DE102009060056A1

DE102009060056A1 - Wellenverband eines Abgasturboladers

Info

Publication number: DE102009060056A1
Application number: DE102009060056A
Authority: DE
Inventors: Georg 55597 Scholz; Martin 67292 Becker
Original assignee: BorgWarner Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 2009-12-22
Filing date: 2009-12-22
Publication date: 2011-06-30
Also published as: US9470146B2; JP6069380B2; WO2011087662A3; KR20120103688A; US20130004300A1; CN102639841A; JP5695082B2; KR101670737B1; CN102639841B; WO2011087662A2; JP2015108378A; JP2013515208A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wellenverband (1A) eines Abgasturboladers (1) mit einer Welle (5), mit einem Turbinenrad (2), das mit einem Ende der Welle (5) zur Bildung eines Läufers verbindbar ist, mit einem Verdichterrad (12), das mit dem anderen Ende der Welle (5) verbindbar ist, mit einer Dichtungsbuchse (14), die auf der dem Turbinenrad (2) zugewandten Seite des Verdichterrads (12) auf der Welle (5) platzierbar ist, und mit einer Wellenmutter (15), die auf einen freien Endbereich (16) der Welle (5) zur Fixierung des Verdichterrades (12) über ein Innengewinde (17) aufschraubbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenmutter (15) in einem dem Verdichterrad (12) benachbarten Abschnitt (19) eine sich an das Innengewinde (17) anschließende Freidrehung (18) mit einem gegenüber einem Innengewindedurchmesser (D₁) größerem Innendurchmesser (D₂) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wellenverband eines Abgasturboladers gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein derartiger Wellenverband gemäß dem Stand der Technik weist das Problem statischer Überbestimmungen auf, die zu Biegespannungen bzw. Zwangskräften im Wellenverband führen. Dies wiederum ergibt eine unerwünschte Reduzierung der Elastizität des Wellenverbandes, was wiederum zu Unwuchten führen kann. Darüber hinaus ist ein Abgasturbolader im realen Fahrzeugbetrieb hohen Beschleunigungen und Temperaturen ausgesetzt. Dies führt zum Auftreten extremer Kräfte in der Verschraubung des Verdichterrades, wodurch ebenfalls ein nachträgliches Setzen auftreten kann.
Durch diese Prozesse verändert sich wiederum die Unwucht des Laufzeuges bzw. des Wellenverbandes, was im Fahrzeug unerwünschte Geräusche verursachen kann.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wellenverband eines Abgasturboladers gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 zu schaffen, der eine Reduktion von im Betrieb auftretenden Unwuchten und damit einhergehenden störenden Geräuschen ermöglicht.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Dadurch, dass die Wellenmutter Freidrehungen aufweist, ergibt sich eine Vergrößerung der Dehnlänge des Wellenverbands, was allein einen erheblichen Beitrag zur Erreichung der eingangs genannten Ziele ermöglicht.
Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Wellenmutter einen Gehäusebereich auf, der durch die Vergrößerung des Außendurchmessers eine vergrößerte Anlagefläche zum Verdichterrad ermöglicht, was eine reduzierte Flächenpressung bzw. die Realisierung einer größeren Vorspannkraft möglich macht.
Durch Freidrehungen in der Durchgangsausnehmung der Dichtungsbuchse wird es der Dichtungsbuchse ermöglicht, etwas um ihren Schwerpunkt zu kippen und auf beiden Seiten eben aufzuliegen. Dies ergibt den Vorteil größtmöglicher Kontaktfläche bei der Verschraubung und damit eine reduzierte Flächenpressung. Durch die mittige Lage der Zentrierung bzw. des Zentralbereichs zwischen den Freidrehungen bzw. den im Innendurchmesser vergrößerten Innenbereichen bleibt der Einfluss der Dichtungsbuchse auf mögliche Unwuchten unverändert.
Vorzugsweise wird ferner das Verdichterrad axial möglichst kurz gebaut, d. h. der gegenüber den Schaufeleintrittskanten axial vorstehende Teil des Verdichterrades wird möglichst kurz ausgeführt.
Insbesondere bei Verwendung von Aluminiumlegierungen für das Material des Verdichterrades ist zu berücksichtigen, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient von Aluminium (ungefähr 2,33) doppelt so groß ist wie der von Stahl. Dadurch lässt sich die Spannung im Wellenverband durch das Kürzen des Verdichterrades gegenüber bekannten Verdichterrädern reduzieren.
Die Welle, beziehungsweise der aus der Welle und dem Turbinenrad aufgebaute Läufer, wird vorzugsweise mit zwei Taillierungen versehen, die eine gute Nachgiebigkeit der Welle ergeben. Die Wärmeausdehnung der Bauteile im Wellenverband kann ferner ausgeglichen werden, was das Vermeiden von Plastifizierungen und somit einer Unwuchtveränderung ermöglicht.
Dennoch kann das Verdichterrad an seinen Stellen mit der geringsten Bohrungsaufweitung weiterhin bis über die Stützbereiche bestmöglich zentriert werden.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnung. Es zeigt:
1 eine perspektivische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers,
2 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Wellenverbandes,
3A eine perspektivische Darstellung einer Wellenmutter des erfindungsgemäßen Wellenverbandes,
3B eine Schnittdarstellung der Wellenmutter gemäß 3A,
4 eine Seitenansicht eines Verdichterrades des erfindungsgemäßen Wellenverbandes,
5 eine Schnittdarstellung einer Dichtungsbuchse des erfindungsgemäßen Wellenverbandes, und
6 eine Seitenansicht eines Läufers des erfindungsgemäßen Wellenverbandes.
Die perspektivische Schnittansicht von 1 zeigt einen Abgasturbolader 1, der ein Turbinengehäuse 39, ein Lagergehäuse 4 und ein Verdichtergehäuse 10 mit einer Verdichterspirale 13 aufweist.
Im Inneren des Lagergehäuses 4 ist eine Welle 5 angeordnet, an deren turbinenseitigem Ende ein Turbinenrad 2 und auf deren gegenüberliegendem Ende ein Verdichterrad 12 in einem Gehäuseinnenraum 11 des Verdichtergehäuses 10 befestigt ist. Die Welle 5, die mit dem daran befestigten Turbinenrad 2 und Verdichterrad 12 einen Läufer des Abgasturboladers bildet, ist im Lagergehäuse 4 mittels zweier Schwimmbuchsenlagerungen 6, 7 abgestützt, die über zwei im Lagergehäuse 4 ausgebildete Ölzuführleitungen 8, 9 mit Schmierstoff versorgt werden.
2 zeigt eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Wellenverbands 1A des Abgasturboladers 1 mit dem am turbinenseitigen Ende der Welle 5 befestigten Turbinenrad 2 und mit am anderen Ende der Welle 5 befestigten Verdichterrad 12.
Zur Befestigung des Verdichterrads 12 sind hierbei eine Anschlagscheibe 37, eine Dichtungsbuchse 14 und das Verdichterrad 12 nacheinander auf den freien Endbereich 16 der Welle 5 bis zu deren Bereich 38 aufgeschoben bzw. angeschlagen, der einen größeren Durchmesser als der freie Endbereich 16 der Welle 5 aufweist. Mittels einer Wellenmutter 15 sind das Verdichterrad 12, die Dichtungsbuchse 14 und die Anschlagscheibe 37 auf dem Läufer fixiert. Auf dem Endbereich 16 der Welle 5 sind hierbei zudem Taillierungen 33, 34 sowie Stützbereiche 35, 36 (siehe 5) vorgesehen.
Wie aus der perspektivischen Darstellung von 3A ersichtlich, weist die Wellenmutter 15 an einem ersten Gehäusebereich 24 eine stirnseitige, dem Verdichterrad 12 zugewandte Anlagefläche 21 auf. Aufgrund der großen Anlagefläche 21 wird eine reduzierte Flächenpressung bzw. größere Vorspannkraft zwischen der Wellenmutter und dem Verdichterrad 12 erreicht. Wie aus der Schnittdarstellung von 3B ersichtlich, weist die Wellenmutter 15 einen Abschnitt 19 auf, der in den ersten Bereich 24 mit einem Durchmesser D₃ und einen zweiten Bereich 22 mit einem Durchmesser D₄ unterteilt ist. An den Bereich 22 schließt sich ein dritter Bereich 23 mit einem Durchmesser D₅ an. Der Durchmesser D₃ ist hierbei größer als der Durchmesser D₄ bemessen, der wiederum größer als der Durchmesser D₅ ist. Die Wellenmutter 15 weist im dem Verdichterrad 12 benachbarten Abschnitt 19 eine sich an das Innengewinde 17 anschließende Freidrehung 18 mit einem gegenüber einem Innengewindedurchmesser D₁ größerem Innendurchmesser D₂ auf, welche sich im ersten Bereich 24 bis teilweise in den zweiten Bereich 22 erstreckt. Das Innengewinde 17 erstreckt sich demgegenüber im dritten Bereich 23 bis teilweise in den zweiten Bereich 22. Die Freidrehung 18 in der Wellenmutter 15 bewirkt eine verkürzte Eingriffslänge des Innengewindes 17 in das Außengewinde der Welle 5 und somit eine Vergrößerung der Dehnlänge der Wellenmutter 15.
Die perspektivische Darstellung von 4 zeigt ein Verdichterrad 12, dessen Baulänge durch Kürzung der Nabe im Vergleich zu herkömmlichen Verdichterrädern ausgebildet ist. Die Ebene des Nabenbeginns ragt dabei näherungsweise axial nur noch um die Distanz der Schaufelfußrundung über die Ebene der Schaufeleintrittskanten hinaus. Die kurze Baulänge des Verdichterrads 12 führt bei Erwärmung zu einer geringeren Längenausdehnung des Bauteils. Das Verdichterrad 12 des erfindungsgemäßen Weltverbandes ist aufgrund eines doppelt so großen Wärmeausdehnungkoeffizienten gegenüber Stahl vorzugsweise aus einer Aluminiumlegierung hergestellt, um die Spannung im Wellenverband weiter zu reduzieren.
Wie aus der Schnittdarstellung der Dichtungsbuchse 14 von 5 detailliert ersichtlich, weist die Dichtungsbuchse 14 ein Buchsengehäuse 25 mit einer Durchgangsausnehmung 26 auf. Die Durchgangsausnehmung 26 weist zwei Endbereiche 27, 28 auf, deren Innendurchmesser D₆, D₇ größer sind als ein Innendurchmesser D₈ eines zwischen den Endbereichen 27, 28 angeordneten Zentralbereichs 29 der Durchgangsausnehmung 26. Eine Länge L₃ des Zentralbereichs 29 der Dichtungsbuchse 14 ist hierbei vorzugsweise größer bemessen als die Längen L₁, L₂ der Endbereiche 27, 28, die wiederum vorzugsweise ein identisches Maß aufweisen. Wie aus 5 weiter ersichtlich, ist zwischen den Endbereichen 27 bzw. 28 und dem Zentralbereich 29 jeweils ein sich in seinem Durchmesser stetig vergrößernder Übergangsbereich 30 bzw. 31 vorgesehen. Aufgrund der durch Freidrehungen gegenüber dem Zentralbereich 29 vergrößerten Innendurchmesser D₆ und D₇ kann die Dichtungsbuchse 14 auf der Welle 5 um ihren Schwerpunkt kippen und dadurch auf beiden Seiten eben und biegespannungsfrei anliegen.
Die Seitenansicht von 6 zeigt einen Läufer des erfindungsgemäßen Wellenverbandes 1A. Wie aus 6 ersichtlich, weist die Welle 5 hierbei aus Richtung des Turbinenrads 2 gesehen den Wellenbereich 38 mit kontinuierlich gleichem Durchmesser auf, an den ein Lagerbereich 32 für das Verdichterrad 12 angrenzt. Der Lagerbereich 32 weist zwei Taillierungen 33 bzw. 34 mit einem Außendurchmesser A₁ bzw. A₂ und zwei Stützbereiche 35 bzw. 36 mit einem Außendurchmesser A₃ bzw. A₄ auf, welche an die Taillierungen 33, 34 angrenzen bzw. daran anschließend angeordnet sind. Das Verdichterrad 12 wird hierbei an den Stützbereichen 35 und 36 zentriert, während die Taillierungen 33 und 34 die Elastizität und die Längenausdehnung bzw. Nachgiebigkeit der Welle 5 deutlich erhöhen, wodurch die Wärmeausdehnung der Bauteile im Wellenverband besser ausgeglichen wird.
Zur Ergänzung der Offenbarung wird hiermit neben der vorstehenden schriftlichen Offenbarung der Erfindung explizit auf deren zeichnerische Darstellung in den 1 bis 6 verwiesen.
Bezugszeichenliste

1: Abgasturbolader
1A: Wellenverband
2: Turbinenrad
3: Verdichter
4: Lagergehäuse
5: Welle
6, 7: Schwimmbuchsenlagerung
8, 9: Ölzuführleitungen
10: Verdichtergehäuse
11: Gehäuseinnenraum
12: Verdichterrad
13: Verdichterspirale
14: Dichtungsbuchse
15: Wellenmutter
16: freier Endbereich der Welle
17: Innengewinde
18: Freidrehung
19: Abschnitt
20: Übergangsbereich
21: Anlagefläche
22, 23, 24: Bereiche
25: Buchsengehäuse
26: Durchgangsausnehmung
27, 28: Endbereiche der Durchgangsausnehmung
29: Zentralbereich
30, 31: Übergangsbereiche
32: Lagerbereich
33, 34: Taillierungen
35, 36: Stützbereiche
37: Anschlagscheibe
38: Wellenbereich
39: Turbinengehäuse
40: Ebene Nabenbeginn
41: Schaufelvorderkantenebene
R: Schaufelfußrundung

Claims

Wellenverband (1A) eines Abgasturboladers (1) – mit einer Welle (5), – mit einem Turbinenrad (2), das mit einem Ende der Welle (5) zur Bildung eines Läufers verbindbar ist, – mit einem Verdichterrad (12), das mit dem anderen Ende der Welle (5) verbindbar ist, – mit einer Dichtungsbuchse (14), die auf der dem Turbinenrad (2) zugewandten Seite des Verdichterrads (12) auf der Welle (5) platzierbar ist, und – mit einer Wellenmutter (15), die auf einen freien Endbereich (16) der Welle (5) zur Fixierung des Verdichterrades (12) über ein Innengewinde (17) aufschraubbar ist, dadurch gekennzeichnet, – dass die Wellenmutter (15) in einem dem Verdichterrad (12) benachbarten Abschnitt (19) eine sich an das Innengewinde (17) anschließende Freidrehung (18) mit einem gegenüber einem Innengewindedurchmesser (D₁) größerem Innendurchmesser (D₂) aufweist.
Wellenverband (1A) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Freidrehung (18) über einen sich in seinem Durchmesser stetig vergrößernden Übergangsbereich (20) an das Innengewinde (17) anschließt.
Wellenverband (1A) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Verdichterrad (12) benachbarte Abschnitt (19) der Wellenmutter (15) einen Bereich (24) mit einer Anlagefläche (21) aufweist, deren Außendurchmesser (D₃) größer ist als die Außendurchmesser (D₄, D₅) sich anschließender Bereiche (22, 23).
Wellenverband (1A) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsbuchse (14) ein Buchsengehäuse (25) mit einer Durchgangsausnehmung (26) aufweist, die zwei Endbereiche (27, 28) aufweist, deren Innendurchmesser (D₆, D₇) größer sind als ein Innendurchmesser (D₈) eines zwischen den Endbereichen (27, 28) angeordneten Zentralbereichs (29).
Wellenverband (1A) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Längen (L₁, L₂) der Endbereiche (27, 28) gleich sind.
Wellenverband (1A) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (L₃) des Zentralbereichs (29) größer als die Längen (L₁, L₂) der Endbereiche (27, 28) ist.
Wellenverband (1A) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Endbereichen (27, 28) und dem Zentralbereich (29) jeweils ein sich in seinem Durchmesser stetig vergrößernder Übergangsbereich (30 bzw. 31) vorgesehen ist.
Wellenverband (1A) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (5) einen vom freien Endbereich (16) aus sich in Richtung zum Turbinenrad (2) erstreckenden Lagerbereich (32) für das Verdichterrad (12) aufweist, der zwei Taillierungen (33, 34) umfasst, deren Außendurchmesser (A₁ bzw. A₂) kleiner sind als die Außendurchmesser (A₃ bzw. A₄) von sich an die Taillierungen (33, 34) anschließenden Stützbereichen (35, 36).
Wellenverband (1A) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichterrad (12) aus einer Aluminiumlegierung besteht.
Wellenverband (1A) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Dichtungsbuchse (14) und einem Wellenbereich (38) der Welle (5) eine Anschlagscheibe (37) angeordnet ist.
Wellenverband (1A) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ebene des Nabenbeginns (41) des Verdichterrades (12) näherungsweise um die Distanz der Schaufelfußrundung (R) entfernt zur Schaufelvorderkantenebene (40) liegt.