Wälzlagerung

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wälzlagerung für Turbolader. Im Besonderen umfasst die Wälzlagerung ein Lager und eine Läuferwelle. Die Läuferwelle hat eine erste Innenlaufbahn und eine zweite Innenlaufbahn für das La- ger ausgebildet. Für die Aufnahme von Wälzkörpern sind ein erster Käfig und ein zweiter Käfig vorgesehen. Ferner sind ein erster Außenring und ein zweiter Außenring mit jeweils einer Außenlaufbahn vorgesehen. Die Wälzkörper rollen zwischen der ersten Innenlaufbahn bzw. der zweiten Innenlaufbahn und der jeweiligen Außenlaufbahn ab. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Montage einer Wälzlagerung.

Hintergrund der Erfindung

Turbolader für PKW-Anwendungen werden üblicherweise mit einer Läuferwelle ausgeführt, die durch zwei Gleitlager radial gelagert wird. Bei LKW- Anwendungen werden bereits vereinzelt Wälzlagerungen eingesetzt. Der Ein- satz von Wälzlagerungen bei LKW-Anwendungen ist aufgrund der hier auftretenden niedrigen Drehzahlen möglich.

Der derzeitige Stand der Technik bei Wälzlagerungen in Turboladern ist eine Einheit, in der zwei Wälzlager in Form einer sogenannten Cartridge zusam- mengefasst sind. Diese Bauweise wird derzeit aufgrund der einfachen Integ- rierbarkeit dieses Systems in vorhandene Anwendungen von Kunden bevorzugt. Zum Einsatz kommen hierbei insbesondere Werkstoffe, wie z. B. M50 aus dem Bereich der Luft- und Raumfahrttechnik, um die hohen thermischen Anforderungen sicher erfüllen zu können. Üblicherweise werden vom Anbieter des Turboladers sämtliche Komponenten montiert, die er von Unterlieferanten bezieht. So auch bei der Welle, den Turbinen- und Verdichter-Rädern, den Gleitlagern bzw. Wälzlagereinheiten, sowie auch allen übrigen Komponenten. Hieraus ergibt sich somit ein hohes Risiko bzw. ein hoher Aufwand für den Turbolader-Produzenten, die verschiedenen Komponenten bei Lieferanten aufeinander abzustimmen. Der Kunde steckt die fertig montierte Lagereinheit dann auf die Turbinenwelle und montiert diese dann später im Lagergehäuse.

Die deutsche Patentanmeldung DE 10 2010 054 939 A1 offenbart eine Lager- anordnung für einen Turbolader. Die Lageranordnung für einen Turbolader um- fasst ein sich in einer axialen Richtung erstreckendes Lagergehäuse. Innerhalb des Lagergehäuses ist ein Wälzlager angeordnet, das einen äußeren Lagerring und eine Vielzahl von Wälzkörpern aufweist. Innerhalb des Lagergehäuses ist drehbar eine sich axial erstreckende Welle gelagert. Die Welle selbst hat eine Wälzkörperlaufbahn (Innenlaufbahn) ausgebildet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellungskosten für einen Turbolader mit wälzgelagerter Laufwelle zu reduzieren. Hinzu kommt, dass der Bauraum der wälzgelagerten Wälzlagerung reduziert und dabei gleichzeitig eine Gewährleistung sämtlicher Vorteile einer Wälzlagerung in Turboladern ge- geben ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Wälzlagerung für einen Turbolader gelöst, die die Merkmale des Anspruchs 1 umfasst.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren zu schaffen, dass die Montage einer Wälzlagerung kostenoptimal und auf einem reduzierten Bau- räum durchführbar ist, wobei es möglich sein soll, die Wälzlagerung einem Kunden als fertige Einheit zu liefern.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Montage einer Wälzlagerung gelöst, das die Merkmale des Anspruchs 8 umfasst. Die erfindungsgemäße Wälzlagerung für Turbolader umfasst dabei ein Lager und eine Läuferwelle, sowie einen ersten Käfig und einen zweiten Käfig zur Aufnahme von Wälzkörpern. Ebenso sind der Läuferwelle ein erster Außenring und ein zweiter Außenring mit jeweils einer Außenlaufbahn zugeordnet. In der Läuferwelle sind dabei eine erste Innenlaufbahn und eine zweite Innenlaufbahn für das Lager ausgeformt.

Am ersten Außenring und am zweiten Außenring ist je eine klauenförmige Ausbildung ausgebildet, so dass der erste Außenring und der zweite Außenring, vergleichbar mit einer Klauenkupplung, formschlüssig aneinander gehalten werden. Diese klauenförmigen Ausbildungen wirken in montiertem Zustand des Lagers derart zusammen, dass sich ein Freiraum ausbildet, der zur Läuferwelle hin offen ist. Dieser Freiraum dient als Ölrücklauf.

Bei der Herstellung einer Läuferwelle eines Turboladers werden die erste Innenlaufbahn und die zweite Innenlaufbahn ausgebildet, die jeweils für die Aufnahme der Wälzkörper dienen. Durch die Ausbildung der ersten Innenlaufbahn und der zweiten Innenlaufbahn entfallen die separaten Innenringe für die Lagerung der Läuferwelle. Somit muss die Läuferwelle nicht mehr auf ganzer Fläche geschliffen werden. Es reicht in diesem Fall, wenn die erste Innenlaufbahn und die zweite Innenlaufbahn, der axiale Anlaufpunkt, der Verdichterradsitz und die Position des später anzuschweißenden Turbinenrades geschliffen werden.

Der erste Außenring und der zweite Außenring des Lagers sind wie bei einer Klauenkupplung ausgekammert. Jeder der zwei Außenringe hat eine identische Außenlaufbahn für die Wälzkörper ausgebildet. Der erste und der zweite Außenring sind gespiegelt auf der Läuferwelle angeordnet und absolut identisch. Der Bezug zwischen den beiden Lagerstellen erfolgt über die ohnehin einteilige Läuferwelle, welche extrem hohen Genauigkeitsanforderungen unterliegt, wobei die beiden Innenlaufbahnen der Wälzlagerung in die Läuferwelle eingebracht sind. Zwischen dem ersten Außenring und dem zweiten Außenring ist ein Spalt vorgesehen. In diesem Spalt ist ein Sicherungselement angebracht, wodurch das Lagerspiel und die Position des ersten Außenrings und des zweiten Außenrings in Richtung der Achse der Läuferwelle zueinander eingestellt werden können.

Auch sichert das Sicherungselement den ersten Außenring und den zweiten Außenring gegen Verdrehen und verbindet die beiden Außenringe formschlüssig miteinander. Die Einstellung erfolgt darüber, dass man die Klammern mit unterschiedlichen Material- bzw. Blechdicken fertigt und dann das Sicherungs- element zwischen einem Spalt des ersten Außenrings und des zweiten Außenrings, welcher sich im montierten Zustand des Lagers ausbildet, anbringt. Dabei befindet sich eine Nase des Sicherungselements in dem Spalt zwischen dem ersten Außenring und dem zweiten Außenring. Das Sicherungselement kann gemäß einer möglichen Ausführungsform aus Blech hergestellt und somit als Blechklammer ausgeführt sein.

Die Sicherung gegen Verdrehen kann auch gemäß dem Stand der Technik durch eine Schlüsselfläche am Außendurchmesser erfolgen, gegen die dann eine Schraube drückt, welche wiederum in ein Gehäuse eingeschraubt wird.

Am Ende der Läuferwelle, zum Turbinenrad hin, sind Wärmedrosselnuten aus- gebildet. Diese erlauben es, in der Schweißmaschine beim Kunden ein zweiteiliges Abdeckblech aufzunehmen. Das Abdeckblech rastet beim Schweißvorgang in diese Nut ein und verhindert so beim Kunden ein Eindringen von Verschmutzungen und Schweißspritzern während des Schweißvorgangs. Auf diese Weise ist es möglich, die weitere Bearbeitung mit dem Lager durchzuführen und auch die Einheit mitsamt dem Turbinengehäuse an die Kunden auszuliefern.

Bei dem Verfahren zur Montage einer Wälzlagerung wird zunächst ein erster Käfig mit Wälzkörpern auf eine in einer Läuferwelle ausgebildete erste Innen- laufbahn aufgesetzt. Anschließend wird der erste Außenring derart montiert, dass die Wälzkörper des ersten Käfigs mit der ersten Innenlaufbahn und einer Außenlaufbahn des ersten Außenrings zusammenwirken. Anschließend wird die Montage eines zweiten Außenrings auf der Läuferwelle durchgeführt, wobei der erste Außenring und der zweite Außenring teilweise axial ineinander greifen. Schließlich wird ein zweiter Käfig mit Wälzkörpern auf eine in der Läuferwelle ausgebildete zweite Innenlaufbahn gesetzt. Zum Abschluss wird der zweite Außenring gegenüber dem ersten Außenring herausgezogen und verdreht, so dass die klauenförmigen Ausbildungen des ersten Außenrings und des zweiten Außenrings sich formschlüssig miteinander verbinden.

Zum sicheren Halt zwischen dem ersten Außenring und dem zweiten Außenring wird ein Sicherungselement in einem Spalt zwischen dem ersten Außenring und dem zweiten Außenring angebracht. Wie bereits oben erwähnt, ist es möglich, mit dem Sicherungselement das Lagerspiel und die Position des ers- ten Außenrings und des zweiten Außenrings in Richtung der Achse A der Läuferwelle einzustellen.

Im Folgenden sollen Ausführungsbeispiele die Erfindung und ihre Vorteile anhand der beigefügten Figuren näher erläutern. Die Größenverhältnisse in den Figuren entsprechen nicht immer den realen Größenverhältnissen, da einige Formen vereinfacht und andere Formen zur besseren Veranschaulichung vergrößert im Verhältnis zu anderen Elementen dargestellt sind. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Läuferwelle für eine Gleitlagerung, gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Läuferwelle mit auf der Läuferwelle ausgeformten Innenlaufbahnen für Wälzkörper;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Läuferwelle mit montiertem ersten Käfig und ersten Außenring; Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Läuferwelle mit montiertem ersten Käfig, ersten Außenring und zweiten Außenring;

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Läuferwelle mit montiertem ersten Käfig, zweiten Käfig, ersten Außenring und zweiten Außenring; Fig. 6 eine schematische Darstellung, bei der sich der erste Außenring und der zweite Außenring in der Endposition befinden und formschlüssig aneinander gehalten werden;

Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Wälzlagerung, die aus der

Läuferwelle und dem Lager besteht; Fig. 8A eine Schnittansicht des Sicherungselements entlang der Achse der Läuferwelle; und

Fig. 8B eine Ansicht des Sicherungselements aus Richtung der Achse der Läuferwelle.

Für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung werden identische Bezugszeichen verwendet. Ferner werden der Übersicht halber nur Bezugszeichen in den einzelnen Figuren dargestellt, die für die Beschreibung der jeweiligen Figur erforderlich sind. Die dargestellten Ausführungsformen stellen lediglich Beispiele dar, wie die erfindungsgemäße Wälzlagerung ausgeführt sein kann, bzw. wie sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Wälzlageranordnung darstellt.

Fig. 1 zeigt eine Läuferwelle 20 mit einer Gleitlagerung 15 gemäß dem Stand der Technik. An dem der Gleitlagerung 15 folgendem Ende der Läuferwelle 20 ist eine Wärmedrosselnut 23 ausgebildet.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäß ausgestalte- ten Läuferwelle 20. Die Läuferwelle 20 hat in einem Bereich eine erste Innenlaufbahn 21 und eine zweite Innenlaufbahn 22 integriert. Bei der Herstellung der Läuferwelle 20, wird aufgrund der benötigten Genauigkeiten ein Einstechschleifverfahren angewendet. Während dieses Einstechschleifverfahrens werden die erste Innenlaufbahn 21 und die zweite Innenlaufbahn 22 auf der Läuferwelle 20 ausgebildet. An dem Bereich 25, in dem die erste Innenlaufbahn 21 und die zweite Innenlaufbahn 22 ausgebildet sind, schließt sich die Wärmedrosselnut 23 an.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung der Wälzlagerung 1 , bei der bereits der erste Außenring 2 auf der Läuferwelle 20 aufgebracht ist. Ebenso ist ein erster Käfig 4 mit Wälzkörpern 7 vorgesehen, der derart angeordnet ist, dass die Wälzkörper 7 des ersten Käfigs 4 mit der ersten Innenlaufbahn 21 und der am ersten Außenring 2 ausgebildeten Außenlaufbahn 1 1 zusammenwirken. Der erste Außenring 2 hat mindestens eine klauenförmige Ausbildung 6 ausgeformt, die in Richtung der Achse A der Läuferwelle 20 ausgerichtet ist.

Fig. 4 zeigt eine Ansicht der Wälzlagerung 1 , bei der zusätzlich zum ersten Außenring 2, der zweite Außenring 3 auf dem Bereich 25 der Läuferwelle 20 aufgebracht ist. Der erste Außenring 2 und der zweite Außenring 3 sind dabei derart ineinander geschoben, dass die zweite Innenlaufbahn 22 der Läuferwelle zugänglich ist.

Fig. 5 zeigt die Darstellung der Wälzlagerung 1 , bei der ein zweiter Käfig 5 mit Wälzkörpern 7, welche bevorzugt als Kugeln ausgebildet sind, in die zweite Innenlaufbahn 22 der Läuferwelle 20 eingebracht sind. Durch die Anordnung des ersten Außenrings 2 und des zweiten Außenrings 3 auf der Läuferwelle 20 ist somit ein Lager 10 ausgebildet.

Fig. 6 zeigt die Anordnung, bei der der erste Außenring 2 und der zweite Au- ßenring 3 des Lagers 10 gegeneinander verdreht und auseinandergezogen worden sind. Durch das Verdrehen und Auseinanderziehen des ersten Außenrings 2 und des zweiten Außenrings 3 bildet sich ein Freiraum 35 aus, der zum Bereich 25 der Läuferwelle 20 hin offen ist. Die so entstehenden Freiräume 35 dienen als Ölrücklauf. Durch die Positionierung, welche über das Herausziehen und anschließendes Verdrehen des zweiten Außenrings 3 gegenüber dem ersten Außenring 2 erfolgt, liegen somit auch die Wälzkörper 7 des zweiten Käfigs 5 an der zweiten Innenlaufbahn 22 und an der Außenlaufbahn 1 1 des zweiten Außenrings 3 an.

Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung der Wälzlagerung 1 , bei der der erste Außenring 2 und der zweite Außenring 3 auf der Läuferwelle 20 montiert sind. Das Lager 10 ist somit aus dem ersten Außenring 2 und dem zweiten Außenring 3 gebildet. Der erste Außenring 2 und der zweite Außenring 3 werden durch ein Sicherungselement 30 (s. Fig. 8A und Fig. 8B) im auf der Läuferwelle 20 montierten Zustand zusammengehalten.

Wie in Fig. 8A und Fig. 8B dargestellt ist, besitzt das Sicherungselement 30 eine Nase 31 . Diese Nase 31 greift dabei in einen Spalt 8 zwischen dem ersten Außenring 2 und dem zweiten Außenring 3 ein. Durch das Sicherungselement erzielt man dabei eine Verdrehsicherung gegenüber dem ersten Außenring 2 und dem zweiten Außenring 3. Das Sicherungselement 30 ist dabei idealerweise aus Blech mittels eines Umform prozesses hergestellt. Durch die Herstellung von Sicherungselementen 30 mit unterschiedlichen Blechdicken (Materialdicken) ist es möglich, das Spiel des Lagers 10 hinreichend genau einzustellen. Ferner wird durch das Sicherungselement der erste Außenring 2 und der zweite Außenring 3 zueinander in Position gehalten. Wie bereits erwähnt, kann durch den Einsatz eines geeigneten Sicherungselements mit entsprechender Materialdicke ein Längenausgleich zwischen der ersten Innenlaufbahn 21 und der zweiten Innenlaufbahn 22 hergestellt werden. Wie aus Fig. 7 zu erkennen ist, schließt sich an das Lager 10 eine Wärmedrosselnut 23 an. Die Wärmedrosselnut 23 ist am Ende 26 der Läuferwelle zum Turbinenrad hin ausgebildet. Die Wärmedrosselnut 23 erlaubt es, in der Schweißmaschine beim Kunden ein zweiteiliges Abdeckblech (nicht dargestellt) aufzunehmen. Das Abdeckblech rastet beim Schweißvorgang in die Wärmedrosselnut 23 ein und verhindert so, dass beim Kunden ein Eindringen von Verschmutzungen und Schweißspritzern während des Schweißvorgangs erfolgt. Auf diese Weise ist es möglich, die weitere Bearbeitung der Wälzlagerung 1 durchzuführen und auch die Wälzlagerung 1 aus Läuferwelle 20 und Lager 10 mitsamt dem Turbinengehäuse (nicht dargestellt) an den Kunden auszuliefern.

Bezugszeichenliste

1 Wälzlagerung

2 erster Außenring

3 zweiter Außenring

4 erster Käfig

5 zweiter Käfig

6 klauenförnnige Ausbildung

7 Wälzkörper

8 Spalt

0 Lager

1 Außenlaufbahn

5 Gleitlagerung

0 Läuferwelle

1 erste Innenlaufbahn

2 zweite Innenlaufbahn

3 Wärmedrosselnut

5 Bereich

6 Ende Läuferwelle

0 Sicherungselement

1 Nase

5 Freiraum

A Achse