtung, so dass eine in diesem Bereich bisher auftretende Körperschallübertragung nun unterbunden werden kann. Durch den Einsatz beispielsweise zweier derartiger Membranfederelemente und zwar auf der Verdichterseite und der Turbinenseite, kann bei einer entsprechenden Federsteifigkeit eine optimierte Schwingungsisolation erzielt werden, ohne durch zu viel Dämpfung, wie beispielsweise durch elastomere Dämpfkörper, dieses Potential zu reduzieren. Neben dem Entfall des bisher erforderlichen Quetschölfilms können dank des erfindungsgemäßen Membranfederelements auch höhere Fertigungstoleranzen in Bezug auf das Lagergehäuse bzw. das Wälzlager in Kauf genommen werden, wodurch die Fertigungskosten für diese Teile reduziert werden können. Das erfindungsgemäße Membranfederelement kann dabei je nach individuell gewählter Ausführung nahezu unabhängig voneinander hinsichtlich der axialen und radialen Steifigkeit ausgebildet werden und lässt somit eine individuelle Anpassung an die jeweils geltenden Anforderungen zu. Die Federsteifigkeit kann beispielsweise bei Auswahl eines entsprechenden Federstahls deutlich unabhängiger von der Temperatur gehalten werden, als dies beispielsweise mit Kunststoffen möglich ist. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Membranfederelements liegt im Entfall einer zusätzlichen Verdrehsicherung zwischen dem Wälzlager und dem Lagergehäuse, da das Membranfederelement üblicherweise sowohl fest mit dem Wälzlager als auch fest mit dem Lagergehäuse, beispielsweise direkt oder indirekt, verbunden ist.
Zweckmäßig weist das Membranfederelement einen äußeren Ring und einen über Rippen damit verbundenen inneren Ring auf. Die Rippen sind dabei unter einem Winkel zur Radialrichtung zwischen dem äußeren Ring und dem inneren Ring angeordnet und können beispielsweise gerade oder aber mäanderförmig ausgebildet sein. Je nach Anzahl der gewählten Rippen und je nach gewähltem Verlauf der Rippen kann die Federsteifigkeit des Membranfederelements individuell und bedarfsgerecht eingestellt werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist das Membranfederelement in der Außenschale des Wälzlagers und/oder direkt bzw. indirekt am Lagergehäuse fixiert, insbesondere angeschweißt, eingespannt oder aufgebördelt. Die Anbindung des Membranfederelements sowohl am Wälzlager als auch am Lagergehäuse ermöglicht die axiale Fixierung des Wälzlagers bzw. des Rotors unter gleichzeitiger schwingungsdämpfender Anbindung bzw. Lagerung. Das erfindungsgemäße Membranfederelement ermöglicht somit nicht nur eine radiale Schwingungsdämpfung, sondern zugleich auch eine Schwingungsdämpfung in Axialrichtung, wodurch insbesondere vermieden werden kann, dass der Rotor in Axialrichtung beispielsweise gegen das Lagergehäuse anläuft und dadurch in diesem Bereich eine inakzeptable Körperschallübertragung stattfindet. Durch die feste Anbindung des Membranfederelements am Lagergehäuse bzw. am Wälzlager kann zudem eine zusätzliche bisher erforderliche Verdrehsicherung entfallen, wodurch ebenfalls ein Kostenvorteil erzielt werden kann. Die Anbindung des Membranfederelements am Lagergehäuse kann dabei entweder direkt, das heißt durch eine direkte Anbindung des Außenrings des Membranfederelements am Lagergehäuse, oder indirekt, das heißt durch eine Anbindung des Außenrings des Membranfederelements an einem zwischen dem Lagergehäuse und dem Membranfederelement angeordneten Haltering erfolgen. Dabei ist denkbar, dass dieser Haltering zumindest teilweise aus Kunststoff ausgebildet ist, insbesondere einen elastomeren Kontaktbereich aufweist, über welchen er mit dem Membranfederelement in Kontakt steht. Ein derartiger elastomerer Kontaktbereich kann die körperschalldämpfende Wirkung des erfindungsgemäßen Membranfederelements zusätzlich unterstützen.
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:
1 eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Abgasturbolader im Bereich eines dort zur Lagerung eines Rotors eingesetzten Membranfederelements,
2 eine Darstellung wie in 1, jedoch bei einem anders ausgestalteten Haltrings,
3 eine Ansicht auf ein erfindungsgemäßes Membranfederelement. Entsprechend den 1 und 2, weist ein erfindungsgemäßer Abgasturbolader 1 einen Rotor 2 auf, der über ein Wälzlager 3 in einem Lagergehäuse 4 des Abgasturboladers 1 gelagert ist. Das Wälzlager 3 weist eine Außenschale 8, eine Innenschale 9 sowie dazwischen laufende Wälzkörper 10, beispielsweise Kugeln, auf. Die Außenschale 8 ist vorzugsweise einteilig und die Innenschale 9 ist vorzugsweise mehrteilig ausgebildet. Der Rotor 2 besteht dabei aus einer Welle 5 und einem daran längsendseitig angeordneten Turbinen- oder Verdichterrad 6. Um nun den Rotor 2 insbesondere hinsichtlich kritischer Eigenfrequenzen möglichst körperschallreduzierend im Lagergehäuse 4 lagern zu können, ist ein ringförmiges und schwingungsschallabsorbierendes Membranfederelement 7 vorgesehen, zwischen der Außenschale 8 des Wälzlagers 3 und dem Lagergehäuse 4 angeordnet ist und welches den Rotor 2 sowohl in Axialrichtung als auch in Radialrichtung schwingungsisolierend gegenüber dem Lagergehäuse 4 lagert.
Bei bisherigen Lagerungen des Rotors 2 bestand oftmals das Problem, dass dieser zwar körperschallschwingungsreduzierend in Radialrichtung, nicht aber in Axialrichtung im Lagergehäuse gelagert war, so dass bei einem Anlaufen des Rotors in Axialrichtung gegen das Lagergehäuse eine unter Umständen direkte Körperschallübertragung stattfinden konnte. Bei dem erfindungsgemäßen Abgasturbolader 1 ist dies nicht mehr möglich, da das Membranfederelement 7 an der Außenschale 8 des Wälzlagers 3 und direkt bzw. indirekt über einen Haltering 11 am Lagergehäuse 4 fixiert, insbesondere eingeschweißt, eingespannt oder aufgebördelt, ist. Durch die Fixierung des Membranfederelements 7 einerseits am Wälzlager 3 und andererseits direkt oder indirekt am Lagergehäuse 4 kann sich der Rotor 2 nur begrenzt in Axialrichtung 12 bewegen und dies zudem noch lediglich gefedert. Die Anbindung des Membranfederelements 7 an der Außenschale 8 des Wälzlagers 3 kann beispielsweise durch eine entsprechende Nut 12 an der Außenschale 8 bewirkt werden, in welche das Membranfederelement 7 mit einem inneren Ring 13 eingreift. Generell ist das Membranfederelement 7 aus dem inneren Ring 13, einem äußeren Ring 14 sowie die beiden Ringe 13, 14 verbindenden Rippen 15 aufgebaut (vergleiche 3). Das Membranfederelement 7 kann dabei auch mit seinem äußeren Ring 14 in entsprechenden Nuten, beispielsweise am Haltering 11 oder am Lagergehäuse 4 eingelassen und damit fixiert sein.
Generell kann das Membranfederelement 7 aus Metall ausgebildet sein, insbesondere in kostengünstiger und wirtschaftlicher Weise als Stanzteil hergestellt werden. Betrachtet man das Membranfederelement 7 gemäß der 3, so kann man erkennen, dass die Rippen 15 unter einem Winkel zur Radialrichtung angeordnet und zudem mäanderförmig ausgebildet sind. Selbstverständlich ist auch eine gerade Ausbildung der einzelnen Rippen schräg zur Radialrichtung vorstellbar. Betrachtet man die 3 genauer, so kann man erkennen, dass die Rippen 15 vom inneren Ring 13 an einer ersten Anbindungsstelle 16 radial in Richtung des äußeren Rings 14 abgehen und vom äußeren Ring 14 an einer zweiten Anbindungsstelle 17 radial in Richtung des inneren Rings 13. Die beiden Anbindungsstellen 16, 17 liegen dabei nicht auf einem gemeinsamen Radialstrahl, sondern sind in Umfangsrichtung zueinander versetzt, wodurch die schräge Ausrichtung der einzelnen Rippen 15 und damit auch deren Federwirkung resultiert.
Die gemäß der 3 gezeigte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Membranfederelements 7 stellt dabei lediglich eine mögliche Ausführungsform dar, wobei auch andere Ausführungsformen denkbar sind, bei welchen die Rippen 15 insbesondere gerade und nicht mäanderförmig ausgebildet sind.
Betrachtet man den Haltering 11 gemäß der 2, so kann man erkennen, dass dieser zumindest teilweise aus Kunststoff ausgebildet ist, insbesondere einen elastomeren Kontaktbereich 18 aufweist, über welchen er mit dem Membranfederelement 7 in Kontakt steht. Durch die Anbindung des äußeren Rings 14 des Membranfederelements 7 am elastomeren Kontaktbereich 18 des Halterings 11 kann zusätzlich eine körperschallübertragende Isolierung erzielt werden. Mit dem erfindungsgemäßen Membranfederelement 7 und darüber auch mit dem erfindungsgemäßen Abgasturbolader 1 lässt sich eine optimierte Lagerung des Rotors 2 im Lagergehäuse 4 des Abgasturboladers 1 erreichen, welche insbesondere ohne Quetschölfilm auskommt. Zudem können auch größere Toleranzen im Hinblick auf einen Innendurchmesser des Lagergehäuses 4 bzw. einen Außendurchmesser der Außenschale 8 des Wälzlagers 3 in Kauf genommen werden, wodurch aufgrund der reduzierten Genauigkeitsanforderungen die beschriebenen Teile mit geringeren Kosten herstellbar sind. Den beim Betrieb des Abgasturboladers 1 auftretenden axialen und radialen Kräften des Rotors 2 wirken dabei entsprechende Federkräfte dem Membranfederelement 7 entgegen und dämpfen dadurch die Schwingungen. Selbstverständlich ist auch eine Einspannung des Membranfederelements 7 zwischen zwei elastomeren Bereichen 18 entsprechender Halteringe 11 denkbar, wodurch eine Körperschallübertragung an das Lagergehäuse 4 zusätzlich reduziert werden kann. Das Membranfederelement 7 kann einfach auf die Außenschale 8 des Wälzlagers 3 aufgeschoben bzw. aufgesteckt werden, wobei auch denkbar ist, dass die Außenschale 8 aus zwei Halbschalen besteht, wodurch ebenfalls das Handling bzw. die Montage verbessert werden.
Über die Werkstoffauswahl für das Membranfederelement 7 und insbesondere auch die geometrische Anordnung bzw. Ausrichtung der einzelnen Rippen 15 sowie deren Anzahl lässt sich die axiale bzw. radiale Federsteifigkeit des Membranfederelements 7 individuell einstellen. Durch die Ausbildung des Membranfederelements 7 als kostengünstiges Blechstanzteil ist dieses nicht nur widerstandsfähig und über die gesamte Lebensdauer des Abgasturboladers 1 einsetzbar, sondern zudem auch kostengünstig herstellbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004004870 A1 [0002]
WO 2012079882 A1 [0003]

Claims

Abgasturbolader (1) mit einem Rotor (2), der über ein Wälzlager (3) in einem Lagergehäuse (4) des Abgasturboladers (1) gelagert ist, wobei das Wälzlager (3) eine Außenschale (8), eine Innenschale (9) sowie dazwischen laufende Wälzkörper (10) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein ringförmiges und Schwingungsschall absorbierendes Membranfederelement (7) vorgesehen ist, das zwischen der Außenschale (8) des Wälzlagers (3) und dem Lagergehäuse (4) angeordnet ist und das den Rotor (2) in Radialrichtung und Axialrichtung schwingungsisolierend gegenüber dem Lagergehäuse (4) lagert.
Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Membranfederelement (7) aus Metall ausgebildet ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Membranfederelement (7) einen äußeren Ring (14) und einen über Rippen (15) damit verbundenen inneren Ring (13) aufweist.
Abgasturbolader nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (15) unter einem Winkel zur Radialrichtung angeordnet sind.
Abgasturbolader nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, – dass die Rippen (15) vom inneren Ring (13) an einer ersten Anbindungsstelle (16) radial in Richtung des äußeren Rings (14) abgehen, – dass die Rippen (15) vom äußeren Ring (14) an einer zweiten Anbindungsstelle (17) radial in Richtung des inneren Rings (13) abgehen, – dass die erste und die zweite Anbindungsstelle (16,17) nicht auf einem gemeinsamen Radialstrahl liegen.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Membranfederelement (7) als Stanzteil ausgebildet ist.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Lagergehäuse (4) und dem Membranfederelement (7) ein Haltering (11) angeordnet ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Membranfederelement (7) an der Außenschale (8) des Wälzlagers (3) und/oder direkt oder indirekt über den Haltering (11) am Lagergehäuse (4) fixiert, insbesondere angeschweißt, eingespannt oder aufgebördelt, ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Haltering (11) zumindest teilweise aus Kunststoff ausgebildet ist, insbesondere einen elastomeren Kontaktbereich (18) aufweist, über welchen er mit dem Membranfederelement (7) in Kontakt steht.
Membranfederelement (7) für einen Abgasturbolader (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Membranfederelement (7) einen äußeren Ring (14) und einen über Rippen (15) damit verbundenen inneren Ring (13) aufweist.
Membranfederelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, – dass die Rippen (15) vom inneren Ring (13) an einer ersten Anbindungsstelle (16) radial in Richtung des äußeren Rings (14) abgehen, – dass die Rippen (15) vom äußeren Ring (14) an einer zweiten Anbindungsstelle (17) radial in Richtung des inneren Rings (13) abgehen, – dass die erste und die zweite Anbindungsstelle (16,17) nicht auf einem gemeinsamen Radialstrahl liegen.