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N O D H I O E A S M I O u E N l O A N G A D F J G I O J E R u I N K O P J E W l S P N Z A D F T O I E O H O I O O A N G A D F J G I O J E R u I N K O P O A N G A D F J G I O J E RO I E u G I A F E D O N G I u A M u H I O G D N O I E R N G M D S A u K Z Q I N K J S l O G D W O I A D u I G I R Z H I O G D N O I E R N G M D S A u K N M H I O G D N O I E R N GE Q T F C X V N H O u b T J b Z G V T F C R D X E S N W A N K R E W S P l O C Y Q D M F E F b S A T b G P D R D D l R A E F b A F V N K F N K R E W S P D l R N E F b A F V N K F Nu D M P b D b H M G R X b D P b D l D b E u b A F V N K F N K R E W S P l O C Y Q D M F E F b S A T b G P D b D D l R b E Z b A F V R K F N K R E W S P Z l R b E O b A F V N K F NA A T R u R N D O N G I u A R N H I F G D N l I E R N G M J b N D S A u K Z Q I N K J S l W O I E P N N b A u A H I O G D N P I E R N G M D S A u K Z Q H I O G D N W I E R N G M DA M O E T e m p e R a T U R A E Q T F C X V N H O u b I J b Z G V T F C R D X E S N W A Q T V I E P N Z R 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203202
Wälzlagerungen im TurboladerEin wahres „Schnäppchen“ in der CO2-Bilanz
Chris MitchellChristian SchäferOliver Graf-GollerPeter SolfrankMartin Scheidt
204 20513Wälzlager für Turbolader
Einleitung
Zwar ist zu erwarten, dass der Verbren-nungsmotor die Automobillandschaft auch noch im nächsten Jahrzehnt beherrschen wird, jedoch entsteht aufgrund der zuneh-menden Diskrepanz zwischen Energiever-brauch und verfügbaren Ressourcen sowie immer strengeren Grenzwerten für CO2-Emissionen eine steigende Nachfrage nach der Verbesserung bestehender Fahrzeug-technologien und der Entwicklung von reibungsreduzierten, energieeffizienteren, „grüneren“ Alternativen. Gleichzeitig treiben die durch ein gesteigertes Umweltbewusst-sein immer strengeren Vorschriften für Fahrzeugemissionen technologische Ent-wicklungen voran.
Benzin- und Dieselverbrennungsmo-toren unterscheiden sich beträchtlich hin-sichtlich Kraftstoffverbrauch und Emissio-nen (Bild 1).
Der Benzinmotor zeichnet sich auf-grund seiner hochwirksamen Abgas-nachbehandlung durch Schadstoffarmut aus. Jedoch verfügt der Ottomotor über einen geringeren thermodynamischen
Wirkungsgrad und verbraucht somit ver-gleichsweise viel Kraftstoff.
Der Dieselmotor kann dagegen auf-grund seines günstigen thermodynami-schen Wirkungsgrades und vorteilhaften Drehmomentverhaltens im Bereich niedri-ger Drehzahlen eindeutig als verbrauchs-günstig eingestuft werden. Dies kommt dem Trend hin zum Downspeeding zur wei-teren Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs entgegen.
Allerdings entstehen beim Dieselmotor hohe Abgasemissionen in Form von Koh-lenwasserstoffen, Stickoxiden und Rußpar-tikeln.
Aufladung
Um die steigende Nachfrage nach ener-gieeffizienteren, schadstoffarmen Fahrzeu-gen zu erfüllen, fordern die Hersteller von Aufladesystemen für Personenwagen und Nutzfahrzeuge kompaktere, leistungsfähigere Systeme, die dazu noch langlebig und be-zahlbar sein müssen.
Eine Aufladung – sei es durch Turbola-der, sei es durch Kompressoren – ermög-licht dem Motor durch die Zufuhr größerer Sauerstoffmengen in die Zylinder die Ver-brennung von mehr Kraftstoff. Somit erhöht sich die Motorleistung erheblich.
Bei der Aufladung handelt es sich um eine der wichtigsten Technologien für das Downsizing von Motoren, welches bei klei-nem Hubraum eine Leistung vergleichbar einem größeren Saugmotor liefert. Dies un-terstützt den Trend zum Downspeeding, welches erhöhte Drehmomente bei niedri-geren Drehzahlen liefert. Die weitere Ver-besserung des thermodynamischen Wir-kungsgrades und die Minderung der Reibung bei hoher spezifischer Belastung sind die zugrundeliegenden Ziele.
Turbolader
Bei einem Turbolader handelt es sich um ein System, das die aus dem Motor austre-tende Abgasenergie dazu nutzt, die dem Motor zugeführte Luft zu verdichten.
Das Herzstück eines Turboladers ist eine drehende Welle, über die zwei Räder, ein Turbinenrad und ein Verdichterrad, miteinander verbunden sind. Die drehen-de Welle stützt sich über ein Lagersystem im Gehäuse ab.
Das Turbinenrad wird im Abgasstrom des Verbrennungsmotors angeordnet; das Abgas aus den Zylindern strömt durch die Turbinenschaufeln und treibt die Turbine an. Je mehr Abgas durch die Schaufeln strömt, desto mehr Leistung wird vom Abgas auf den Rotor übertragen.
Das Verdichterrad wird im Lufteintritt vor den Zylindern positioniert und durch die Drehung der Welle wird Druckluft, also eine größere Menge an Sauerstoff, in den Ver-brennungskreislauf eingeführt.
Üblicherweise werden in Turboladern Sys-teme von Gleitlagern eingesetzt. Dabei wird die Welle – und damit Turbinen- und Ver-dichterrad – durch dünne Schmierfilme ge-tragen. Dies ermöglicht zum einen grund-sätzlich die Rotation, aber auch die Stabilität des Systems bei den auftretenden, sehr ho-hen Drehzahlen.
Die Vorteile von Tuboladern mit Kugella-gern im Vergleich zu jenen mit herkömmli-chen Gleitlagern ergeben sich nun aus den unterschiedlichen Reibmechanismen. An-stelle eines dünnen, stark gescherten Ölfil-mes zwischen den relativ zueinander be-wegten Oberflächen treten nun einige Wälzkörper, was die Reibung stark verin-gert. Bei Motor-Betriebstemperatur ist die Reibungsminderung mit typischerweise bis zu 50 % schon deutlich, in den ersten Minu-ten nach dem Kaltstart noch wesentlich signifikanter (Bild 2).
Eine durch erhöhte Reibung reduzierte Drehzahl von Turbine und Verdichterrad führt zu einer schlechteren Versorgung der Zylinder mit verdichtetem Frischgas. In der Folge ergeben sich neben einer verringer-
Ziel-bereich
Grenzwert Emissionen
CO2-Zielwert
Emissionen(HC, NOX, Partikel)
Kra
ftst
off
verb
rauc
h
Benzin
Diesel
GetriebetechnologieHybridisierung
Bild 1 Kraftstoffverbrauch/Emissionen
Re
ibve
rlu
st in
W
Drehzahl in Hz
Stationäre Betrachtung Beschleunigungs-Auslauf-Betrachtung
400 800 1.200 1.600
Quelle: Honeywell Turbo Technologies
Dre
hza
hl i
n H
z
Zeit in s0 5 10 15 20
~50 % niedriger
GleitlagerKugellager
Gleitlager bei 20 °CKugellager bei 20 °CGleitlager bei -20 °CKugellager bei -20 °C
Bild 2 Vorteile des Reibmechanismus von Kugellagern
206 20713Wälzlager für Turbolader
ten Leistungsfähigkeit des Motors auch er-höhte Rohemissionen.
Bei Turboladern mit Kugellagern be-deutet die grundlegende Änderung des Reibungsmechanismus, dass der Durch-fluss des Abgases auch beim Kaltstart ausreichend ist, um für eine genügende Drehung der Welle zu sorgen; somit kann das Verdichterrad die erforderliche Lade-luft direkt in das Motorsystem einleiten. Dies führt zu einem energieeffizienteren System mit geringeren Emissionen, was
für den Fahrer zudem ein höheres Motor-drehmoment von Beginn der Fahrt an bedeutet. In Untersuchungen von Turbo-ladern hat sich gezeigt, dass der „Kugel-lagereffekt“ bei niedrigeren Motordreh-zahlen deutlicher ist, also genau dort, wo ein Downspeeding- oder Downsizing-Konzept die größte Unterstützung durch das Turboladersystem benötigt. Für den Motorbetrieb führt die niedrigere Lager-reibung zu höheren Turboladerdrehzah-len unter den genannten niedrigeren Mo-tordrehzahlbedingungen. Insbesondere bei einer plötzlichen Lastanforderung aus dem Leerlauf oder unter niedrigen Lastbedingungen führt die höhere Turbo-laderdrehzahl aufgrund der Fähigkeit des Turboladers, sofort Druckluft zuzuführen, zu einer deutlichen Verbesserung des Motoransprechverhaltens. Hierbei ist nicht nur die Möglichkeit zur Vermeidung eines Turbolochs beeindruckend, son-dern auch die Verbesserung der Emissi-onsqualität durch die verbesserte Ver-sorgung mit Frischluft.
Schaeffler Kugellager für Turbolader
Bei den Schaeffler Kugellagern für Turbola-der (Bild 3) handelt es sich um zweireihige Schrägkugellager. Typischerweise bestehen diese Lager aus Keramikkugeln, zwei Käfigen, einem Außenring mit einer Verdreh-sicherung, einem verdichterseitigen Innen-ring, einem turbinenseitigen Innenring sowie aus Öldüsen und -nuten für Schmierung, Kühlung und Zuführung von Öl zu den soge-nannten Quetschöldämpfern.
Kugellager für Turbolader drehen sich mit sehr hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten. Bei der Betrachtung des üblichen typischen Drehzahlkennwertes von Lagern unter Be-rücksichtigung des Durchmessers und der Umdrehungsgeschwindigkeit (n · dm) zeigt sich, dass Turboladerlager sechsmal schnel-ler laufen als alle anderen Lager im Kraft- fahrzeug. Ihr Drehzahlkennwert erreicht die Spitzenwerte von Flugzeugtriebwerken und Textilmaschinen. Für diese hohen Drehzah-len sind die Anforderungen an die Schmier-
stoffversorgung anspruchsvoll: Es muss im-mer genügend Schmierstoff – vor allem auch zur Lagerkühlung – zur Verfügung stehen. Al-lerdings kann ein Überfluss an Schmiermittel schnell zu beträchtlichen Planschverlusten führen (Bild 4). Dieser Aspekt war bei der Ge-staltung der inneren Flächen und Bauteilgeo-metrien der Schaeffler Kugellager sowie der Käfige von wesentlicher Bedeutung.
Da es sich bei dem Kugellager um ein einzelnes Bauteil eines größeren Systems handelt, ist eine genauere Betrachtung des Gesamtsystems und der darin auftretenden Wechselwirkungen erforderlich.
Die Ölversorgung des Turboladers (Bild 5) muss neben der Schmierung und Kühlung der Kugellager-Reihen auch für die Versor-gung der Quetschölfilme sorgen. Diese trennen die Oberflächen von Lageraußenring und Gehäuse und dämpfen die Relativbe-wegung zwischen ihnen; damit werden eine akustische Entkopplung sowie die rotordy-namische Stabilisierung begünstigt.
Der gesamte Schmiermittelweg und die erforderliche Ölverteilung werden entspre-chend den Leistungsanforderungen für den gesamten Temperaturbereich simuliert und optimiert.
Ölstrahl ins Lager
QuetschölÖlabfluss
Bild 5 1-D-CFD-Simulation des Ölweges (links); Lagerquerschnitt mit Ölführung (rechts)
Bild 3 Schaeffler Kugellager für Turbolader
Verl
ustl
eist
ung
in W
Vollflutung
Optimalflutung
Bild 4 Reibverlust bei unterschiedlichen Schmierbedingungen
208 20913Wälzlager für Turbolader
Die Untersuchung der Umdrehungsge-schwindigkeiten und Modalformen bei ver-schiedenen Betriebstemperaturen und Las-ten ermöglicht ein besseres Verständnis der inneren Kinematik des Lagersystems an sich.
Die Bewegung der Kugeln und ihr Zu-sammenspiel mit den Laufbahnen und Käfigen stehen in sehr komplexer Beziehung zueinander. Unter Verwendung von speziel-len Simulationswerkzeugen wie CABA 3D von Schaeffler, das für die Anforderungen von Lageruntersuchungen entwickelt wurde, kann diese Bewegung berechnet werden (Bild 7). Damit stehen genaue Ergebnisse zum Vorhandensein, dem Ort, der Ausdehnung und der Beanspruchung in jedem einzelnen Kontakt zwischen den Lagerkomponenten zur Verfügung. Diese vielfältigen Ergebnisse führen kombiniert mit der entsprechenden Er-fahrung zu einem tiefen Lagerverständnis. Somit kann das Lagersystem im Hinblick auf optimale Leistung, Reibungsminderung, Le-bensdauer und Werkstoffeignung bewertet und angepasst werden.
Turbolader müssen auch bei extremen Temperaturen funktionieren. Der Kaltstart
Ein Kugellager stellt im Sinne eines mecha-nischen Systems eine Reihe von Elastizitä-ten mit bekannter Steifigkeit dar. Sobald sie aber mit der Welle und dem Gehäuse des Turboladers verbunden sind und sich dann mit hoher Geschwindigkeit drehen, müssen die Lagereigenschaften auf das System ab-gestimmt sein.
Umgekehrt müssen die dynamischen Ei-genschaften des Systems bei der Lager-auslegung berücksichtigt werden. Die auf das Lager einwirkende Radiallast entsteht aus der Restunwucht des Rotors in Verbin-dung mit den Eigenschaften des Quetschöl-films sowie der Steifigkeit der Welle und den Trägheitseigenschaften der Räder. Dies kann bei sehr hohen Drehzahlen, die bekann-termaßen eine kritische Wirkung auf die Wel-lendurchbiegung haben, Schäden an der Lagerkonstruktion verursachen, welche die Kinematik beeinträchtigen und damit die Le-bensdauer des Systems reduzieren (Bild 6). Die Axiallastkomponente entsteht durch Gas- kräfte auf Verdichter- und Turbinenrad.
FEM-Modell
CFD-Modell
Tem
per
atur
in °
C
Bild 8 Kombinierte FEM-CFD-Wärmeanalyse
Flächenpressung Wellenverschiebung Druckwinkel
Bild 7 Ergebnisse der Wälzlagersimulation mit der Software „CABA 3D“ von Schaeffler
xyz xyz
Axialkontakt
Presssitz (Welle, Innenring)
Bild 6 Bearinx-Modell, Mehrkörperstruktur, Eigenformen Käfig CS
Käfig CS
Käfig TS
Käfig TS
AR
AR
Distanzring
Distanzring
Welle
Welle
IR
IR
Tem
per
atur
in °
CTe
mp
erat
ur in
°C
Lage in Axialrichtung
Durchschnittstemperatur Lagerteile
Bild 9 Temperaturprofile in den Lagerteilen
210 21113Wälzlager für Turbolader
wurde in Bezug auf Reibungsreduzierung bereits betrachtet. Als nächstes sollen die Heißlaufanforderungen untersucht wer-den. Das Turbinenrad wird von den Abga-sen des Verbrennungsmotors angetrieben und ist den Abgastemperaturen ausge-setzt. Im normalen Fahrzyklus wird dieser Wärmeeintrag im Wesentlichen mit dem Öl-volumenstrom durch das Lager abgeführt.
Kritisch ist die Wärmeentwicklung beim Abstellen des heißen Motors, weil die Wär-meabfuhr durch den Schmierstoff unterbro-chen ist.
Im normalen Betrieb entstehen im Be-reich des Lagers Temperaturen um die 300 °C auf der Turbinenseite, wogegen die-se Lager bei Motorabschaltung sogar bis zu 400 °C erreichen können.
Mit Hilfe der numerischen Strömungs-berechnug (CFD) sowie der Strukturanaly-se (FEM) (Bild 8) kann die Wärmeverteilung (Bild 9) sowie die thermische Ausdehnung verschiedener Bauteile von Rotor und La-gerung bestimmt werden.
Bei diesen Bauteilen sind erhebliche Temperaturunterschiede zu verzeichnen, deren Folgen für die Auslegung der La-gerkomponenten berücksichtigt werden müssen. Das Lagersystem muss extreme Temperaturen und extreme Drehzahlen
aushalten, um einen langen Turboladerbe-trieb zu gewährleisten. Daher ist eine ge-naue Abstimmung der Anwendungsumge-bung und eine sorgfältige Werkstoffauswahl von Bedeutung.
Ausblick
Das Jahr 2014 ist für Schaeffler ein wichti-ger Meilenstein für das Kugellager in Turbo-laderanwendungen.
Schaeffler ist seit zehn Jahren führend in der Entwicklung und Herstellung von rei-bungsarmen doppelreihigen Schrägkugel-lagern für die Turbolader-Technologie. Im Laufe der Zeit hat das Unternehmen seine Anwendungsanalyse, Konstruktionswerk-zeuge und Fertigungsverfahren optimiert. Diese Präzisionskugellager haben bedeu-tend zur Definition eines neuen Turbolader-Leistungsbenchmarks insbesondere im Be-reich der Personenfahrzeuge, Klein- und Schwerlaster beigetragen. In diesem Jahr wird das einmillionste Kugellager für Turbo-laderanwendungen in die Automobilindus-trie geliefert.
