DE102008008857B4 - Verbindung einer Welle mit einem Rotationsbauteil - Google Patents

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Abstract

Verbindung einer Welle (10) mit einem Rotationsbauteil, wobei ein Zwischenbauteil (18) vorgesehen ist, mittels welchem die Welle (10) mit dem Rotationsbauteil (12) mittelbar verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenbauteil (18) mit dem Rotationsbauteil (12) mittels einer Nietverbindung verbunden ist, welche eine Durchgangsöffnung (22) und eine Ausnehmung (24) des Zwischenbauteils (18) und einen am Rotationsbauteil vorgesehenen Niet aufweist, welcher die Durchgangsöffnung (22) durchdringt und in die Ausnehmung (24) eingreift.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Verbindung einer Welle mit einem Rotationsbauteil, insbesondere einer Welle mit einem Turbinenrad eines Abgasturboladers, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Verbindung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7.
  • Bei abgasseitigen Turbinen in einem Abgasturbolader werden derartige Verbindungen einer Welle mit einem Turbinenrad, die beide aus einem metallischen Werkstoff bestehen, üblicherweise durch eine Schweiß- bzw. Lötverbindung hergestellt.
  • Eine Problematik besteht jedoch darin, dass die Paarung der beiden Werkstoffe der Welle bzw. des Turbinenrades so aneinander angepasst sein müssen, dass sich ein qualitativ hinreichend günstige Verbindung zwischen der Welle und dem Turbinenrad ergibt. Dabei ergibt sich jedoch oftmals ein Zielkonflikt, wenn nämlich einerseits das Turbinenrad möglichst aus einem entsprechend thermisch belastbaren Material hergestellt sein muss, während die Welle selbst aus einem üblichen, und demgegenüber kostengünstigeren Werkstoff hergestellt sein kann.
  • Die DE 10 2005 015 947 B3 offenbart ein Verfahren zum Verbinden eines ersten Bauteils aus einem Metallaluminid oder einer hochschmelzenden Ti-Legierung mit einem zweiten Bauteil aus Stahl, Metallaluminid oder hochschmelzenden Ti-Legierung, insbesondere aus einer Stahlwelle durch Reibschweißen. Dabei ist es vorgesehen, dass zwischen das erste Bauteil und das zweite Bauteil im Verbindungsbereich ein Zwischenstück aus einer Ni-Legierung eingebracht wird und anschließend ein Reibschweißvorgang durchgeführt wird, bei welchem aus dem Zwischenstück eine Verbindungsschicht gebildet wird, die beidseitig mit dem ersten bzw. mit dem zweiten Bauteil fest verbunden ist.
  • Darüber hinaus ist aus der DE 689 07 467 T2 ein Verfahren zum Ausbilden eines Verbundes zwischen einem Ti-Al-Legierungsteil, das hauptsächlich aus einer intermetallischen Ti-Al-Verbindung besteht, und einem Stahlbauteil bekannt, wobei der Verbund unter Verwendung eines Zwischenteils, das einen austenitischen rostfreien Stahl oder einen wärmebeständigen Stahl umfasst, oder eine Superlegierung auf Ni-Basis oder Co-Basis, zwischen diesen Teilen ausgebildet wird, wobei das Zwischenteil mittels Reibungsschweißung an das Stahlbauteil angeschweißt wird.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verbindung sowie ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mittels welchen die Welle und das Rotationsbauteil – insbesondere das Turbinenrad – auf besonders vorteilhafte Weise zu verbinden sind.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Verbindung sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Verbindung mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bzw. 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
  • Um eine besonderes günstige Verbindung der Welle und des Rotationsbauteils – insbesondere des Turbinenrads des Abgasturboladers – zu erzielen, ist es bei der Verbindung gemäß Patentanspruch 1 vorgesehen, dass ein Zwischenbauteil vorgesehen ist, mittels welchem die Welle mit dem Rotationsbauteil (Turbinenrad) mittelbar verbunden ist. Dabei ist es vorgesehen, dass Zwischenbauteil und Rotationsbauteil mittels einer Nietverbindung verbunden sind. Mit anderen Worten ist es erfindungsgemäß vorgesehen, die Welle nicht unmittelbar mit dem Rotationsbauteil – insbesondere dem Turbinenrad – zu verbinden, sondern vielmehr unter Vermittlung des Zwischenbauteils, wobei Zwischenbauteil und Rotationsbauteil form- und/oder kraftschlüssig verbunden sind. Hierdurch ist es beispielsweise möglich, das Zwischenbauteil so auszubilden bzw. einen derartigen Werkstoff hierfür zu verwenden, dass dieses einerseits äußerst gut mit dem Rotationsbauteil – insbesondere dem Turbinenrad – und andererseits besonders günstig mit der Welle verbunden werden kann. Die Nietverbindung weist dabei eine Durchgangsöffnung des Zwischenbauteils und eine Ausnehmung des Zwischenbauteils auf. Außerdem weist die Nietverbindung einen am Rotationsbauteil vorgesehenen Niet auf, welcher die Durchgangsöffnung durchdringt und in die Ausnehmung eingreift.
  • Da sich Verbindungen mit zu verbindenden Partnern wie beispielsweise Titan-Aluminium (TiAl) zu Stahl äußerst schwierig bzw. gar nicht schweißen oder löten lassen, eignet sich eine derartige formschlüssige Verbindung besonders gut, um die Teile entsprechend aneinander zu befestigen. Dabei hat es sich in weiterer Ausgestaltung der Erfindung als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn der spätere Niet zum Verbinden des Zwischenbauteils mit dem Rotationsbauteil (Turbinenrad) als Stummel des Rotationsbauteils ausgebildet ist, welcher dann beispielsweise mittels eines geeigneten Stempels zu einem Niet umgeformt wird, welcher das Zwischenbauteil formschlüssig an dem Rotationsbauteil hält. Gleichfalls wäre es jedoch auch denkbar, einen Niet durch Rotationsschweißen oder dergleichen im Rotationsbauteil bzw. Turbinenrad festzulegen, sofern dies dessen Werkstoff zulässt.
  • Eine besonders günstige Ausgestaltung der Erfindung sieht dabei beispielsweise vor, dass das Zwischenbauteil aus einem warmfesten und schweißbaren Werkstoff, insbesondere aus einer Nickel-Basis-Legierung, besteht, so dass das Zwischenbauteil besonders günstig mit dem im Betrieb heißen Turbinenrad verbunden werden kann. Damit das Turbinenrad selbst den thermischen Beanspruchungen standhält, kann dieses insbesondere aus einem warmfesten bzw. hochwarmfesten Werkstoff hergestellt sein. Insbesondere eignet sich hierfür Titan-Aluminium (TiAl).
  • Damit das Zwischenbauteil zu dem mit der seinem schweißbaren Werkstoff, insbesondere einem Vergütungsstahl, bestehenden Welle verbunden werden kann, ist dieser bevorzugte Weise entsprechend nicht nur warmfest ausgebildet, sondern besteht zudem aus einem schweißbaren Werkstoff.
  • Das Zwischenbauteil ist in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung bevorzugter Weise mittels einer Schweißverbindung, insbesondere durch Reibschweißen oder EB-Schweißen, also ein Elektronenstrahlschweißverfahren mit der Welle verbunden. Insbesondere bei einer – bezogen auf den Durchmesser der zu verbindenden Bauteile – radial außenliegenden Schweißverbindung ergibt sich durch das Reibschweißen eine besonders günstige Erwärmung, so dass das Zwischenbauteil mit der Welle besonders zuverlässig verbunden ist.
  • Besonders vorteilhaft zeigen sich Materialpaarungen und konstruktive Ausführungen für Turbinenrad und Zwischenbauteil, bei denen sich bei Erwärmung durch evtl. unterschiedliche Wärmedehnung der Teile, die Festigkeit der Verbindung erhöht bzw. zumindest nicht vermindert.
  • Die vorstehend im Zusammenhang mit der erfindungsgemäß beschriebenen Verbindung beschriebenen Vorteile gelten in ebensolcher Weise für das Verfahren gemäß Patentanspruch 7. Dies zeichnet sich darüber hinaus dadurch aus, dass in einer Ausführungsform zunächst das Zwischenbauteil mit dem Rotationsbauteil (Turbinenrad) mittels der Nietverbindung verbunden wird. Dabei eignet sich insbesondere die Verbindungstechnologie des Warmnietens. Im zweiten Verfahrensschritt bei der vorliegend beschriebenen Variante des Verfahrens wird dann das Zwischenstück entsprechend mit der Welle verschweißt, um hierdurch die mittelbare Verbindung des Rotationsbauteils (Turbinenrad) mit der Welle zu realisieren.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung.
  • Diese zeigt eine ausschnittsweise und schematische, teilweise geschnittene Seitenansicht auf die Verbindung einer Welle mit einem als Turbinenrad gestalteten Rotationsbauteil eines Abgasturboladers, wobei das geschnitten dargestellte Turbinenrad mit der nicht geschnitten dargestellten Welle mittelbar über ein geschnitten dargestelltes Zwischenbauteil verbunden ist, und wobei zwischen, dem Zwischenbauteil und dem Turbinenrad eine formschlüssige Verbindung in Form einer Nietverbindung und zwischen dem Zwischenbauteil und der Welle eine Schweißverbindung realisiert wird.
  • In der Figur ist in einer ausschnittsweisen Seitenansicht ein Ende einer Welle 10 dargestellt, welches einem Rotationsbauteil in Form eines Turbinenrades 12 zugewandt ist. Die Welle 10 und das Turbinenrad 12 sind dabei Teil einer Turbine 14 eines Abgasturboladers 16.
  • Die Werkstoffwahl der einzelnen Bauteile 10, 12 erfolgt dabei gemäß ihrer thermischen Beanspruchung. Das Turbinenrad 12 bzw. der Läufer bestehen vorliegend aus Titan-Aluminium (TiAl), welches in der intermetallischen Phase entsprechend hochfest, warmfest und dicht ist. Darüber hinaus bietet TiAl den Vorteil, besonders gewichtsgünstig zu sein.
  • Die Welle 10 besteht vorliegend aus einem für Turboladerwellen üblichen, kostengünstigen Stahl, im vorliegenden Fall einem Vergütungsstahl (42CrMo4). Dieser Vergütungsstahl ist entsprechend günstig schweißbar. Neben dem hier dargestellten Vergütungsstahl sind auch andere Werkstoffe für die Welle 10 denkbar, beispielsweise eine für die Serie geeignete Inconel-Welle.
  • Die Verbindung der Welle 10 und des Turbinenrades 12 erfolgt im vorliegenden Fall nicht unmittelbar, sondern mittelbar, und zwar unter Vermittlung eines Zwischenbauteils 18. Das Zwischenbauteil 18 ist ebenso wie das Turbinenrad 12 in der Figur geschnitten dargestellt.
  • Da das Zwischenstück 18 einerseits mit dem heißen Läufer bzw. Turbinenrad 12 in Kontakt kommt, muss dieses aus einem entsprechend warmfesten Werkstoff, beispielsweise aus einer Nickel-Basis-Legierung (Inconel) bestehen. Dieser Werkstoff hat nicht nur die Eigenschaft, besonders warmfest zu sein, sondern auch entsprechend günstig schweißbar.
  • Aus der Figur ist nun erkennbar, dass das Turbinenrad 12 mittels einer formschlüssigen Verbindung – im vorliegenden Fall einer Nietverbindung – mit dem Zwischenbauteil 18 verbunden ist. Hierzu umfasst das Turbinenrad 12 einen entsprechend in Richtung des Zwischenbauteils 18 bzw. der Welle 10 abstehenden Stummel 20, welcher einstückig mit dem übrigen Turbinenrad 12 ausgebildet ist und zweckmäßigerweise konduktiv auf eine Schmiedetemperatur erwärmt wird, um dann mit einem geeigneten Stempel mit dem Zwischenbauteil 18 vernietet zu werden. Das Zwischenbauteil 18 weist dabei neben einer Durchgangsöffnung 22 eine vergrößerte Ausnehmung 24 auf, so dass die Durchgangsöffnung 22 und die Ausnehmung 24 in der Figur im Schnitt dargestellte T-Form ergeben. Ein Kopf 26 des zum Niet ausgebildeten Stummels 20 liegt dabei innerhalb der Ausnehmung 24 ein, um die formschlüssige Verbindung zwischen dem Turbinenrad 12 und dem Zwischenbauteil 18 zu realisieren. Neben der in diesem Ausführungsbeispiel vorgesehenen konduktiven Erwärmung kann man sich alternativ auch eine induktive oder eine andere zweckmäßige Erwärmung vorstellen.
  • Neben dem durch die Nietverbindung erzielten reinen Formschluss zwischen Zwischenbauteil 18 und Rotationsbauteil 12 wird durch die Nietverbindung auch ein Kraftschluss zwischen diesen Bauteilen erzielt. Dieser ergibt sich aus dem Schrumpfen und Ausdehnen der beiden Werkstoffe der beteiligten Bauteile, die jeweils unterschiedliche Wärmedehnungen aufweisen.
  • Durch die vorher beschriebene formschlüssige Verbindung, insbesondere Nietverbindung, wird der Tatsache Rechnung getragen, dass Titan-Aluminium (TiAl) relativ schlecht schweißbar ist und durch stark unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen TiAl und Stahl im Betrieb starke Spannungen in der Schweißnaht entstehen würden. Andererseits ist Titan-Aluminium (TiAl) aufgrund seiner niedrigen Dichte und seiner relativ hohen Warmfestigkeit besonders gut als Turbinenradwerkstoff für dynamisch beanspruchte Turbinenräder geeignet. Die geringe Dichte ermöglicht eine schnellere Beschleunigung und damit einen schnelleren Ladedruckaufbau.
  • Des Weiteren ist aus der Figur erkennbar, dass das Zwischenbauteil 18 mit der Welle 10 über eine Schweißverbindung, insbesondere durch Reibschweißen oder Elektronenstrahlschweißen (EB-Schweißen), verbunden ist. Dies ist möglich, da sowohl das Zwischenbauteil 18 (Inconel) wie auch die Welle 10 (Vergütungsstahl 42CrMo4) aus entsprechend schweißbaren Werkstoffen bestehen. Dabei sind das Zwischenbauteil 18 und die Welle 10 so ausgestaltet, dass diese lediglich im Bereich ihres Außenumfangs miteinander verbunden sind. Hierdurch lässt sich beispielsweise eine besonders günstige Reibschweißung realisieren, da am Außenumfang die Rotationsgeschwindigkeiten entsprechend groß eingestellt werden können.
  • Des Weiteren ist mit gestrichelten Linien 28 angedeutet, dass stirnseitig in die Welle 10 eine entsprechende Aussparung 30 eingebracht ist. Diese bildet mit dem Raum der Ausnehmung 24, welcher nicht durch den Kopf 26 des Stummels 20 eingenommen ist, einen Hohlraum 32, welcher als Wärmedrossel zum Lager hin dient. Somit wird insbesondere erreicht, dass über das Turbinenrad 12 bzw. das Zwischenbauteil 18 ein geringerer Wärmeeintrag in die Welle 10 erfolgt.
  • Der Stummel 20 und die Durchgangsöffnung 22 können in ihrer Form entsprechend aufeinander abgestimmt sein. Beispielsweise wäre es denkbar, sie mit einem kreisrunden Querschnitt zu versehen. Gleichfalls kann der jeweilige Querschnitt auch eckig als Polygon ausgebildet sein, um eine bessere Drehmomentübertragung zwischen dem Turbinenrad 12 und dem Zwischenbauteil 18 zu erreichen. Dies ist technisch relativ unproblematisch möglich, da das Turbinenrad 12 gießtechnisch hergestellt wird und das Zwischenbauteil 18 beispielsweise geschmiedet sein kann.
  • Insgesamt ist somit erkennbar, dass vorliegend eine mittelbare Verbindung der Welle 10 und des Turbinenrads 12 über das Zwischenbauteil 18 geschaffen ist, so dass beispielsweise für das Turbinenrad 12 der Werkstoff Titan-Aluminium (TiAl) verwendet werden kann. Ein weiterer Vorteil ist die Erzeugung des Hohlraums 32 als Wärmedrossel. Bei dem Einsatz des Zwischenbauteils 18 ist dabei ein optimaler Werkstoffmix möglich, wobei zudem durch die gewählten Verbindungsverfahren Eigenspannungen der Verbindung vermieden werden können. Zudem ergibt sich eine äußerst kostengünstige Verbindung des hochwarmfesten Turbinenrades 12 mit einer günstigeren Welle 10. Ein weiterer Vorteil ist es, dass eine spannungskritische direkte Verbindung des aus Titan-Aluminium (TiAl) bestehenden Turbinenrades 12 vermieden ist.
  • Bei dem vorliegenden Verfahren zur Herstellung der Verbindung hat es sich dabei als besonders vorteilhaft gezeigt, im ersten Schritt das Turbinenrad 12 mit dem Zwischenbauteil 18 zu vernieten. Damit wird der Stummel 20 beispielsweise konduktiv zunächst auf Schmiedetemperatur erwärmt und dann mittels eines geeigneten Stempels verformt. Im nächsten Schritt wird dann das Zwischenbauteil 18 mit der Welle 10 mittels eines geeigneten Schweißverfahrens verbunden.
  • Neben dem oben dargestellten Verbinden des Zwischenbauteils 18 mit der Welle 10 mit Hilfe eines Elektronenstrahlschweißverfahrens ist auch ein anderes Strahlschweißverfahren, beispielsweise das Laserschweißen, zum Verbinden geeignet.
  • Alternativ zu diesen Schweißverfahren ist es auch möglich, Zwischenbauteil 18 und Welle 10 durch ein Lötverfahren miteinander zu verbinden.

Claims (7)

  1. Verbindung einer Welle (10) mit einem Rotationsbauteil, wobei ein Zwischenbauteil (18) vorgesehen ist, mittels welchem die Welle (10) mit dem Rotationsbauteil (12) mittelbar verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenbauteil (18) mit dem Rotationsbauteil (12) mittels einer Nietverbindung verbunden ist, welche eine Durchgangsöffnung (22) und eine Ausnehmung (24) des Zwischenbauteils (18) und einen am Rotationsbauteil vorgesehenen Niet aufweist, welcher die Durchgangsöffnung (22) durchdringt und in die Ausnehmung (24) eingreift.
  2. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad (12) aus einem warmfesten Werkstoff besteht.
  3. Verbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenbauteil (18) aus einem warmfesten und schweißbaren Werkstoff besteht.
  4. Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (10) aus einem schweißbaren Werkstoff besteht.
  5. Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenbauteil (18) mit der Welle (10) mittels einer Schweißverbindung verbunden ist.
  6. Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenbauteil (18) mit der Welle (10) mittels einer Lötverbindung verbunden ist.
  7. Verfahren zum Herstellen einer Verbindung einer Welle mit einem Rotationsbauteil, wobei die Welle (10) und das Rotationsbauteil (12) mittels eines Zwischenbauteils (18) mittelbar miteinander verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenbauteil (18) mit dem Rotationsbauteil (12) durch ein Nietverfahren verbunden wird, bei welchem an dem Zwischenbauteil (18) eine Durchgangsöffnung (22) und eine Ausnehmung (24) und an dem Rotationsbauteil ein Niet vorgesehen wird, welcher die Durchgangsöffnung (22) durchdringt und in die Ausnehmung (24) eingreift.
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