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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckwellenlader aufweisend einen Zellrotormantel sowie einen darin drehbaren angeordneten Zellrotor gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Zellrotors gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 7.
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Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Zellrotors gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 8.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt zur Steigerung des Wirkungsgrades einer Verbrennungskraftmaschine diese aufzuladen. Hierbei wird die Ladeluft vorkomprimiert und dann mit gegenüber dem Atmosphärendruck erhöhtem Druck in einen Zylinder eingebracht. Als Aufladetypen sind beispielsweise Kompressoren, Abgasturbolader oder aber auch Druckwellenlader bekannt.
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Bei einem Druckwellenlader rotiert innerhalb eines Zellrotorgehäuses ein Zellrotor, wobei durch einen gasdynamischen Prozess das von der Verbrennungskraftmaschine ausgeschiedene Abgas in den Zellrotor eintritt, in dem Zellrotor selbst angesaugte Frischluft komprimiert und so dann die komprimierte Frischluft der Verbrennungskraftmaschine zuführt. Anschließend wird das Abgas, das zu Komprimierung der Frischluft genutzt wurde in einen Abgasstrang geführt.
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Der Wirkungsgrad des Druckwellenladers selber hängt dabei maßgeblich von der Zellengeometrie des Zellrotors sowie dessen Genauigkeit beim Übertritt der Zellen an die jeweiligen Kanäle 1 bis 4 des Druckwellenladers und weiterhin von der Trägheit des Zellrotors ab. Es ist also erstrebenswert einen Zellrotor mit möglichst geringerem Eigengewicht, hoher Bauteilpräzision und exakter Bauteilmaße erstrebenswert.
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Hierzu ist beispielsweise aus der
DE 10 2007 037 424 B4 ein Zellrotor bekannt, bei dem auf einer Rotornabe von innen nach außen verlaufend mehrere Kammerreihen ausgebildet sind und in einer jeweiligen Kammerreihe radial umlaufend mehrere Zellen ausgebildet sind. Zum Trennen der Zellen untereinander sind Trennwände in der Kammerreihe angeordnet, die dann in jeder Kammerreihe eine Vielzahl von Zellen gegeneinander abtrennen. Insbesondere die Herstellung eines solchen bekannten Zellrotors ist problematisch, da komplexe Fügeprozesse anzuwenden sind um das Bauteil mit hinreichender Genauigkeit herzustellen. Im Betrieb des Zellrotors ist dieser mitunter heißen und hochkorrosiven Abgasen ausgesetzt, die Temperaturen von bis zu mehr als 600°C, insbesondere auch bis zu mehr als 900°C erreichen können. Es ist somit ebenfalls erstrebenswert, einen Zellrotor bereitzustellen, der auch bei intensiver und jahrelanger Nutzung eine hinreichende Bauteilstandfestigkeit aufweist, so dass dieser nicht durch Werkstoffversagen ausfällt.
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Weiterhin ist aus der
WO 2010/057319 A1 ein Verfahren zur Herstellung eines Zellenrades bekannt, bei dem mehrere Trennbleche auf einem Grundblech befestigt werden und anschließend das Grundblech aufgewickelt wird, so dass sich ein runder Zellrotor ergibt. Ein solches Herstellungsverfahren ermöglicht zwar den Zugang zu den mitunter geringen Bauräumen zwischen den einzelnen Trennwänden, ist jedoch aufgrund des erst nachträglichen Aufwickelns und dem abschließenden Koppeln des Grundbleches fehleranfällig aufgrund einer Koppelungsnaht, wobei insbesondere durch den Aufwicklungsprozess eine Unwucht ausgebildet sein kann.
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Auch die
WO 2012/059372 A1 zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines Zellenrades aus Metall mit konzentrisch zu einer Rotationsachse liegenden Hülsen und zwischen aufeinander folgenden Hülsen angeordneten, radial zur Rotationsachse ausgerichteten Lamellen, die mit einer Endkante mit einer Hülse gefügt sind und vor dem Fügen der freien Endkanten mit einer nachfolgenden Hülse in ihrer Winkellage fixiert werden. Der wesentliche Nachteil des beschriebenen Zellenrades liegt darin, dass die Lamellen im Wesentlichen senkrecht angeordnet sind und so eine verschleißanfällige Konstruktion entsteht.
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Auch die
CH 405 827 A offenbart ein Zellenrad einer Druckwellenmaschine für gasförmige Arbeitsmittel. Diese Druckwellenmaschine beruht auf dem Mechanismus einer Zellenmaschine, bei dem durch direkte Einwirkung eines gasförmigen Arbeitsmittels eine Druckerhöhung eines zweiten gasförmigen Arbeitsmittels erfolgt. Nachteilig an dieser Ausgestaltung ist, dass zwischen zwei separate Hülsen ein mäanderförmiges Blech eingebracht wird, welches die Trennbereiche zwischen den beiden Hülsen gestaltet.
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In der
DE 200 13 920 U1 wird ein Katalysator gezeigt, welcher aus einem Gehäuse und in diesem Gehäuse angeordneten wabenförmigen und aufgewickelten Blechstreifen besteht.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher ausgehend vom Stand der Technik einen Zellrotor für einen Druckwellenlader bereitzustellen, der gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Zellrotoren zum einen kostengünstiger herstellbar ist, zum anderen eine höhere Dauerhaltbarkeit und ein geringes Eigengewicht sowie ein verbessertes dynamisches Verhalten aufweist. Es ist ferner Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Zellrotors aufzuzeigen.
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Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Druckwellenlader aufweisend einen Zellrotormantel sowie einen darin drehbar angeordneten Zellrotor gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst.
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Der verfahrenstechnische Anteil der Aufgabe wird weiterhin mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 7 gelöst. Eine alternative Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens wird ferner gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 8 aufgezeigt.
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Der erfindungsgemäße Druckwellenlader weist einen Zellrotormantel sowie einen darin drehbar angeordneten Zellrotor auf, wobei der Zellrotor in radialer Richtung mindestens zwei übereinander liegende Kammerreihen aufweist, wobei in einer Kammerreihe nebeneinander liegend voneinander getrennte Zellen angeordnet sind. In einer Kammerreihe ist ein radial um die Rotationsachse des Zellrotors umlaufendes mäanderförmiges Trennblech angeordnet, wobei das mäanderförmige Trennblech in Radialrichtung des Zellrotors orientierte Stege aufweist, wobei zwischen den Stegen Übergangsbereiche ausgebildet sind und wobei die Stege die einzelnen Zellen voneinander trennen.
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Zudem ist der Zellrotor erfindungsgemäß aus einem einstückigen und werkstoffeinheitlichen Blechzuschnitt ausgebildet. Hierzu wird der Blechzuschnitt zunächst in glatte und mäanderförmige Längenabschnitte eingeteilt und sodann aufgewickelt, so dass zunächst durch eine Umdrehung die Rotornabe aus einem glatten Längenabschnitt gewickelt wird, in einer folgenden Umdrehung die erste Kammerreihe durch ein mäanderförmiges Trennblech auf die Rotornabe gewickelt wird, in einer dritten Umdrehung die erste Trennhülse aus einem glatten Längenabschnitt auf die erste Kammerreihe gewickelt wird und in einer vierten Umdrehung eine zweite Kammerreihe durch ein zweites mäanderförmiges Trennblech auf die erste Trennhülse gewickelt wird und in einer weiteren Umdrehung durch einen glatten Längenabschnitt eine zweite Trennhülse auf das zweite mäanderförmige Trennblech gewickelt wird. Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, direkt mit der ersten Kammerreihe zu beginnen, so dass die Rotornabe als Wickelbauteil entfällt und eine Rotornabe beispielsweise aus einem zylindrischen Hohlkörper bereitgestellt wird. Hierdurch lässt sich der Zellrotor insbesondere sehr kostengünstig mit gleichzeitig hoher Präzision und optimierter Wandstärke bereitstellen. Die Kammerreihen des Zellrotors liegen ringförmig ineinander. Eine jede Kammerreihe ist insbesondere kreisabschnittsrund ausgebildet, wobei auf einer Rotornabe eine erste Kammerreihe angeordnet ist, die von einer zweiten Kammerreihe umschlossen ist, die wiederum von einer dritten Kamerreihe kreisabschnittsförmig umgriffen ist.
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In den einzelnen Kammerreihen selber sind dann radial umlaufend verteilt Zellen ausgebildet, wobei die Zellen durch jeweilige Trennstege voneinander separiert sind. Insbesondere sind die Zellen jeweils gasdicht voneinander separiert. Erfindungsgemäß erfolgt die Separierung durch ein in einer jeweiligen Kammerreihe angeordnetes mäanderförmiges Trennblech. Das mäanderförmige Trennblech hat einen im Wesentlichen sinusförmigen Verlauf, so dass auf einen in radialer Richtung orientierten Steg ein Wellental folgt, auf das Wellental wiederum ein Steg folgt und auf den Steg ein Wellenberg folgt. Dies setzt sich dann periodisch über den gesamten Verlauf des Trennblechs fort. Insbesondere ist das Trennblech als Wellblech ausgebildet.
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Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch nicht zwingend erforderlich, dass sich jeweils zwischen den Stegen ein runder Verlauf ergibt. Der Übergang von einem Steg zu Wellental, von Wellental zu Steg und Steg zu Wellenberg wiederum vom Wellenberg zu einem weiteren Steg kann auch mit nur kleinen Biegeradien ausgebildet sein und/oder auch durch Abkanten erfolgen, so dass sich letzterenfalls jeweils zwischen Wellenberg und Steg und Steg und Wellental ein Winkel ergibt.
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Im Rahmen der Erfindung ist das mäanderförmige Trennblech derart in der Kammerreihe angeordnet, dass die Stege im Wesentlichen in Radialrichtung orientiert sind. In der Folge ist das Wellental mit einem geringeren Radius ausgebildet, als es bei dem Wellenberg der Fall ist. Ebenfalls ist der Wellenberg in diesem Fall breiter ausgebildet als das Wellental. Hierdurch ergibt sich dann wiederum die Orientierung des Steges in Radialrichtung.
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Im Rahmen der Erfindung ist es möglich, das die Zellen der einzelnen Kammerreihen in Radialrichtung übereinander liegen, insbesondere erstrecken sich die Zellen der Kammerreihen in einem Kreisausschnitt. Dies bedeutet, dass die radial jeweils außen liegende, benachbarte Zelle größer ausgebildet ist, als die auf die Radialrichtung bezogen darunter liegende Zelle. Die Zellen weiten sich dann von Innen nach Außen auf, so dass die Stege wiederum in Radialrichtung orientiert sind und jeweils zwei Stege einer Zelle in einem Winkel zueinander ausgebildet sind.
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Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch möglich, dass die einzelnen Stege verschiedener Kammerreihen versetzt zueinander ausgebildet sind. Dies bedeutet, dass die Zellen der auf die Radialrichtung bezogen innen liegenden Kammerreihe gegenüber den Zellen einer auf die Radialrichtung bezogen außen liegenden Kammerreihe versetzt sind.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung eines mäanderförmig verlaufenden Trennblechs in einer jeweiligen Kammerreihe ist es möglich, den Zellrotor mit besonders geringem Eigengewicht auszubilden. Insbesondere werden durch die Verwendung des mäanderförmigen Blechs Wandstärken realisiert, die kleiner als 0,5 mm, insbesondere kleiner als 0,4 mm, besonders bevorzugt kleiner als 0,3 mm und ganz besonders bevorzugt kleiner als 0,2 mm ausgebildet sind.
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Aufgrund der Wellenberge und Wellentäler weisen die Stege zueinander einen festen Abstand auf, so dass die Wellenberge und/oder Wellentäler an den jeweiligen Außenmantelflächen oder aber Innenmantelflächen von Trennhülsen bevorzugt ausschließlich haftfixiert werden müssen. Dies bedeutet, dass das mäanderförmige Trennblech insgesamt nicht verrutscht, dass jedoch das relative Fixieren der Stege untereinander über Wellenberge und Wellentäler erfolgt. Hierdurch ist es möglich, den Zellrotor mit einem geringen Eigengewicht auszubilden, so dass der Zellrotor bei Beschleunigungs- oder Abbremsvorgängen eine höhere Dynamik aufweist.
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Im Rahmen der Erfindung ist es ebenfalls einfacher den Zellrotor herzustellen, da das mäanderförmige Trennblech in die Kammerreihe eingesetzt und/oder aufgewickelt wird. Aufwendige Fügeoperationen von einzelnen Trennstegen und damit verbundene Schweißvorgänge und gegebenenfalls Produktionstoleranzen entfallen erfindungsgemäß. Hierdurch sinken die Produktionskosten bei gleichzeitig steigender Produktionsgenauigkeit.
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Weiterhin bevorzugt ist zwischen zwei Kammerreihen eine Trennhülse angeordnet, wobei die Trennhülse als zylindrischer Hohlkörper ausgebildet ist. Innenliegend ist bei dem Zellrotor insbesondere eine Zellrotornabe angeordnet, wobei die Zellrotornabe insbesondere kreisrund, ganz besonders bevorzugt als zylindrischer Hohlkörper ausgebildet ist. Die Zellrotornabe ist dann kreisrund erstreckend von einer ersten Kammerreihe umgriffen. Die erste Kammerreihe ist dann wiederum im Rahmen der Erfindung von einer Trennhülse umgriffen derart, dass die Trennhülse auf die erste Kammerreihe aufgewickelt und/oder aufgeschoben, letzterenfalls insbesondere aufgepresst ist. Im Rahmen des Aufschiebens, insbesondere Aufpressens ist es möglich, die Trennhülse insbesondere als nahtlosen Hohlkörper auszubilden. Ein nahtloser Hohlkörper weist den Vorteil auf, dass er keinerlei Unwucht aufgrund einer Schweißnaht besitzt. Ferner ist an dem nahtlosen Hohlkörper eine optimierte Wandstärke, insbesondere eine Wandstärke von weniger als 1 mm, bevorzugt weniger als 0,8 mm und insbesondere weniger als 0,5 mm realisierbar ist. Auf eine erste Trennhülse wird dann wiederum bevorzugt ein zweites mäanderförmiges Trennblech aufgeschoben, insbesondere aufgepresst, gefolgt dann wiederum von einer zweiten Trennhülse. Auch hierdurch ist es möglich, insbesondere einen Zellrotor bereitzustellen, der ein verbessertes Ansprechverhalten aufgrund eines geringeren Eigengewichts und nicht vorhandener Unwuchten und damit verbundener höherer Dynamik aufweist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung sind die Wellentäler mit einer Außenmantelfläche der darunter liegenden Trennhülse gekoppelt und/oder die Wellenberge mit einer Innenmantelfläche der darüber liegenden Trennhülse gekoppelt. Darunter liegend und darüber liegend ist jeweils in Radialrichtung ausgehend von der Rotornabe als Bezugspunkt zu verstehen.
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Bei der Kopplung handelt es sich insbesondere um eine stoffschlüssige Kopplung, ganz besonders bevorzugt um ein thermisches Fügen und insbesondere um einen Schweißvorgang oder aber einen Lötvorgang. Die Kopplung kann dabei im Rahmen der Erfindung als Haftkopplung, beispielsweise durch Schweißpunkte ausgebildet sein. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch möglich, die Kopplung als Längsnaht, die sich in axialer Richtung des Zellrotors vollständig erstreckt, auszubilden. Durch die Kopplung wird zum einen eine höhere Präzision der einzelnen Bauteile zueinander, insbesondere bei thermischer Belastung erreicht, so dass kein oder aber ein zu vernachlässigender Verzug der einzelnen Zelltrennwände, ausgebildet durch den mäanderförmigen Verlauf des Trennblechs erfolgt. Hierdurch steigt wiederum die Präzision des hergestellten Zellrotors, was sich vorteilig auf das Betriebsverhalten des Druckwellenladers und die dafür erforderliche Genauigkeit, insbesondere die sich einstellenden Spaltmaße auswirkt.
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Im Rahmen der Erfindung ist weiterhin insbesondere das mäanderförmige Trennblech und/oder die Trennhülsen aus einem Werkstoff ausgebildet, der folgende Legierungsbestandteile, ausgedrückt in Gew.-% aufweist:
| Nickel | (Ni) | min. 58.00% |
| Chrom | (Cr) | 20.00–23.00% |
| Molybdän | (Mo) | 8.00–10.00% |
| Niob | (Nb) | 3.15–4.15% |
| Eisen | (Fe) | max. 5.00% |
| Kohlenstoff | (C) | max. 0.10% |
| Mangan | (Mn) | max. 0.50% |
| Silizium | (Si) | max. 0.50% |
| Schwefel | (S) | max. 0.015% |
| Aluminium | (Al) | max. 0.40% |
| Titan | (Ti) | max. 0.40% |
| Phosphor | (P) | max. 0.015% |
| Cobalt | (Co) | max. 0.50%, |
wobei der Rest sich aus erschmelzungsbedingten Verunreinigungen zusammensetzt.
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Eine derartige Werkstofflegierung erweist sich als besonders vorteilig für den erfindungsgemäßen Zellrotor, da der Werkstoff zum einen temperaturresistent ist, zum anderen gegenüber den hochkorrosiven Eigenschaften des durch den Druckwellenlader strömenden Abgases resistent ist. Gleichzeitig jedoch lässt sich ein derart zusammengesetzter Werkstoff sehr gut verarbeiten, insbesondere in Bezug auf Schweißbarkeit und Formbarkeit und er besitzt ein geringes spezifisches Eigengewicht.
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Hierdurch wird es möglich, das bei dem Trennblech und/oder den Trennhülsen Wandstärken realisiert werden, die zwischen 0,01 mm und insbesondere 0,3 mm, ganz besonders bevorzugt zwischen 0,05 mm und 0,25 mm und ganz besonders bevorzugt von 0,1 mm bis 0,2 mm ausgebildet sind.
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Der verfahrenstechnische Teil der Aufgabe wird weiterhin mit einem Verfahren zur Herstellung eines Zellrotors eines Druckwellenladers aufweisend einen Zellrotormantel sowie einen darin drehbar angeordneten Zellrotor, wobei der Zellrotor in radialer Richtung mindestens zwei übereinanderliegende Kammerreihen aufweist, wobei in einer Kammerreihe nebeneinanderliegend voneinander getrennte Zellen angeordnet sind, in einer Kammerreihe ein radial um die Rotationsachse des Zellrotors umlaufendes mäanderförmiges Trennblech angeordnet ist und das mäanderförmige Trennblech in Radialrichtung orientierte Stege aufweist, wobei zwischen den Stegen Übergangsbereiche ausgebildet sind und wobei die Stege die einzelnen Zellen (15) voneinander trennen durch folgende Verfahrensschritte gelöst:
- – Bereitstellen einer Rotornabe,
- – Bereitstellen eines mäanderförmigen Trennbleches,
- – Aufwickeln des Trennbleches auf die Rotornabe oder Aufwickeln des Trennbleches und Aufschieben auf die Rotornabe,
- – Koppeln des mäanderförmigen Trennbeches mit der Außenmantelfläche der Rotornabe in den Wellentälern,
- – Aufschieben, insbesondere Aufpressen einer Trennhülse auf die Wellenberge,
- – optionales Koppeln der Wellenberge mit einer Innenmantelfläche der Trennhülse,
- – Bereitstellen eines zweiten mäanderförmigen Trennbleches,
- – Aufwickeln des Trennbleches auf die Rotornabe oder Aufwickeln des Trennbleches und Aufschieben auf die Rotornabe,
- – Koppeln des mäanderförmigen Trennbeches mit der Außenmantelfläche der Rotornabe in den Wellentälern
- – Aufschieben, insbesondere Aufpressen einer zweiten Trennhülse auf die Wellenberge,
- – optionales Koppeln der Wellenberge mit einer Innenmantelfläche der zweiten Trennhülse.
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Im Rahmen der Erfindung ist es möglich, für eine dritte, vierte, fünfte, sechste oder aber auch weiterfolgende Kammerreihe entsprechend die Verfahrensschritte zum Aufbringen eines weiteren mäanderförmigen Trennblechs, mit optionalem Koppeln und Aufbringen einer weiteren Trennhülse zu wiederholen.
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Im Rahmen der Erfindung werden besonders bevorzugt zumindest abschnittsweise die Wellenberge und/oder Wellentäler mit der jeweiligen Trennhülse gekoppelt. Hierzu wird insbesondere ein Laserschweißverfahren eingesetzt, wobei das Koppeln zum Haftfixieren mittels Schweißpunkten oder aber auch zum vollständigen Fixieren mittels Längsschweißnähten durchgeführt wird. Die Längsschweißnähte erstrecken sich insbesondere in Axialrichtung des Zellrotors.
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Der verfahrenstechnische Teil der Aufgabe wird weiterhin mit einem alternativen Herstellungsverfahren durch folgende Verfahrensschritte gelöst:
- – Bereitstellen eines länglichen Blechstreifens,
- – Abschnittsweises Erzeugen einer mäanderförmigen Struktur in dem Blechstreifen, wobei flache Abschnitte zwischen zwei mäanderförmigen Strukturen verbleiben,
- – Aufwickeln des Bearbeiteten Blechstreifens, wobei ein erster flacher Abschnitt zu der Rotornabe als Hohlzylinder aufgewickelt wird,
- – Aufwickeln des einstückig mit der Rotornabe verbundenen ersten mäanderförmigen Abschnittes auf die Außenmantelfläche der Rotornabe,
- – optionales thermisches Fügen der Wellentäler mit der Außenmantelfläche der Rotornabe,
- – Aufwickeln eines einstückig mit dem ersten mäanderförmigen Abschnitt verbundenen zweiten flachen Abschnittes und erzeugen einer Trennhülse, die den ersten mäanderförmigen Abschnitt umgibt,
- – optionales thermisches Fügen der Innenmantelfläche der Trennhülse mit den Wellenbergen des ersten mäanderförmigen Abschnittes,
- – Aufwickeln eines einstückig mit dem zweiten flachen Abschnittes gekoppelten zweiten mäanderförmigen Abschnittes auf die Trennhülse,
- – optionales thermisches Fügen der Wellentäler mit der Außenmantelfläche der ersten Trennhülse,
- – Aufwickeln eines einstückig mit dem zweiten mäanderförmigen Abschnitt verbundenen dritten flachen Abschnittes und erzeugen einer zweiten Trennhülse, die den zweiten mäanderförmigen Abschnitt umgibt,
- – optionales thermisches Fügen der Innenmantelfläche der zweiten Trennhülse mit den Wellenbergen des zweiten mäanderförmigen Abschnittes,
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Durch das alternative erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ist es möglich, den Zellrotor insbesondere einstückig und werkstoffeinheitlich aus einem Blechstreifen, insbesondere aus einem länglichen Blechzuschnitt durch Aufwickeln herzustellen.
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Im Rahmen der Erfindung wird dazu der Blechstreifen über seine Länge hinweg in unterschiedliche Abschnitte eingeteilt, die durch flache und mäanderförmige Längenabschnitte ausgebildet sind. Der flache Längenabschnitt wird insbesondere zur Herstellung einer Trennhülse und/oder Rotornabe genutzt und der jeweilige mäanderförmige Längenabschnitt wird dazu genutzt, die jeweilige Kammerreihe auszubilden. Im Rahmen der Erfindung werden somit an dem Rohling Längenabschnitte hergestellt, die mit zunehmender Wickelrichtung länger ausgebildet sind, so dass beispielsweise die erste Kammerreihe eine geringere Anzahl und/oder kleinere Zellen aufweist als die zweite Kammerreihe. Gleiches gilt für die Trennhülse, die erste, auf die Radialrichtung bezogen innere Trennhülse weist folglich einen kleineren Durchmesser auf, als die auf die Radialrichtung bezogen äußere zweite Trennhülse.
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Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin möglich, eine Rotornabe als separates Bauteil bereitzustellen, wobei dann ein einstückiger Blechstreifen auf die Rotornabe aufgewickelt wird und durch den Blechstreifen sowohl die mäanderförmigen Trennstrukturen, als auch die flachen Zylinderstrukturen hergestellt werden.
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Im Rahmen der Erfindung ist ebenfalls dann bei einem einstückig aufgewickelten Zellrotor die erfindungsgemäße Legierung als möglicher Werkstoff zu verwenden.
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Im Rahmen der Erfindung wird das thermische Fügen insbesondere als Laserschweißen durchgeführt. Dabei ist es möglich, bereits während des Wickelvorgangs die jeweils auf der Außenmantelfläche der Rotornabe oder der Trennhülse das nächste, zur Auflage kommende Wellental mit diesem mindestens haftfixiert, bevorzugt längsnahtgeschweißt wird. Hierdurch wird sichergestellt, dass während des Wickelvorgangs keine ungewünschte Deformation des mäanderförmigen Blechs derart entsteht, dass beispielsweise das Wellental sich beim weiteren Wickelvorgang gegenüber der Außenmantelfläche der darunter liegenden Rotornabe oder Trennhülse verschiebt.
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Im Rahmen der Erfindung wird weiterhin besonders bevorzugt ein jeweils flacher Abschnitt unter Erzeugung einer Vorspannung auf den auf die Radialrichtung bezogen darunter liegenden mäanderförmigen Abschnitt der Kammerreihe aufgewickelt, wobei durch den Aufwicklungsvorgang insbesondere eine Presspassung bzw. Übergangspassung erzeugt wird. Durch den so gestalteten Wickelvorgang wird aufgrund des formschlüssigen Presssitzes der Druckwellenlader mit hoher Präzision gefertigt, wobei die thermischen Ausdehnungen im Betriebsverhalten hierdurch auf ein zu vernachlässigendes Maß begrenzt werden.
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Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin besonders vorteilhaft, wenn der Blechstreifen zum anschließenden Aufwickeln des Zellrotors derart hergestellt wird, dass er über seine Länge verlaufend voneinander verschiedene Wandstärken besitzt. Insbesondere sind die Wandstärken der flachen Längenabschnitte zum Herstellen der Rotornabe oder Trennhülsen größer ausgebildet, als die Wandstärke des mäanderförmigen Längenabschnitts. Hierdurch ist es aufgrund der geringeren Wandstärke im mäanderförmigen Längenabschnitt möglich, eine bessere Umformbarkeit herzustellen, wobei aufgrund der größeren Wandstärke im Bereich der Rotornabe oder Trennhülse der Zellrotor eine hinreichende Steifigkeit erhält.
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Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind Bestandteil der nachfolgenden Beschreibung. Bevorzugte Ausführungsvarianten werden in den schematischen Figuren dargestellt. Diese dienen dem einfachen Verständnis der Erfindung. Es zeigen:
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1 eine perspektivische Frontansicht auf einen erfindungsgemäßen Zellrotor;
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2 ein erfindungsgemäßes mäanderförmiges Trennblech in einer perspektivischen Frontansicht;
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3 einen erfindungsgemäßen Zellrotor in Explosivdarstellung;
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4 eine Detailansicht eines erfindungsgemäßen Zellrotors und
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5a und b eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens.
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In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.
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1 zeigt eine perspektivische Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Zellrotor 1, wobei der Zellrotor 1 in Radialrichtung R von innen nach außen durch nachfolgende Baukomponenten aufgebaut ist. Innenliegend ist eine Zellrotornabe 2 angeordnet, die von einem ersten mäanderförmigen Trennblech 3 kreisförmig umschlossen ist. Das erste mäanderförmige Trennblech 3 ist wiederum von einer ersten Trennhülse 4 kreisförmig umschlossen, wobei auf die erste Trennhülse 4 ein zweites mäanderförmiges Trennblech 5 folgt. Auf das zweite mäanderförmige Trennblech 5 folgt wiederum eine zweite Trennhülse 6, wiederum gefolgt von einer außen umliegenden, abschließenden dritten Trennhülse 7. In der Mitte dargestellt ist innerhalb der Zellrotornabe 2 ein Lager 8, das den Zellrotor 1 drehbar um eine nicht näher dargestellte, mittig in der Lagerung in dem Lager angeordnete Rotationsachse drehbar lagert.
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Exemplarisch ist in 2 in perspektivischer Frontansicht eines mäanderförmigen Trennblechs 3 dargestellt. Das mäanderförmige Trennblech 3 weist auf die Radialrichtung R bezogen innen liegend Wellentäler 9 auf und außen liegend Wellenberge 10. Zwischen den Wellentälern 9 und Wellenbergen 10 erstrecken sich Stege 11, die bei innen und außen anliegenden Trennhülsen die jeweiligen Zellen einer Kammerreihe voneinander separieren. Dargestellt ist, dass die Stege 11 selbst in Radialrichtung R orientiert sind, so dass die Wellenberge 10 breiter ausgebildet sind als die Wellentäler 9.
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3 zeigt einen erfindungsgemäßen Zellrotor 1 in einer Explosivdarstellung, wobei der Zellrotor 1 aus Zellrotornabe 2, einem erstem Trennblech 3, einer ersten Trennhülse 4, einem zweitem Trennblech 5 und einer zweiten Trennhülse 6 ausgebildet ist. In der hier dargestellten Ausführungsvariante wird das erste Trennblech 3 auf die Rotornabe 2 aufgeschoben, die erste Trennhülse 4 auf das erste Trennblech 3 aufgeschoben, das zweite Trennblech 5 auf die erste Trennhülse 4 aufgeschoben und die zweite Trennhülse 6 auf das zweite Trennblech 5 aufgeschoben.
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Optional sind die Wellenberge 10 und/oder Wellentäler 9, wie in 4 dargestellt, mit einer Außenmantelfläche 12 der Zellrotornabe 2 oder einer Innenmantelfläche 13 der ersten Trennhülse 4 thermisch gefügt. Hierzu sind Schweißpunkte 14 vorgesehen, die entweder nur punktartig zur Haftfixierung während des Herstellungsvorgangs aufgebracht werden oder aber auch, nicht näher dargestellt, als Längsschweißnaht ausgebildet sind. Hierdurch werden die einzelnen Zellen 15 einer jeden Kammerreihe 16, 17, 18 voneiander separiert, wobei die Kammerreihen 16, 17, 18 selbst durch die Trennhülsen 4 voneinander separiert sind. Der Zellrotor 1 gemäß 4 weist hierzu drei Kammerreihen 16, 17, 18 auf, die Explosivdarstellung in 3 dahingegen nur zwei Kammerreihen. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch möglich, dass ein Zellrotor 1 auch mit fünf, sechs oder sieben oder mehr Kammerreihen ausgebildet wird. Ferner ist es im Rahmen der Erfindung möglich, dass die Kammerreihen 16, 17, 18 selber auf die Radialrichtung R bezogen übereinander ausgebildet sind, dass also auf einer Radialachse alle Wellenberge 10 und alle Wellentäler 9 der jeweiligen Kammerreihen 16, 17, 18 liegen. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch möglich, dass die Wellentäler 9 und Wellenberge 10 der verschiedenen Kammerreihen derart versetzt zueinander angeordnet sind, dass sie mit einem bestimmungsgemäßen Versatz zueinander ausgebildet werden.
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5a und b zeigen ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren eines einstückig und werkstoffeinheitlich aufgewickelten Zellrotors 1, wobei zunächst ein länglicher Blechstreifen 19 bereitstellt, wobei der Blechstreifen 19 flache 20a, b, c und mäanderförmige Längenabschnitte 21a, b, c aufweist.
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Der so bereitgestellte Blechstreifen 19 wird dann auf die hier dargestellte Zellrotornabe 2 aufgewickelt, wobei die Aufwicklung derart erfolgt, dass die Zellrotornabe 2 um die Rotationsachse 22 des herzustellenden Zellrotors 1 durch die Drehbewegung D gedreht wird. Hierbei wickelt sich dann der erste mäanderförmige Längenabschnitt 21a auf die Zellrotornabe 2 auf, an den sich dann der erste flache Längenabschnitt 20a anschließt, wiederum gefolgt von dem zweiten mäanderförmigen Längenabschnitt 21b, wiederum gefolgt von dem zweiten flachen Längenabschnitt 20b, was sich dann bei den dritten Längenabschnitten 20c, 21c fortsetzt.
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Im Rahmen der Erfindung ist es möglich, dass die Wandstärken der unterschiedlichen Längenabschnitte insbesondere der mäanderförmigen 21 und der flachen Längenabschnitte 20 gleich sind oder aber die Wandstärken unterschiedlich sind, wobei insbesondere die Wandstärke w21 der mäanderförmigen Längenabschnitte 21 geringer ist als die Wandstärke w20 der flachen Längenabschnitte 20.
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Gemäß 5b ist es dann wiederum möglich, an den Wellentälern 9 und Wellenbergen 10 bezogen auf die Radialrichtung R Schweißpunkte 14 jeweils mit einer Innenmantelfläche 13 und/oder einer Außenmantelfläche 12 auszubilden, so dass eine Lagefixierung gegeben ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zellrotor
- 2
- Zellrotornabe
- 3
- Trennblech
- 4
- Trennhülse
- 5
- zweites Trennblech
- 6
- zweite Trennhülse
- 7
- dritte Trennhülse
- 8
- Lager
- 9
- Wellental
- 10
- Wellenberg
- 11
- Steg
- 12
- Außenmantelfläche zu 2
- 13
- Innenmantelfläche zu 4
- 14
- Schweißpunkt
- 15
- Zelle
- 16
- erste Kammerreihe
- 17
- zweite Kammerreihe
- 18
- dritte Kammerreihe
- 19
- Blechstreifen
- 20
- flacher Längenabschnitt
- 21
- mäanderförmiger Längenabschnitt
- 22
- Rotationsachse
- R
- Radialrichtung
