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Die
Erfindung betrifft ein Magnetfeld erzeugendes Element zur Befestigung
eins Kompressorrades an einer Turbowelle eines Abgasturboladers,
mit einem Grundkörper
und einem Gewinde.
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Die
von einer Brennkraftmaschine erzeugte Leistung hängt von der der Brennkraftmaschine
zugeführten
Luftmasse und Kraftstoffmenge ab. Zur Leistungssteigerung ist es
notwendig der Brennkraftmaschine eine erhöhte Menge Verbrennungsluft
und Kraftstoff zuzuführen.
Die Leistungssteigerung wird bei einem Saugmotor durch eine Hubraumvergrößerung oder
durch die Erhöhung
der Drehzahl erreicht. Eine Hubraumvergrößerung führt aber grundsätzlich zu
schwereren in den Abmessungen größeren und damit
teureren Brennkraftmaschinen. Die Steigerung der Drehzahl bringt
besonders bei größeren Brennkraftmaschinen
erhebliche Probleme und Nachteile mit sich.
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Eine
viel genutzte technische Lösung
zur Steigerung der Leistung einer Brennkraftmaschine ist die Aufladung.
Damit bezeichnet man die Vorverdichtung der Verbrennungsluft durch
einen Abgasturbolader oder auch mittels eines vom Motor mechanisch angetriebenen
Verdichters. Ein Abgasturbolader besteht im Wesentlichen aus einem
Verdichter und einer Turbine, die mit einer gemeinsamen Welle verbunden
sind und mit gleicher Drehzahl rotieren. Die Turbine setzt die normalerweise
nutzlos verpuffende Energie des Abgases in Rotationsenergie um und treibt
den Verdichter an. Der Verdichter, der in diesem Zusammenhang auch
als Kompressor bezeichnet wird, saugt Frischluft an und fördert die
vorverdichtete Luft zu den Zylindern des Motors. Der größeren Luftmenge
in den Zylindern kann eine erhöhte
Kraftstoffmenge zugeführt
werden, wodurch die Verbrennungskraftmaschine mehr Leistung abgibt.
Der Verbrennungsvorgang wird zudem günstig beeinflusst, so dass
die Verbrennungskraftmaschine einen besseren Gesamtwirkungs grad
erzielt. Darüber
hinaus kann der Drehmomentverlauf einer mit einem Turbolader aufgeladenen
Brennkraftmaschine äußerst günstig gestaltet
werden.
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Bei
zunehmender Abgasmenge kann die maximal zulässige Drehzahl der Kombination
aus dem Turbinenrad, dem Kompressorrad und der Turbowelle, die auch
als Laufzeug des Abgasturboladers bezeichnet wird, überschritten
werden. Bei einer unzulässigen Überschreitung
der Drehzahl des Laufzeuges würde
dieses zerstört
werden, was einem Totalschaden des Turboladers gleichkäme. Gerade
moderne und kleine Turbolader mit deutlich kleineren Turbinen- und
Kompressorraddurchmessern, die durch ein erheblich kleineres Massenträgheitsmoment
ein verbessertes Drehbeschleunigungsverhalten aufweisen, werden
vom Problem der Überschreitung
der zulässigen
Höchstdrehzahl
betroffen. Je nach Auslegung des Turboladers führt schon eine Überschreitung
der Drehzahlgrenze um etwa 5 % zur kompletten Zerstörung des
Turboladers.
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Eine
sehr genaue Messung der Drehzahl von Turboladern erfolgt mit einem
Magnetfeld erzeugenden Element, das auf der Turbowelle angeordnet
ist und sich mit dieser dreht, wobei das vom rotierenden Magnetfeld
erzeugenden Element hervorgerufene Magnetfeld von einem Sensor erfasst
wird, der ein zur Drehzahl der Turbowelle proportionales elektrisches
Signal erzeugt.
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Aus
der
JP 10206447 A2 ist
eine magnetisierte Mutter zur Befestigung des Kompressorrades an
der Turbowelle bekannt. In dieser Mutter ist ein Stabmagnet angeordnet,
der von einem Grundkörper getragen
wird. Um ein gut messbares Magnetfeld im Sensor zu erzeugen, muss
der rotierende Magnet einerseits möglichst groß sein und eine ausreichende Feldstärke produzieren,
andererseits sind alle Magnete aus sehr sprödem Material gebildet, so dass
sie sich als Element zur Befestigung des Kompressorrades an der
Turbowelle nur sehr schlecht eignen, da das spröde Magnetmaterial die Kräfte und
Anzugsdreh momente, die bei der Befestigung des Kompressorrades an
der Turbowelle auftreten, nur bedingt oder nicht ausreichend aufnehmen
kann.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Magnetfeld
erzeugendes Element zur Befestigung eines Kompressorrades an einer
Turbowelle eines Abgasturboladers anzugeben, das eine möglichst
hohe magnetische Feldstärke
erzeugt und dennoch die Kräfte
und Anzugsdrehmomente, die bei der Befestigung des Kompressorrades
an der Turbowelle auftreten, schadlos aufnehmen kann.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des unabhängigen
Anspruchs 1 gelöst.
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Wenn
der gesamte Grundkörper
aus einem magnetischen Material besteht und in dem Grundkörper eine
Hülse angeordnet
ist, die aus einem nichtmagnetischen Material besteht und die das
Gewinde aufweist, das mit einem Gegengewinde der Turbowelle verschraubbar
ist, kann das Magnetfeld erzeugende Element ein Magnetfeld mit hoher
Feldstärke erzeugen
und es ist zudem geeignet, die Kräfte und Anzugsdrehmomente,
die bei der Befestigung des Kompressorrades an der Turbowelle auftreten, schadlos
aufzunehmen. Damit vereint das erfindungsgemäße Magnetfeld erzeugende Element
zwei Eigenschaften in sich, die bei einem Magnetfeld erzeugenden
Element nach dem Stand der Technik nicht verfügbar sind.
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Bei
einer Ausgestaltung ist die Hülse
als Einpresshülse
ausgebildet. Die Einpresshülse
lässt sich schnell
und mit geringem Aufwand mit dem Grundkörper verbinden, was Kosten
und Produktionszeit spart.
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Bei
einer nächsten
Ausgestaltung weist der Grundkörper
eine Innenverzahnung auf, durch die die Hülse formschlüssig mit
dem Grundkörper
verbunden ist. Hierdurch wird die Hülse fest in dem Grundkörper verankert.
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Bei
einer Weiterbildung besteht die Hülse aus einem nichtmagnetischen
Metall. Eine Hülse
aus Metall eignet sich gut zum Einpressen in den Grundkörper und
sie kann hohe Kräfte
und Drehmomente unbeschadet aufnehmen. Alternativ dazu besteht die Hülse aus
einem Kunststoff. Auch moderne Kunststoffe können hohe Kräfte und
Drehmomente unbeschadet aufnehmen und es ist sogar denkbar die Hülse im Spritzgießverfahren
in dem Grundkörper
zu erzeugen.
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Bei
einer nächsten
Weiterbildung ist die Hülse
mit mindestens einer Krimpung mit dem Grundkörper verbunden. Eine Hülse lässt sich
leicht und ohne großen
Aufwand an den Rändern
krimpen, womit ebenfalls eine sichere und dauerhafte Verbindung der
Hülse mit
dem Grundkörper
erzeugt wird.
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Bei
einer nächsten
Ausgestaltung ist die Hülse
aus austhenitischem Stahl gebildet. Austhenitischer Stahl ist besonders
fest und damit kann die Hülse
die hohen Kräfte
und Anzugsdrehmomente, die bei der Befestigung des Kompressorrades
an der Turbowelle auftreten, besonders gut aufnehmen.
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Ausführungsformen
der Erfindung werden in den Figuren beispielhaft dargestellt. Es
zeigt:
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1 einen
Abgasturbolader mit einer Turbine und einem Kompressor,
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2 den
Kompressor in einer Schnittdarstellung,
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3 den
Grundkörper
des Magnetfeld erzeugenden Elements,
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4 den
aus 3 bekannten Grundkörper aus einer anderen Perspektive,
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5 eine
Hülse,
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6 das
Magnetfeld erzeugende Element,
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7 erneut
das Magnetfeld erzeugende Element,
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8 eine
Schnittdarstellung des Magnetfeld erzeugenden Elements,
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9 das
Magnetfelderzeugende Element zur Befestigung eines Kompressorrades
an einer Turbowelle in seiner Einbausituation im Abgasturbolader.
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1 zeigt
einen Abgasturbolader 1 mit einer Turbine 2 und
einem Kompressor 3. In dem Kompressor 3 ist das
Kompressorrad 9 drehbar gelagert und mit der Turbowelle 5 verbunden.
Auch die Turbowelle 5 ist drehbar gelagert und an ihrem
anderen Ende mit dem Turbinenrad 4 verbunden. Die Kombination
aus Kompressorrad 9, Turbowelle 5 und Turbinenrad 4 wird
auch als Laufzeug bezeichnet. Über den
Turbineneinlass 7 wird heißes Abgas von einer hier nicht
dargestellten Verbrennungskraftmaschine in die Turbine 2 eingelassen,
wobei das Turbinenrad 4 in Drehung versetzt wird. Der Abgasstrom
verlässt die
Turbine 2 durch den Turbinenauslass 8. Über die Turbowelle 5 ist
das Turbinenrad 4 mit dem Kompressorrad 9 verbunden.
Damit treibt die Turbine 2 den Kompressor 3 an.
In den Kompressor 3 wird Luft durch den Lufteinlass 16 eingesaugt,
die dann im Kompressor 3 verdichtet und über den
Luftauslass 6 der Verbrennungskraftmaschine zugeführt wird.
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2 zeigt
den Kompressor 3 in einer Schnittdarstellung. In dem Kompressorgehäuse ist das
Kompressorrad 9 zu erkennen. Das Kompressorrad 9 ist
auf der Turbowelle 5 mit dem Magnetfeld erzeugenden Element 17 befestigt.
Das Magnetfeld erzeugende Element 17 befindet sich damit
im Lufteinlass 16 des Kompressors 3. Das Magnetfeld
erzeugende Element 17 kann zum Beispiel als Hutmutter ausgebildet
sein, die auf ein auf der Turbowelle 5 aufgebrachtes Gewinde
aufgeschraubt ist, um das Kompressorrad 9 gegen einen Bund
der Turbowelle 5 mit dieser fest zu verspannen. Das Magnetfeld
erzeugende Element 17 zur Befestigung des Kompressorrad 9 an
der Turbowelle 5 besteht aus einem Permanentmagnet 13,
der den Grundkörper 11 des
Magnetfeld erzeugenden Elements 17 bildet. Der Magnet 13 dreht
sich bei der Rotation der Turbowelle 5 mit dieser um die
Rotationsachse der Turbowelle 5. Dabei erzeugt der Magnet 13 eine Änderung
der magnetischen Feldstärke
bzw. des magnetischen Feldgradienten in dem Sensor 15.
Diese Änderung
des Magnetfeldes bzw. des Feldgradienten erzeugt im Sensor 15 ein
elektronisch verarbeitbares Signal, das proportional zur Drehzahl
der Turbowelle 5 ist.
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3 zeigt
den Grundkörper 11 des
Magnetfeld erzeugenden Elements 17. Der Grundkörper 11 des
Magnetfeld erzeugenden Elements 17 ist vollständig aus
magnetischem Material gebildet, wodurch von dem Grundkörper 11 ein
magnetisches Feld mit einer hohen Magnetfeldstärke ausgeht. Am Grundkörper 11 ist
der Nordpol N und der Südpol
S des Magneten 13 zu erkennen. Weiterhin weist der Grundkörper 11 beispielsweise
einen Sechskant 14 auf, an dem ein Werkzeug angreifen kann.
Im Grundkörper 11 ist
eine Innenverzahnung 12 zu erkennen.
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4 zeigt
den aus 3 bekannten Grundkörper 11 aus
einer anderen Perspektive. Wiederum ist der Grundkörper 11 vollständig aus
magnetischem Material gebildet und er kann damit eine hohe Magnetfeldstärke erzeugen.
Der Nordpol N und der Südpol
S des Magneten 13 sind am Grundkörper 11 zu erkennen.
Darüber
hinaus ist auch in 4 die Innenverzahnung 12 im
Grundkörper 11 gut
sichtbar.
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5 zeigt
eine Hülse 10,
die aus einem nicht magnetischen Material gebildet ist. Diese Hülse 10 kann
z. B. aus einem hochfesten, austhenitischen Stahl oder einem Kunststoff
hergestellt sein. Weiterhin zeigt die 5 an der
Hülse 10 eine
Krimpung 20.
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6 zeigt
das Magnetfeld erzeugende Element 17. Das Magnetfeld erzeugende
Element 17 besteht aus dem Grundkörper 11, der in 3 und 4 dargestellt
wurde und der darin angeordneten Hülse 10, die aus 5 bekannt
ist. Die Hülse 10 kann
in den Grundkörper 11 eingepresst
sein, wobei eine formschlüssige
Verbindung der Hülse 10 mit
der Innenverzahnung 12 des Grundkörpers 11 entsteht. Die
formflüssige
Verbindung der Innenverzahnung 12 mit der Hülse 10 sowie
die Krimpungen 20 führen zu
einer unlösbaren
Fixierung der Hülse 10 in
dem Grundkörper 11.
In die Hülse 10,
die z. B. aus hochfestem austhenitischen Stahl bestehen kann, kann leicht
ein Gewinde 18 eingebracht werden, das mit einem Gegengewinde 19 auf
der Turbowelle 5 verschraubbar ist.
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7 zeigt
erneut das Magnetfeld erzeugende Element 17, wobei hier
die Krimpung 20 an der Hülse 10 gut zu erkennen
ist. Damit bildet der Grundkörper 11 und
die Hülse 20 eine
ebene obere Fläche,
die gegen das Kompressorrad 9 geschraubt werden kann.
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Eine
Schnittdarstellung des Magnetfeld erzeugenden Elements 17 zeigt 8.
Wiederum ist der Grundkörper 11 zu
erkennen, in den die Hülse 10 eingepresst
ist. Der Grundkörper 11 besteht
aus magnetischem Material und auf Grund seines hohen Volumens erzeugt
der Magnet 13 eine hohe Magnetfeldstärke. Im Grundkörper 11 ist
die Hülse 10 aus hochfestem
Stahl angeordnet. Die Hülse 10 ist
mit der Innenverzahnung 12 des Grundkörpers 11 formschlüssig verbunden,
und darüber
hinaus durch die Krimpungen 20 fest im Grundkörper 11 fixiert.
Durch diese Anordnung erhält
das Magnetfeld erzeugende Element 17 zwei wesentliche Eigenschaften.
Zum einen erzeugt das Magnetfeld erzeugende Element 17 auf
Grund des hohen Volumens des Magneten 13 eine hohe Magnetfeldstärke und
zum anderen bildet die Hülse 10 mit
dem darauf aufgebrachten Gewinde 18 ein mechanisch sehr
stabiles Bauteil, das problemlos zur Befestigung des Kompressorrades 9 an der
Turbowelle 5 verwendet werden kann.
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In 9 ist
das Magnetfeld erzeugende Element 17 zur Befestigung eines
Kompressorrades 9 an einer Turbowelle 5 in seiner
Einbausituation im Abgasturbolader 1 dargestellt. Zu erkennen
ist zunächst
das Kompressorrad 9, das mit dem Magnetfeld erzeugenden
Element 17 an der Turbowelle befestigt ist. Das Magnetfeld
erzeugende Element 17 besteht aus dem Grundkörper 11 und
der darin mechanisch oder/und durch Verklebung verankerten Hülse 10.
Hierbei sei darauf hingewiesen, dass die Hülse nicht nur aus einem hochfesten
Stahl sondern z. B. auch aus einem Kunststoff bestehen kann.
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In
der Hülse
ist das Gewinde 8 zu erkennen, das mit dem Gegengewinde 19 auf
der Turbowelle 5 verschraubt ist. Auch hier weist der Grundkörper 11 beispielsweise
einen Sechskant 14 auf, an dem ein Schraubenschlüssel angreifen
kann. Die entstehenden Drehmomente und Kräfte werden vollständig auf die
Hülse 10 übertragen,
die aus hochfestem Material gebildet ist. Damit nimmt die Hülse 10 alle
mechanischen Kräfte
auf, womit das Kompressorrad 9 sicher an der Turbowelle 5 fixiert
ist. Mit der Krimpung 20 wird die Hülse 10 gegen das Kompressorrad 9 gepresst.
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Der
großvolumige
Magnet 13 hingegen, der Bestandteil des Magnetfeld erzeugenden
Elementes 17 ist, kann ein Feld mit hoher magnetischer
Feldstärke
erzeugen, wodurch es möglich
wird, den Sensor 15 auch in relativ großer Entfernung vom Magnetfeld
erzeugenden Element 17 zu platzieren. Der Magnet 13 ist
z. B. in der Lage, ein magnetisches Feld mit einer Feldstärke zu erzeugen,
dass durch die Außenwand
des Kompressorgehäuses
hindurch messbar ist. Dies hat den Vorteil, dass der Sensor 15 außerhalb
des Kompressorgehäuses
angebracht sein kann, wodurch ein Eingriff in den Aufbau des Kompressorgehäuses nicht
notwendig ist.
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- 1
- Abgasturbolader
- 2
- Turbine
- 3
- Kompressor
- 4
- Turbinenrad
- 5
- Turbowelle
- 6
- Luftauslass
- 7
- Turbineneinlass
- 8
- Turbinenauslass
- 9
- Kompressorrad
- 10
- Hülse
- 11
- Grundkörper
- 12
- Innenverzahnung
- 13
- Magnet
- 14
- Sechskant
- 15
- Sensor
- 16
- Lufteinlass
- 17
- Magnetfeld
erzeugendes Element
- 18
- Gewinde
- 19
- Gegengewinde
- 20
- Krimpung
- N
- Nord
- S
- Süd