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Die
Erfindung betrifft einen Turbolader, insbesondere einen Turbolader
mit einem Elektromotor, wobei ein Verdichterlaufrad durch den Elektromotor angetrieben
wird.
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Ein
Turbolader mit einem Elektromotor, bei dem das Verdichterlaufrad
des Turboladers von dem Elektromotor angetrieben wird, ist beispielsweise
in der japanischen Gebrauchsmusteroffenlegungsschrift Nr. JP-U-H3-13431
offenbart. Dieser Turbolader weist eine Verbindungswelle auf, die
das Verdichterlaufrad und das Turbinenlaufrad des Turboladers verbindet.
Das Turbinenlaufrad ist an einem Ende der Verbindungswelle fixiert.
Wenn dieser Turbolader zusammengebaut wird, werden der Rotor des
Elektromotors, ein Bund mit einem größeren linearen Ausdehnungskoeffizienten
als derjenige der Verbindungswelle und das Verdichterlaufrad zuerst
an der Verbindungswelle in dieser Reihenfolge von der Seite des
Turbinenlaufrads angeordnet. Dann wird eine Mutter von der Seite
des Verdichterlaufrads festgezogen, so dass die Teile, die an die
Verbindungswelle gesetzt sind, geklemmt werden und somit gegeneinander
durch die axiale Spannung fixiert werden, die durch die Mutter erzeugt
wird. Gemäß diesem
Aufbau des Turboladers kann verhindert werden, dass die Mutter sich
lockert, wenn der Turbolader auf eine hohe Temperatur aufgeheizt
wird.
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Bei
Turboladern sind Zwischenteile, wie z. B. ein Rotor eines Elektromotors
zwischen dem Verdichterlaufrad und dem Turbinenlaufrad an der Verbindungswelle
vorgesehen. Wenn beispielsweise ein Rotor des Elektromotors an einer
solchen Position angeordnet ist, ist es notwendig, den Rotor unter
Verwendung eines Fixierelements, wie z. B. einer Mutter mit einer
ausreichend hohen axialen Spannung festzuklemmen, da ein Drehmoment
an dem Rotor wirkt, wenn ein Strom an den Elektromotor angelegt
wird. Wenn jedoch das Drehmoment zum Festziehen der Mutter oder Ähnliches
eine ungeeignete Art und Weise oder übermäßig vergrößert wird, kann sich die Verbindungswelle
aufgrund des vergrößerten Drehmoments
biegen, was die Schwingung verstärkt, während die
Verbindungswelle sich bei einer hohen Drehzahl dreht.
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Im
Hinblick auf die Erzielung eines guten Ansprechverhaltens des Turboladers
kann die Verbindungswelle so dünn
wie möglich
hergestellt werden, so dass sie ein geringes Gewicht aufweist. Wenn
daher der Durchmesser der gesamten Verbindungswelle vergrößert wird,
um zu ermöglichen,
dass die Verbindungswelle einer größeren axialen Spannung widersteht
und somit gestattet, dass die Zwischenelemente fester an der Verbindungswelle
fixiert werden können,
ergibt das eine Vergrößerung des
Gewichts der sich drehenden Teile des Turboladers. Demgemäß kann das
gewünschte
Ansprechverhalten nicht erhalten werden.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Turbolader zu schaffen, der
die Möglichkeit
eines Biegens einer Verbindungswelle verringert und das Lockern
von Fixierelementen zuverlässig
verhindert, während
eine Vergrößerung des
Gewichts der sich drehenden Teile des Turboladers minimiert wird.
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Ein
Gesichtspunkt der Erfindung betrifft einen Turbolader mit einer
Verbindungswelle, die ein Verdichterlaufrad und ein Turbinenlaufrad
verbindet, wobei Zwischenelemente zwischen dem Verdichterlaufrad
und dem Turbinenlaufrad an der Verbindungswelle vorgesehen sind.
Die Verbindungswelle weist einen Abschnitt großen Durchmessers, an dessen
einem Ende eines von dem Verdichterlaufrad und dem Turbinenlaufrad
fixiert ist, und einen Abschnitt kleinen Durchmessers auf, der einen
kleineren Durchmesser als ein Durchmesser des Abschnitts großen Durchmessers
hat. Der Turbolader kann ein erstes Fixierelement aufweisen, das
das andere von dem Verdichterlaufrad und dem Turbinenlaufrad an
dem Abschnitt kleinen Durchmessers der Verbindungswelle zwischen
dem anderen Ende des Abschnitts großen Durchmessers und des ersten
Fixierelements fixiert. Der Turbolader kann ebenso ein zweites Fixierelement
aufweisen, das zumindest eines der Zwischenelemente an dem Abschnitt
großen Durchmessers
der Verbindungswelle zwischen dem einen des Verdichterlaufrads und
des Turbinenlaufrads und dem zweiten Fixierelement fixiert. Das
Turbinenlaufrad kann an einem Ende des Abschnitts großen Durchmessers
der Verbindungswelle fixiert sein und das Verdichterlaufrad kann
an dem Abschnitt kleinen Durchmessers der Verbindungswelle fixiert
sein.
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Gemäß dem vorstehend
genannten Aufbau können,
da der Durchmesser des Abschnitts der Verbindungswelle an der Seite
der Wärmequelle
(der Turbine) groß ist,
die Zwischenelemente, die an dem Abschnitt großen Durchmessers vorgesehen
sind, mit einer ausreichend hohen axialen Spannung fixiert werden,
während
verhindert wird, dass sich die Verbindungswelle biegt. Da ferner
das Verdichterlaufrad an dem Abschnitt kleinen Durchmessers fixiert
ist, der entgegengesetzt zu der Wärmequelle gelegen ist, nämlich mit
Bezug auf das andere Ende des Abschnitts großen Durchmessers, der entfernt
von der Wärmequelle
gelegen ist, ist die Wirkung der Wärme auf das Verdichterlaufrad
gering und ist daher nur eine geringe axiale Spannung zum Fixieren
des Verdichterlaufrads erforderlich. Somit biegt sich die Verbindungswelle
nicht einfach durch, auch wenn der Durchmesser des Abschnitts der
Verbindungswelle klein ist, an dem das Verdichterlaufrad fixiert
ist. Gemäß dem vorstehend
genannten Aufbau ist es daher möglich,
die Möglichkeit
eines Biegens der Verbindungswelle zu verringern und das Lockern
der Fixierelemente zu verhindern, während eine Vergrößerung des
Gewichts der sich drehenden Elemente des Turboladers minimiert wird.
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Zumindest
eines der Zwischenelemente, das durch das zweite Fixierelement fixiert
wird, kann ein Rotor sein.
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In
diesem Fall ist der Rotor, der an dem Abschnitt der Verbindungswelle
fixiert ist, der dazu neigt, auf eine hohe Temperatur durch die
durch den Elektromotor erzeugte Wärme erwärmt zu werden, wenn ein Strom
daran angelegt wird, durch das zweite Fixierelement fixiert, das
von dem ersten Fixierelement für
das Verdichterlaufrad verschieden ist. Daher kann die Wirkung der
Wärme von
dem Elektromotor aufgehoben werden und kann zuverlässig verhindert werden,
dass sich die Fixierelemente lockern.
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Der
Rotor kann ein Magnethalteelement aufweisen, das zwischen dem zweiten
Fixierelement und dem einen von dem Verdichterlaufrad und dem Turbinenlaufrad
angeordnet ist, um einen Magnet des Rotors abzudecken, und das einen
größeren linearen
Ausdehnungskoeffizienten als derjenige der Verbindungswelle hat.
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In
diesem Fall dehnt sich das Magnethalteelement länger als die Verbindungswelle
bei einer hohen Temperatur aus und kann daher wirksam verhindert
werden, dass sich die durch das zweite Fixierelement erzeugte axiale
Spannung verringert.
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Die
vorstehend genannten und weitere Aufgaben, Merkmale sowie Vorteile
der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten
Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen erkennbar, in denen ähnliche
Bezugszeichen verwendet werden, um ähnliche Elemente darzustellen.
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1 ist
eine Querschnittsansicht, die den Aufbau eines Turboladers gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung zeigt.
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Wie
in 1 gezeigt ist, weist ein Turbolader demgemäß einem
Ausführungsbeispiel
eine Verbindungswelle 16 auf, die ein Verdichterlaufrad 12 und ein
Turbinenlaufrad 14 verbindet. Die Verbindungswelle 16 ist
drehbar durch Lager 20, 22 in einem Zentralgehäuse 18 gestützt, das
in der Mitte des Turboladers 10 gelegen ist.
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Das
Verdichterlaufrad 12 ist in einem Verdichtergehäuse 14 vorgesehen,
das angrenzend an eine Seite des Zentralgehäuses 18 liegt, und
das Turbinenlaufrad 14 ist in einem Turbinengehäuse 26 vorgesehen,
das angrenzend an die andere Seite des Zentralgehäuses 18 liegt.
Der Turbolader 10 gemäß dem Ausführungsbeispiel
weist einen Elektromotor 28 auf, der in dem Zentralgehäuse 18 angeordnet
ist. Der Elektromotor 28 kann das Verdichterlaufrad 12 erzwungen
antreiben.
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Die
Verbindungswelle 16 weist einen Abschnitt 16a großen Durchmessers
und einen Abschnitt 16b kleinen Durchmessers auf, der einen
kleineren Durchmesser als der Abschnitt 16a großen Durchmessers
hat. Das Turbinenlaufrad 14 ist an einem Ende des Abschnitts 16a großen Durchmessers durch
Schweißen
oder Ähnliches
fixiert. Genauer gesagt bildet der Abschnitt der Verbindungswelle 16 an der
Seite des Turbinenlaufrads 14 den Abschnitt 16a großen Durchmessers
und bildet der Abschnitt an der Seite des Verdichterlaufrads 12 den
Abschnitt 12b kleinen Durchmessers. An der Grenze des Abschnitts 16a großen Durchmessers
und des Abschnitts 16b kleinen Durchmessers gibt es eine
Stufe, an der der Durchmesser der Verbindungswelle 16 sich ändert, wobei
ein ebener Abschnitt 16c ausgebildet wird. Der ebene Abschnitt 16c erstreckt
sich senkrecht zu der Achse der Verbindungswelle 16.
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Ein
Flansch 16b steht nach außen von dem Abschnitt 16b großen Durchmessers
an dem Ende der Verbindungswelle 16 an der Seite des Turbinenlaufrads 14 vor.
An dem Abschnitt 16a großen Durchmessers ist eine Manschette 30 und
ein Rotor 32 des Elektromotors 28 in dieser Reihenfolge
von der Seite des Turbinenlaufrads 14 angeordnet. Ein Gewinde 16e ist
in der Nähe
des Abschnitts 16c an dem Abschnitt 16a großen Durchmessers
ausgebildet. Die Manschette 30 und der Rotor 32 sind
mit einer großen
Mutter 34 geklemmt, die an dem Schraubabschnitt 16e in
Richtung auf den Rotor 32 festgezogen wird, wobei die Manschette 30 an
den Flanschabschnitt 16d anstößt. Somit werden die Positionen
der Manschette 30 und des Rotors 32 mit Bezug
auf die Verbindungswelle 16 fixiert.
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Die
Manschette 30 ist zwischen dem Lager 20 und der
Verbindungswelle 16 eingefasst. Die Fläche der Manschette 30 ist
beispielsweise durch Induktionshärten
wärmebehandelt.
Der Rotor 32 besteht aus einem Magnet 32a und
einem Magnethalterohr 32b, das den Magnet 32a abdeckt.
Das Magnethalterohr 32b besteht aus einem Werkstoff, der
einen größeren linearen
Ausdehnungskoeffizienten als die Verbindungswelle 16 hat.
Das Magnethalterohr 32b ist zwischen der Manschette 30 und
der großen Mutter 34 und
in Kontakt damit angeordnet. Somit wird die Position des Magnethalterohrs 32b fixiert.
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An
der anderen Seite der Verbindungswelle 16 sind eine Manschette 36,
ein Druckbund 38, ein Dichtungsringbund 40 und
das Verdichterlaufrad 12 an dem Abschnitt 16b kleinen
Durchmessers in dieser Reihenfolge von der Seite des ebenen Abschnitts 16c angeordnet.
Ein Gewinde 16f ist in der Nähe des Endes des Abschnitts 16b kleinen
Durchmessers ausgebildet. An dem Gewinde 16f wird eine
kleine Mutter 42 in Richtung auf das Verdichterlaufrad 12 festgezogen,
wobei die Manschette 36 an den ebenen Abschnitt 16b anstößt, wodurch
die Manschette 36, der Druckbund 38, der Dichtungsringbund 40 und das
Verdichterlaufrad 12 geklemmt werden, so dass ihre Positionen
in Bezug auf die Verbindungswelle 16 fixiert werden. Die
Manschette 36 ist zwischen dem Lager 22 und der
Verbindungswelle 16 eingefasst. Die Fläche der Manschette 36 ist
auf eine ähnliche Art
und Weise wie die Manschette 30 wärmebehandelt.
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Der
Druckbund 38 ist im Eingriff mit einem Drucklager 44,
das die Bewegung der Verbindungswelle 16 in ihre axiale
Richtung blockiert. Der Dichtungsringbund 40 hält einen
Dichtungsring 46. Der Dichtungsring 46 dient dazu,
zu verhindern, dass Öl zum
Schmieren des Lagers 22 aus der Seite des Zentralgehäuses 18 zu
der Seite des Verdichtergehäuses 24 austritt.
Ein weiterer Dichtungsring 46 ist an dem Endabschnitt der
Verbindungswelle 16 an der Seite des Turbinenlaufrads 16 vorgesehen.
Ein Stator 48 ist in dem Zentralgehäuse 18 angeordnet,
um den Rotor 32 abzudecken. Der Stator 48 ist
durch einen Statorkern 40 und eine Spule 52 gebildet.
In dem Zentralgehäuse 18 ist
ein Wasserdurchgang 54 ausgebildet, um den Stator 48 zu
umgeben und somit zu kühlen,
der Wärme
erzeugt, wenn ein Strom an den Elektromotor 28 angelegt
wird. Ferner sind Ölzufuhrdurchgänge 56,
die das Öl
zu den Lagern 20 bzw. 22 zuführen, und Ölablaufdurchgänge 58,
die das zugeführte Öl aus dem
Zentralgehäuse 18 ablassen,
in dem Zentralgehäuse 18 vorgesehen.
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Wie
vorstehend beschrieben ist, sind an der Verbindungswelle 16 des
Turboladers 10 gemäß dem Ausführungsbeispiel
das Verdichterlaufrad 12 und der Rotor 32 getrennt
durch die jeweiligen Muttern geklemmt. Da ein Drehmoment an dem
Rotor 32 wirkt, wenn ein Strom an den Elektromotor 28 angelegt
wird, ist es wünschenswert,
die durch die Muttern erzeugte axiale Spannung zu vergrößern. Bei
dem vorstehend genannten Aufbau des Ausführungsbeispiels kann, da der
Rotor 32 an dem Abschnitt 16a großen Durchmessers
mit, der einen größeren Durchmesser
als der Abschnitt 16b kleinen Durchmessers hat, und unter
Verwendung der großen
Mutter 34 geklemmt ist, der Rotor 32 an der Verbindungswelle 16 mit
einer hohen axialen Spannung fixiert werden, während verhindert wird, dass
sich die Verbindungswelle 16 biegt. Zusätzlich stellt die Verwendung
der großen
Mutter 34 den Vorteil zur Verfügung, dass die große Mutter 34 aufgrund
ihrer relativ hohen axialen Spannung das Lockern auf ein geringeres Ausmaß als Muttern
mit kleineren Durchmessern verringert, wenn die Verbindungswelle 16 sich
aufgrund der Wärme
von der Seite der Turbine ausdehnt.
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Da
bei dem vorstehend erwähnten
Aufbau das Verdichterlaufrad 12 mit Bezug auf den ebenen Abschnitt 16c positioniert
ist, der entfernt von der Wärmequelle
(der Turbine) gelegen ist, kann die Wirkung der Wärme auf
das Verdichterlaufrad klein gemacht werden und somit der Grad der
Ausdehnung des Abschnitts 16b kleinen Durchmessers aufgrund seiner
thermischen Ausdehnung. Ferner ist der Rotor 32, der mit
einer hohen axialen Spannung geklemmt werden muss, an dem Abschnitt 16a großen Durchmessers
angeordnet, und ist das Verdichterlaufrad 12, das mit einer
geringen axialen Spannung geklemmt werden kann, an dem Abschnitt 16b kleinen Durchmessers
angeordnet. Diese Anordnung macht es möglich, das Anzugdrehmoment
der kleinen Mutter 42 zu verringern.
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Demgemäß kann die
Möglichkeit
der Biegung der Verbindungswelle 16 verringert werden und kann
die Schwingung während
der Drehung der Verbindungswelle 16 unterdrückt werden.
Ferner ist es möglich,
den Abschnitt der Verbindungswelle 16, an dem Verdichterlaufrad 12 fixiert
ist, insbesondere den Abschnitt 16b kleinen Durchmessers
dünner
als den Abschnitt auszuführen,
an dem der Rotor 32 fixiert ist, insbesondere den Abschnitt 16a großen Durchmessers.
Daher ist es gemäß dem Ausführungsbeispiel
möglich,
die Möglichkeit
der Biegung der Verbindungswelle 16 zu verringern und das
Lockern der Muttern 34, 92 zuverlässig zu
verhindern, während die
Vergrößerung des
Gewichts der sich drehenden Teile des Turboladers 10 minimiert
wird.
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Die
Temperatur des Abschnitts der Verbindungswelle 16 in der
Nähe des
Rotors 32 tendiert dazu aufgrund seiner Position in der
Nähe der
Turbine, insbesondere der Wärmequelle
hoch zu sein, und aufgrund der Wärme,
die von dem Stator 48 erzeugt wird, wenn ein Strom an den
Elektromotor 28 angelegt wird. Bei dem Aufbau des Ausführungsbeispiels ist
der Rotor 32, der an dem Abschnitt der Verbindungswelle 16 liegt
und daher oft der Wärme
ausgesetzt wird, mit einem Fixierelement fixiert, das von einem
Fixierelement für
das Verdichterlaufrad 12 verschieden ist. Als Folge kann
die Wirkung der durch den Elektromotor 28 erzeugten Wärme aufgehoben werden
und kann das Lockern der Muttern 34, 42 zuverlässig verhindert
werden.
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Ebenso
besteht bei dem vorstehend genannten Aufbau das Magnethalterohr 32b des
Rotors 32 aus einem Werkstoff, der einen größeren linearen Ausdehnungskoeffizienten
als die Verbindungswelle 16 hat. Das Magnethalterohr 32b ist
näher an
der Turbine, insbesondere der Wärmequelle
und ebenso dem Stator 48 positioniert, der Wärme erzeugt,
wenn ein Strom an den Elektromotor 28 angelegt wird. Daher
tendiert die Temperatur des Magnethalterohrs 32b dazu hoch
zu sein. Anders gesagt ist gemäß dem vorstehend
genannten Aufbau der lineare Ausdehnungskoeffizient eines Teils,
das an der Verbindungswelle 16 angeordnet ist und dazu
neigt, auf eine hohe Temperatur aufgeheizt zu werden, höher als
derjenige der Verbindungswelle 16. Somit dehnt sich das
Magnethalterohr 32b länger
aus als die Verbindungswelle 16 bei einer hohen Temperatur
und ist es daher möglich,
wirksam zu verhindern, dass sich die axiale Spannung, die durch
die große
Mutter 34 erzeugt wird, bei einer hohen Temperatur verringert.
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Gemäß dem Aufbau
sind die Manschetten 30, 36, die im Voraus wärmebehandelt
wurden, zwischen der Verbindungswelle 16 und den Lagern 20 bzw. 22 eingefasst.
Unterdessen sind mit einer solchen Verbindungswelle 16,
die durch Lager gestützt werden,
beispielsweise durch Induktionshärten
wärmebehandelt,
um ihren Abnutzungswiderstand zu verbessern. Bei dem Prozess einer
solchen Wärmebehandlung
wird die Verbindungswelle auf eine hohe Temperatur aufgewärmt und
neigt somit die Verbindungswelle dazu sich zu verbiegen. Wenn ein
solches Verbiegen der Verbindungswelle verursacht wird, vergrößert sich
ein Betrag eines Ungleichgewichts der Drehung der Verbindungswelle,
wenn das Turbinenlaufrad dann dran fixiert wird. Als Folge verringert
sich das Herstellungsergebnis der Erzeugnisse. Jedoch kann gemäß dem Aufbau
dieses Ausführungsbeispiels,
da das Erzeugnis nach dem Wärmebehandeln
der Manschetten 30, 36 zusammengebaut wird, die
Gefahr, dass sich die Verbindungswelle 16 verbiegt, beseitigt
werden.
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Bei
dem vorstehend erwähnten
Aufbau können
die Manschette 30, der Rotor 32, die Manschette 36,
der Druckbund 38, der Dichtungsringbund 40 und das
Verdichterlaufrad 12 als „Zwischenelemente" der Erfindung betrachtet
werden. Das Turbinenlaufrad 14 und das Verdichterlaufrad 12 können als „eines
von dem Verdichterlaufrad und dem Turbinenlaufrad" und „das andere
von dem Verdichterlaufrad und dem Turbinenlaufrad" bezeichnet werden.
Ferner kann die kleine Mutter 42 als „erstes Fixierelement„ betrachtet werden,
kann der Rotor 32 als „zumindest eines der Zwischenelemente" betrachtet werden
und kann die große
Mutter 34 als „zweites
Fixierelement" der
Erfindung betrachtet werden. In ähnlicher
Weise kann das Magnethalterohr 32b als „Magnethaltelement" der Erfindung betrachtet
werden.
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Während die
Erfindung unter Bezugnahme auf ihre beispielhaften Ausführungsbeispiele
beschrieben wurde, ist es verständlich,
dass die Erfindung nicht auf die beispielhaften Ausführungsbeispiele
oder Strukturen beschränkt
ist. Dagegen ist beabsichtigt, dass die Erfindung verschiedenartige Abwandlungen
und äquivalente
Anordnungen abdeckt. Während
die verschiedenartigen Elemente der beispielhaften Ausführungsbeispiele
in verschiedenen Kombinationen und Konfigurationen gezeigt sind,
die beispielhaft sind, sind zusätzlich
andere Kombinationen und Konfigurationen einschließlich mehr,
weniger oder nur einem einzigen Element ebenso innerhalb des Grundgedankens
und des Anwendungsbereichs der Erfindung.
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Somit
weist der Turbolader die Verbindungswelle 16 auf, die das
Verdichterlaufrad 12 und das Turbinenlaufrad 14 verbindet.
Die Verbindungswelle 16 weist einen Abschnitt 16a großen Durchmessers, an
dessen einem Ende das Turbinenlaufrad 14 fixiert ist, und
einen Abschnitt 16b kleinen Durchmessers auf, das einen
kleineren Durchmesser als der Abschnitt 16a großen Durchmessers
hat. Das Verdichterlaufrad 12 ist an dem Abschnitt 16b kleinen
Durchmessers mit einer kleinen Mutter 42 mit Bezug auf
einen ebenen Abschnitt 16c fixiert. Ein Rotor 32 ist
an dem Abschnitt 16a großen Durchmessers mit einer großen Mutter 34 mit
Bezug auf einen Endabschnitt (einen Flanschabschnitt 16d)
der Verbindungswelle 16 an der Seite des Turbinenlaufrads 14 fixiert.