Ein schwimmend ausgeführtes Turbolader-Gleitlager stützt die Welle auf Ölfilmen ab. Wenn Sie deren Funktion verstehen, können Sie Verschleiß beurteilen, Reparatursätze vergleichen und eine passende Ersatz-CHRA auswählen.
Was das Gleitlager tatsächlich abstützt
Um zu verstehen, wie Schwimmlager im Turbolader funktionieren, betrachten Sie zunächst die gemeinsame rotierende Welle von Turbinenrad und Verdichterrad. Im Lagergehäuse begrenzen Radiallager die seitliche Bewegung der Welle und ermöglichen gleichzeitig eine reibungsarme Drehung. Die glatten Wellenflächen, die innerhalb dieser Lager laufen, werden als Wellenzapfen bezeichnet.
Ein Gleitlager im Turbo trennt die bewegten Oberflächen durch Öl anstelle von Kugeln. Unter normalen Betriebsbedingungen besteht bei aufgebautem hydrodynamischem Ölfilm kein direkter Metallkontakt zwischen Wellenzapfen und Lager.
Durch die Drehung wird Öl in einen sich verengenden Spalt zwischen dem leicht außermittig laufenden Wellenzapfen und dem Lager gezogen. In diesem Ölkeil baut sich Druck auf, der die Last trägt. So entsteht hydrodynamische Tragkraft: Die bewegten Oberflächen erzeugen den zu ihrer Abstützung erforderlichen Druck mit.
Die Ölversorgung des Motors führt dem Lager frisches Öl zu und transportiert Wärme ab. Der Versorgungsdruck allein erklärt jedoch nicht, wie der Wellenzapfen vom Lager getrennt bleibt. Drehbewegung, Viskosität, Belastung und Geometrie spielen dabei alle eine Rolle.
Beim Starten, Abstellen oder bei unterbrochener Schmierung sind die Oberflächen möglicherweise nicht vollständig voneinander getrennt. Das erklärt, warum ein Lager, das im Betrieb auf sehr geringen Verschleiß ausgelegt ist, durch eine gestörte Ölversorgung dennoch schwer beschädigt werden kann.
Radiallager erfüllen außerdem eine andere Aufgabe als das Axiallager, das die Bewegung entlang der Welle begrenzt. Bei übermäßigem Axialspiel muss das Axiallager gesondert geprüft werden.
Wie schwimmende Turbolader-Gleitlager zwei Ölfilme nutzen
Bei einem Turbo mit vollschwimmender Lagerung sitzt ein hülsenförmiger Lagerring zwischen dem Wellenzapfen und der Bohrung im Lagergehäuse. Öl füllt zwei Betriebsspalte:
- Inneres Lagerspiel: zwischen dem Wellenzapfen und der Innenfläche des Lagerrings.
- Äußeres Lagerspiel: zwischen der Außenfläche des Lagerrings und der Gehäusebohrung.
Je nach Bauform gelangt das Öl durch Gehäusekanäle sowie Ölbohrungen oder Ölnuten im Lager in diese Zwischenräume.
Der Lagerring kann sich frei drehen. Das von der Welle mitgezogene Öl übt ein antreibendes Drehmoment auf seine Innenfläche aus, während der äußere Ölfilm seiner Drehung entgegenwirkt. Aus diesen gegenläufigen Einflüssen ergibt sich die Drehzahl des Lagerrings.
Er dreht sich normalerweise in derselben Richtung wie die Welle, jedoch nur mit einem Bruchteil ihrer Drehzahl. Dieser Anteil verändert sich mit den Betriebsbedingungen; die Drehzahl des Lagerrings ist nicht über ein Getriebe an die Welle gekoppelt.
Da sich der Lagerring mitdreht, ist die Geschwindigkeitsdifferenz über den inneren Ölfilm geringer als bei einer stillstehenden Lagerbuchse. Dadurch kann die Reibung im inneren Ölfilm sinken. Auch im äußeren Ölfilm entsteht jedoch Reibung, weshalb die gesamten Lagerverluste von der vollständigen Konstruktion abhängen.
Beide Ölfilme übertragen Kräfte. Der innere Ölfilm stützt den Wellenzapfen gegenüber dem Lagerring ab. Der äußere Ölfilm stützt den Lagerring gegenüber dem Gehäuse ab und trägt wesentlich zur Dämpfung bei. Bei seitlichen Bewegungen der Baugruppe wirkt das Öl diesen Bewegungen entgegen und baut Schwingungsenergie ab.
Wellenquerschnitt.
Innerer Ölfilm: zwischen Welle und Ring.
Schwimmring: trennt die beiden Ölfilme.
Äußerer Ölfilm: zwischen Ring und Gehäuse.
Vereinfachtes Schema, nicht maßstabsgetreu.
Warum schwimmende Gleitlager in Fahrzeugturboladern so verbreitet sind
Gleitlager mit schwimmenden Lagerringen bieten eine praxisgerechte Kombination aus günstigen Fertigungskosten, kompakter Bauweise, begrenzter Reibung und Schwingungsdämpfung. Diese Vorteile erklären, warum Schwimmlager in Kfz-Turboladern so verbreitet sind.
Ihre relativ einfachen Bauteile eignen sich für die Serienfertigung. Die Ölfilme können kleine betriebsbedingte Bewegungen aufnehmen. Der äußere Ölfilm hilft dabei, Schwingungen zu dämpfen, während der Rotor unterschiedliche Drehzahl- und Lastbereiche durchläuft.
Auch Fertigungstoleranzen sind wichtig. Konstrukteure legen Abmessungen und zulässige Abweichungen so fest, dass das Lager trotz der zu erwartenden Fertigungsunterschiede und Temperaturänderungen funktioniert. Dabei geht es um die gezielte Abstimmung von Toleranzen, nicht um die Erlaubnis, nur ungefähr zueinander passende Teile zu montieren.
Eine funktionsfähige Konstruktion muss mehrere konkurrierende Anforderungen miteinander vereinbaren:
- Ausreichende Tragfähigkeit der Ölfilme zur Begrenzung der Wellenbewegung.
- Ausreichende Dämpfung zur Begrenzung von Schwingungen.
- Einen geeigneten Ölstrom zur Versorgung und Kühlung des Lagers.
- Vertretbare Reibung und Wärmeentwicklung.
- Abmessungen, die sich mit gleichbleibender Genauigkeit fertigen lassen.
Bei Kugellagersystemen werden diese Anforderungen anders gegeneinander abgewogen. Einen umfassenderen Vergleich finden Sie im Beitrag „Kugelgelagerte und gleitgelagerte Turbolader im Vergleich“.
Vollschwimmende und halbschwimmende Turboladerlager im Vergleich
Ein halbschwimmendes Lager besitzt ebenfalls einen inneren und einen äußeren Ölfilm. Seine Lagerbuchse ist jedoch gegen Verdrehen gesichert. Je nach Konstruktion übernimmt ein Stift oder ein anderes Fixierelement diese Aufgabe und lässt dabei die vorgesehene geringe radiale Bewegung zu.
Die Welle dreht sich innerhalb der nicht mitdrehenden Lagerbuchse. Außen wirkt der Ölfilm hauptsächlich als Quetschfilmdämpfer: Kleine seitliche Bewegungen verdrängen Öl durch den vorhandenen Spalt und wirken dadurch Schwingungen entgegen.
| Merkmal | Vollschwimmender Lagerring | Halbschwimmendes Lager |
|---|---|---|
| Drehung des Lagerrings | Möglich; normalerweise langsamer als die Welle | Durch ein Fixierelement verhindert |
| Innerer Ölfilm | Zwischen Welle und mitdrehendem Lagerring | Zwischen Welle und nicht mitdrehender Lagerbuchse |
| Äußerer Ölfilm | Stützt und dämpft den mitdrehenden Lagerring | Sorgt hauptsächlich für Quetschfilmdämpfung |
| Reibungsverhalten | Die Drehung des Lagerrings verringert die innere Relativgeschwindigkeit | Am inneren Ölfilm liegt die volle Relativgeschwindigkeit der Welle an |
| Anforderungen beim Austausch | Passende Lagerringgeometrie und korrektes Lagerspiel | Passende Buchsengeometrie, korrektes Lagerspiel und passende Verdrehsicherung |
„Halbschwimmend“ bedeutet nicht, dass das Lager teilweise verschlissen ist oder nur einen Ölfilm besitzt. Der Begriff beschreibt die vorgesehene Lageranordnung.
Die beiden Bauformen sind nicht allein deshalb austauschbar, weil ihre Teile ähnlich aussehen. Ölkanäle, Fixierelemente und Rotorverhalten müssen zur ursprünglichen Konstruktion passen.
Welche Aufgaben das innere und äußere Lagerspiel erfüllen
Das Lagerspiel bei schwimmenden Turboladerlagern ist ein konstruktiv festgelegter Betriebsspalt. Zu wenig Spiel kann ebenso schädlich sein wie zu viel. Es gibt kein universelles Lagerspiel, das für jeden Turbo geeignet ist.
Das innere Lagerspiel beeinflusst den tragenden Ölkeil am Wellenzapfen sowie Ölstrom, Reibung, Wärmeentwicklung und Wellenbewegung. Eine zu enge Passung kann den Ölstrom einschränken und bei Temperaturänderungen zu wenig Spielreserve lassen. Zu großes Spiel verändert das Tragverhalten des Ölfilms und kann schädliche Bewegungen zulassen.
Das äußere Lagerspiel beeinflusst die Bewegung des Lagerrings im Gehäuse, den Ölstrom um den Ring sowie die Abstützung und Dämpfung der Baugruppe durch den äußeren Ölfilm. Zu großes äußeres Lagerspiel kann die Rotorführung beeinträchtigen, selbst wenn der Lagerring korrekt zur Welle passt.
Das äußere Lagerspiel ist häufig größer als das innere. Das vorgesehene Verhältnis hängt jedoch von der jeweiligen Konstruktion ab. Eine Vergrößerung eines der beiden Spalte verbessert weder die Schmierung noch die Dämpfung automatisch.
Unterscheiden Sie außerdem zwischen radialem Lagerspiel und diametralem Lagerspiel. Das diametrale Lagerspiel ist die Differenz zwischen dem jeweiligen Bohrungs- und Außendurchmesser; das radiale Lagerspiel beträgt die Hälfte dieser Differenz. Eine Verwechslung kann zu einem schwerwiegenden Prüffehler führen.
Eine Messung am verdichterradseitigen Wellenende entspricht keinem der beiden Lagerspiele. In sie fließen auch die Lageranordnung und der Abstand zwischen den Lagern und dem Messpunkt ein. Halten Sie sich an die vorgeschriebene Prüfmethode und die zugehörigen Grenzwerte.
Wie sich Lagerverschleiß erkennen lässt
Prüfen Sie zunächst die Befunde an allen zusammenwirkenden Oberflächen. Ein beschädigter Lagerring mag am stärksten auffallen. Ob neue Lager korrekt arbeiten können, hängt jedoch auch vom Wellenzapfen und der Gehäusebohrung ab.
Achten Sie bei der Prüfung insbesondere auf folgende Punkte:
- Riefenbildung: Rillen oder Kratzer in der Lagerringbohrung, an der Ringaußenfläche oder am Wellenzapfen können auf Fremdpartikel oder auf Oberflächenkontakt nach dem Zusammenbruch des trennenden Ölfilms hinweisen.
- Ovaler Verschleiß: Eine unrunde Lagerring- oder Gehäusebohrung kann ungleichmäßiges Spiel verursachen, das bei einer einzigen Durchmessermessung unentdeckt bleibt.
- Lagerringverschleiß: Materialverlust an der Innen- oder Außenfläche verändert die Betriebsspalte. Bei ungleichmäßigem Verschleiß ist eine Untersuchung erforderlich, die über den Austausch des Lagerrings hinausgeht.
- Spuren an den Wellenzapfen: Rillen, verschmiertes Metall, Verfärbungen oder örtliche Schleifspuren müssen anhand der Grenzwerte für Oberflächenzustand und Abmessungen beurteilt werden.
- Gehäuseschäden: Riefen oder eine aufgeweitete Gehäusebohrung können dazu führen, dass das äußere Lagerspiel auch mit einem neuen Lagerring im Standardmaß zu groß bleibt.
- Ablagerungen in Ölkanälen: Fremdpartikel oder Ölkohleablagerungen können die Ölzufuhr beeinträchtigen und einen erneuten Ausfall der Ersatzteile verursachen.
Messen Sie zugängliche Wellenzapfen und Bohrungen an mehreren Positionen und in mehreren Richtungen, um Durchmesser, Konizität und Rundheit zu prüfen. Verwenden Sie geeignete Präzisionsmessmittel und die korrekten Bauteilspezifikationen.
Spuren allein belegen nicht die ursprüngliche Ausfallursache. Verunreinigungen, unzureichende Ölzufuhr, Unwucht und andere Fehler können ähnliche Schadensbilder hervorrufen. Unser Leitfaden zur Diagnose eines defekten Turboladers vor dem Austausch erläutert die weitergehenden Prüfungen.
Neben den Abmessungen ist auch der Oberflächenzustand der Welle entscheidend. Starkes Polieren kann die Geometrie der Wellenzapfen verändern oder eine behandelte Oberfläche beeinträchtigen. Näheres dazu finden Sie im Leitfaden zur Wellenhärtung und zu Wellenzapfen für schwimmende Gleitlager.
Beweisen Lagergeräusche, dass die Lagerringe verschlissen sind?
Nein. Heulen, Schleifgeräusche oder ein veränderter Klang sind ein Anlass zur Untersuchung, reichen für sich genommen aber nicht für eine zuverlässige Lagerdiagnose aus.
Rotorunwucht kann Schwingungen erzeugen, die der Wellendrehung folgen. Auch Ölfilmkräfte können subsynchrone Bewegungen hervorrufen. Dabei umläuft die Welle ihre Lagerachse mit einer Frequenz, die unter ihrer Drehfrequenz liegt. Unter bestimmten Bedingungen kann diese Bewegung instabil werden.
Die Drehung des Lagerrings und Oil Whirl sind unterschiedliche Bewegungen. Dass sich ein Lagerring langsamer als die Welle dreht, ist bei einer vollschwimmenden Ausführung normal und für sich genommen kein Anzeichen für Instabilität.
Ein Turboladergeräusch kann auch durch Luftströmung, Undichtigkeiten oder Schäden an den Laufrädern entstehen. Der Beitrag „Oil Whirl und Oil Whip beim Turbo erklärt“ erläutert die Unterschiede genauer.
Was das für die Auswahl eines Reparatursatzes oder einer CHRA bedeutet
Ein Reparatursatz ist sinnvoll, wenn die Prüfung bestätigt, dass die wiederzuverwendenden Teile weiterhin einsatzfähig sind und der Instandsetzer den Turbo fachgerecht vermessen, montieren und auswuchten kann.
Wählen Sie den Reparatursatz anhand der Turboladerkennzeichnung und der Lagerbauform aus. Lagerringabmessungen, Ausführung der Ölzufuhr, Axiallagerbauteile und Sicherungselemente können sich zwischen äußerlich ähnlichen Turboladern unterscheiden. Prüfen Sie genau, welche Teile der Satz enthält.
Neue Lagerringe können eine verschlissene Welle oder Gehäusebohrung nicht wiederherstellen. Werden sie eingebaut, ohne beide Passungen zu vermessen, kann der instandgesetzte Turbo von Anfang an ein falsches Lagerspiel aufweisen.
Nutzen Sie den Beitrag „So wählen Sie einen Turbolader-Reparatursatz aus“, um die Kompatibilität zu prüfen, bevor Sie Reparatursätze vergleichen.
Eine Ersatz-CHRA ist eine praktikable Option, wenn Welle, Laufräder oder Lagergehäuse beschädigt sind oder die erforderliche Ausrüstung für eine Instandsetzung fehlt. Bestätigen Sie die Passgenauigkeit und klären Sie, welche Montage- und Auswuchtarbeiten der Lieferant durchgeführt hat. Der Leitfaden „CHRA oder kompletter Turbolader“ hilft Ihnen zu beurteilen, ob die umgebenden Gehäuse und die Regelkomponenten weiterverwendet werden können.
Auch bei einem Turbolader-Gleitlager erfordert die Instandsetzung ein geeignetes Verfahren zum Auswuchten des Turboladers. Die erneute Ausrichtung anhand vorhandener Montagemarkierungen belegt nicht, dass der fertig montierte Rotor ausreichend ausgewuchtet ist.
Unabhängig davon, welchen Weg Sie wählen: Beheben Sie vor dem Einbau die ursprüngliche Ausfallursache.
Häufige Fragen
Ist ein schwimmendes Lager im Turbo dasselbe wie ein Gleitlager?
Ein schwimmendes Lager ist eine Bauform des Gleitlagers. Der Begriff Gleitlager beschreibt, wie ein Ölfilm die Welle abstützt. Schwimmend bedeutet, dass sich der Lagerring innerhalb des Gehäuses bewegen kann; bei einer vollschwimmenden Ausführung kann er sich auch drehen.
Wie schnell dreht sich ein vollschwimmender Lagerring?
Er dreht sich normalerweise in Drehrichtung der Welle, jedoch nur mit einem Bruchteil ihrer Drehzahl. Das Verhältnis hängt von Lagergeometrie, Lagerspiel, Ölviskosität, Temperatur und Betriebsbedingungen ab. Es gibt keinen universellen Prozentsatz, der für jeden Turbo gilt.
Darf ein gleitgelagerter Turbo im trockenen Zustand Wellenspiel haben?
Ohne die im Betrieb aufgebauten Ölfilme kann eine gewisse radiale Bewegung normal sein. Welche Bewegung zulässig ist, hängt vom Turbo und der Messmethode ab. Eine Prüfung mit den Fingern kann das Lagerspiel nicht verifizieren. Kontakt eines Laufrads mit dem Gehäuse, rauer Lauf oder eine zu große gemessene Bewegung müssen untersucht werden.
Kann ich verschlissene Lagerringe am Turbolader ersetzen, ohne die Welle auszutauschen?
Nur wenn die Wellenzapfen und Gehäusebohrungen die geltenden Grenzwerte für Abmessungen und Oberflächenzustand einhalten. Neue Lagerringe können weder Riefen, Untermaß, Konizität oder Unrundheit eines Wellenzapfens noch eine verschlissene Gehäusebohrung ausgleichen.
Ist ein halbschwimmendes Lager eine Verbesserung gegenüber einem vollschwimmenden Lager?
Keine der beiden Bauformen ist grundsätzlich besser. Beide stimmen Reibung, Dämpfung, Ölstrom und Rotorverhalten unterschiedlich aufeinander ab. Verwenden Sie das für den Turbo vorgesehene Lagersystem. Ein Wechsel zwischen den Bauformen erfordert konstruktive Änderungen, die über den Austausch der Lagerringe hinausgehen.
Kann dickeres Öl ein verschlissenes schwimmendes Turboladerlager reparieren?
Nein. Dickeres Öl stellt verschlissene Oberflächen nicht wieder her und korrigiert kein zu großes Lagerspiel. Verwenden Sie das vom Motorhersteller vorgeschriebene Öl und untersuchen Sie Störungen der Schmierung sowie mechanischen Verschleiß, statt Symptome durch eine andere Viskosität zu verdecken.
Ist es normal, dass sich der Lagerring im Turbolader dreht?
Ja, bei einer vollschwimmenden Ausführung. Dass sich der Lagerring mit einem Bruchteil der Wellendrehzahl dreht, ist für sich genommen kein Anzeichen für Instabilität. Die Lagerbuchse einer halbschwimmenden Ausführung ist gegen Verdrehen gesichert.
Wenn Sie Unterstützung beim Vergleich eines Reparatursatzes, einer CHRA oder eines Ersatz-Turboladers benötigen, wenden Sie sich mit der Teilenummer Ihres Turbos und einer Beschreibung der Symptome an LeadTurbo.
