DE102012202272A1 - Rotor - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor (1) einer Ladeeinrichtung, insbesondere eines Abgasturboladers, mit zumindest zwei aneinander befestigten Teilen (5, 6), die zusammen einen Hohlraum (7, 7') einschließen. Erfindungswesentlich ist dabei, dass die beiden Teile (5, 6) über einen in dem Hohlraum (7, 7') herrschenden Unterdruck, insbesondere ein Vakuum, aneinander befestigt sind. Hierdurch kann insbesondere eine leichtere, eine konstruktiv einfache und zugleich eine kostengünstige Verbindung geschaffen werden.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor einer Ladeeinrichtung, insbesondere eines Abgasturboladers, mit zumindest zwei aneinander befestigten Teilen gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1, 7, 10 oder 12. Die Erfindung betrifft außerdem eine Ladeeinrichtung, insbesondere einen Abgasturbolader mit einem derartigen Rotor.
- Aus der
DE 10 2009 014 005 A1 ist eine Ladeeinrichtung mit einem Rotor bekannt, der ein Verdichterrad und ein Turbinenrad trägt. Der Rotor rotiert um eine Rotationsachse und besitzt ein scheibenförmiges Hitzeschutzschild, das bezüglich der Rotationsachse axial zwischen dem Turbinenrad einerseits und dem Verdichterrad andererseits angeordnet ist. Durch eine drehfeste Verbindung des Hitzeschutzschildes mit dem Rotor soll eine verbesserte Hitzebeständigkeit erreicht werden. - Bei aktuellen Ladeeinrichtungen werden Einzelteile eines Rotors, beispielsweise eine Welle, ein Verdichterrad und/oder ein Turbinenrad, beispielsweise durch Schweißen und/oder Schrauben miteinander verbunden.
- Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Rotor der gattungsgemäßen Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, welche sich insbesondere durch eine kostengünstige und effektive Verbindung zweier Einzelteile des Rotors auszeichnet.
- Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
- Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einem an sich bekannten Rotor einer Ladeeinrichtung, insbesondere bei einem Rotor eines Abgasturboladers, mit zumindest zwei aneinander befestigten Teilen, die zusammen einen Hohlraum einschließen, diesen Hohlraum so abzudichten, dass in diesem ein Unterdruck, insbesondere sogar ein Vakuum erzeugt werden kann und dadurch die einzelnen Teile einzig und allein aufgrund des im Hohlraum herrschenden Unterdrucks aneinander gehalten bzw. fixiert werden. Im Unterschied zu bisher bekannten Schweißverfahren zur Fixierung einzelner Teile des Rotors aneinander kann dadurch eine thermische Belastung des Materials im Bereich einer ansonsten erforderlichen Schweißnaht sowie zusätzlich eine Verringerung des Gewichts des Rotors erzielt werden. Die Abdichtung des Hohlraums muss dabei selbstverständlich langfristig aufrechterhalten werden können, da der im Hohlraum herrschende Unterdruck vorzugsweise alleinig für die Fixierung der beiden Teile aneinander maßgeblich ist. Die Herstellung zweier Teile, die zusammen einen Hohlraum einschließen, der zudem noch so abgedichtet werden kann, dass ein darin herrschender Unterdruck den Zusammenhalt der beiden Teile gewährleistet, erfordert zwar einerseits eine vergleichsweise hohe Fertigungsgenauigkeit der einzelnen Teile, ermöglicht jedoch andererseits ein völlig alternatives Verbindungsverfahren, welches insbesondere ohne zusätzliche Befestigungsmittel, wie beispielsweise Schrauben, sowie ohne zusätzliche Befestigungsvorgänge, wie beispielsweise ein Verschweißen der beiden Teile aneinander, auskommt.
- Die beiden Teile können beispielsweise aus folgender Liste entstammen: Verdichterrad, Turbinenrad, Hitzeschutzschild, Rotorwelle. Somit ist denkbar, dass über den zwischen den beiden Teilen eingeschlossenen Hohlraum und den darin enthaltenen Unterdruck beispielsweise ein Verdichterrad auf einer Rotorwelle, ein Verdichterrad an einem Turbinenrad, ein Hitzeschutzschild an der Rotorwelle oder ein Verdichterrad am Hitzeschutzschild befestigt werden. Die zuvor genannten Aufzählung erhebt dabei selbstverständlich keinerlei Anspruch auf Vollständigkeit, so dass auch weitere, nicht einmal zum Rotor selbst gehörende Bauteile, mittels eines von diesem Bauteil gemeinsam eingeschlossenen Hohlraums und einem darin herrschenden Unterdruck aneinander fixiert werden können.
- Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung liegen die beiden Teile über axiale Stirnflächen dicht aneinander an, wobei die Stirnflächen gerade, gewölbt oder konisch ausgebildet sein können. Zusätzlich können die Stirnflächen oberflächenvergütet, insbesondere poliert, sein. Hierdurch soll insbesondere eine vergleichsweise hohe Oberflächengüte und Oberflächengenauigkeit an den Kontaktflächen (Stirnflächen) der beiden Teile hergestellt werden, wodurch das Aufrechterhalten des Unterdrucks, insbesondere des Vakuums, in dem zwischen den beiden Teilen eingeschlossenen Hohlraum auch langfristig gewährleistet werden kann.
- Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung weist zumindest eines der beiden Teile eine Titanbeschichtung auf oder ist sogar gänzlich aus Titan bzw. einer Titanlegierung ausgebildet. Hierbei wird die allgemein bekannte Tatsache genutzt, dass Titan die Fähigkeit besitzt, unter Druck Bindungen zwischen den einzelnen Atomen auszubilden. Es erfolgt somit unter Druck ein Kaltverschmelzen an der aus Titan ausgebildeten bzw. mit einer Titanbeschichtung überzogenen Kontaktfläche. Der Druck der beiden Teile aneinander zum Ausbilden der Kaltschmelzverbindung wird dabei beispielsweise über ein von außen wirkende Presse, sondern über den im Hohlraum zwischen den beiden Teilen herrschenden Unterdruck bewirkt.
- Selbstverständlich kann auch eines der beiden Teile aus Keramik ausgebildet sein oder eine Keramikbeschichtung, insbesondere an den jeweiligen Kontaktflächen, aufweisen. Keramik ist ein schlechter Wärmeleiter und zudem sehr hitzebeständig, so dass beispielsweise die Ausbildung eines Hitzeschutzschildes aus Keramik sowie dessen Verbindung über einen Hohlraum mit dort herrschendem Unterdruck an einem zweiten Teil (Bauteil) des Rotors ermöglicht wird. Vor der eigentlichen Verbindung der beiden Teile des Rotors mittels Unterdruck erfolgt üblicherweise eine Zentrierung, so dass der aus den beiden Teilen zumindest teilweise bestehende Rotor keine Unwucht aufweist.
- Die Verbindung der beiden Teile kann beispielsweise in einer Unterdruckkammer oder einer Vakuumkammer erfolgen, wobei der eingeschlossene Unterdruck beim Herausholen der beiden Teile aus der Kammer eingeschlossen und dadurch erhalten bleibt und seine Haltekraft entfalten kann.
- Die Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, bei einem Rotor einer Ladeeinrichtung, insbesondere bei einem Rotor eines Abgasturboladers, mit zumindest zwei aneinander befestigten Teilen, zumindest eines dieser beiden Teile aus Titan bzw. einer Titanlegierung auszubilden oder mittels einer Titanbeschichtung an einer Kontaktfläche zum anderen Teil zu versehen und über eine dortige Kaltschmelzverbindung unter Druck mit dem anderen Bauteil zu verbinden. Wie bereits in den vorherigen Absätzen erwähnt, verfügt Titan über die Fähigkeit unter Druck atomare Bindungen auszubilden, so dass bei einem Aufbringen eines entsprechenden Anpressdrucks eine Kaltschmelzverbindung zwischen den beiden Teilen hergestellt werden kann. Im Unterschied zu dem im vorherigen Abschnitt beschriebenen Hohlraum mit dem darin herrschenden Unterdruck, kann der zur Herstellung der Kaltschmelzverbindung erforderliche Druck auch mittels beispielsweise einer Presse von außen aufgebracht werden, Auch bei dieser Ausgestaltung können die beiden miteinander zu verbindenden Bauteile beispielsweise wieder als Verdichterrad, als Turbinenrad, als Hitzeschutzschild oder als Rotorwelle ausgebildet sein. Ebenso vorstellbar ist, dass zumindest eines der beiden Teile nicht aus Titan bzw. einer Titanlegierung, sondern vielmehr aus Keramik ausgebildet ist.
- Die Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, bei einem Rotor einer Ladeeinrichtung, insbesondere bei einem Rotor eines Abgasturboladers mit zumindest zwei aneinander befestigten Teilen, die beiden Teile über eine thermisch wirksame Rastverbindung miteinander zu verbinden. Auch hierbei können die beiden Teile wieder beispielsweise als Verdichterrad, als Turbinenrad, als Hitzeschutzschild oder als Rotorwelle ausgebildet werden. Bei einer direkten Verbindung eines Verdichterrades mit einem Turbinenrad ist beispielsweise das Herstellen einer Nut am Verdichterrad und eines zugehörigen Ringkragens am Turbinenrad denkbar, wobei zum miteinander verbinden das Verdichterrad gekühlt oder das Turbinenrad erhitzt und dann mit dem jeweiligen anderen Teil zusammengepresst wird. Durch die Erwärmung des Turbinenrades dehnt sich dieses aus, ebenso zieht sich das Verdichterrad bei einer Temperaturerniedrigung zusammen, wodurch die Rastverbindung geschlossen werden kann. Bei einem darauf folgenden Temperaturausgleich, das heißt beispielsweise bei einem sich Erwärmen des Verdichterrades und einem Abkühlen des Turbinenrades verhakt sich die Rastverbindung unlösbar und gewährleistet so einen sicheren Halt des Turbinenrades am Verdichterrad und umgekehrt.
- Selbstverständlich ist klar, dass die einzelnen zuvor genannten Verbindungsmethoden nicht nur einzelnen, sondern auch in beliebiger Kombination zum Verbinden einzelner Teile des Rotors genutzt werden können.
- Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
- Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
- Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
- Dabei zeigen, jeweils schematisch,
-
1 eine teilweise geschnittene Ansicht auf einen erfindungsgemäßen Rotor, -
2 eine Detaildarstellung aus1 , -
3 eine Darstellung wie in2 , jedoch bei einer anderen Ausführungsform. - Entsprechend der
1 , weist ein erfindungsgemäßer Rotor1 einer im Übrigen nicht gezeigten Ladeeinrichtung, beispielsweise eines Abgasturboladers eines Kraftfahrzeuges, zumindest zwei aneinander befestigte Teile5 ,6 , beispielsweise ein Turbinenrad2 , ein Verdichterrad3 , ein Hitzeschutzschild4 oder eine Rotorwelle auf, die zusammen einen Hohlraum7 einschließen, die beiden Teile5 ,6 , beispielsweise das Verdichterrad3 und der Hitzeschutzschild4 sind dabei vorzugsweise lediglich über einen in dem Hohlraum7 herrschenden Unterdruck, insbesondere ein Vakuum, fest aneinander fixiert. Gemäß der1 ist dabei das Turbinenrad2 am Hitzeschutzschild4 über den dazwischen angeordneten Hohlraum7' und das Hitzeschutzschild4 mit dem Verdichterrad3 über den dazwischen liegenden Hohlraum7 mittels Unterdruck, insbesondere mittels Vakuum verbunden. Selbstverständlich ist auch eine mittels einer derartigen Unterdruckverbindung denkbare Fixierung des Turbinenrades2 direkt am Verdichterrad3 denkbar. - Betrachtet man beispielsweise das Turbinenrad
2 und das Verdichterrad3 gemäß der2 , so kann man erkennen, dass diese geneigte axiale Stirnflächen8 und8' besitzen. Mit diesen Stirnflächen8 ,8' liegen sie an komplementär dazu ausgebildeten Stirnflächen des Hitzeschutzschildes4 , der beispielsweise aus Keramik ausgebildet sein kann, an. Die Stirnflächen8 und8' können selbstverständlich gerade, gewölbt oder auch konisch ausgebildet sein und insbesondere eine Oberflächenvergütung aufweisen, beispielsweise durch ein Polieren. - Um eine Abdichtung des Hohlraums
7 bzw.7' bewirken zu können, kann im Bereich der axialen Stirnflächen8 ,8' zusätzlich eine Dichtung9 angeordnet sein, wie dies beispielsweise gemäß der3 gezeigt ist. Eine Fixierung zumindest zweier Teile5 ,6 des Rotors1 aneinander erfolgt bei der dargestellten Verbindungsmethode vorzugsweise ausschließlich über den dem zwischen beiden Teilen5 ,6 liegenden Hohlraum7 herrschenden Unterdruck. - Zumindest eines der beiden Teile
5 ,6 kann aus Titan ausgebildet sein, oder aber eine Titanbeschichtung, insbesondere an einer Stirnfläche8 ,8' aufweisen, wodurch aufgrund des im Hohlraum7 ,7' herrschenden Unterdrucks eine so große Flächenpressung an den Stirnflächen8 ,8' erreicht wird, dass dort eine Kaltverschmelzung auftritt. Titan bzw. Titanlegierungen neigen nämlich unter Druck zu atomaren Bindungen, wodurch eine Kaltverschmelzung ohne Zufuhr von Wärme denkbar ist. Dabei können selbstverständlich beide Teile5 ,6 aus Titan oder aber eines der beiden Teile5 ,6 aus Keramik ausgebildet sein oder eine Keramikbeschichtung aufweisen. Zur Verbindung ausschließlich mittels Unterdruck können selbstverständlich auch andere Materialien eingesetzt werden, wobei zur Herstellung der Kaltschmelzverbindung zumindest eines der beiden Bauteile aus Titan bzw. einer Titanlegierung ausgebildet sein muss bzw. eine derartige Titanbeschichtung aufweisen. Die Kontaktflächen bzw. die Stirnflächen8 ,8' über welche die beiden Teile5 ,6 , gemäß der2 das Verdichterrad2 mit dem Hitzeschutzschild4 verbunden ist, liegen an einem maximalen Durchmesser der beiden Teile5 ,6 und erbringen darüber hinaus eine Zentrierfunktion. - Zusätzlich oder alternativ zur reinen Unterdruckverbindung der beiden Teile
5 ,6 kann an den Stirnflächen8 ,8' bzw. an den Kontaktflächen eine Kaltverschmelzung erzwungen werden, wobei der hierfür erforderliche Druck beispielsweise mittels des im Hohlraum7 ,7' herrschenden Unterdrucks und/oder eines von außen aufgebrachten zusätzlichen mechanischen Drucks, beispielsweise mittels einer Presse, bewirkt werden kann. Zur Herstellung der Kaltschmelzverbindung ist jedoch auf jeden Fall die Ausbildung zumindest eines der beiden miteinander zu verbindenden Teile5 ,6 aus Titan bzw. einer Titanlegierung erforderlich. - Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung sind die beiden Teile
5 ,6 , gemäß der2 das Verdichterrad2 mit dem Hitzeschutzschild4 und der Hitzeschutzschild4 mit dem Turbinenrad3 über ein thermisch wirksame Rastverbindung10 miteinander verbunden. Zum Schließen der Rastverbindung wird somit beispielsweise das Turbinenrad2 erwärmt und das Hitzeschutzschild4 gekühlt, wodurch eine Rastnase11 am Turbinenrad2 in eine zugehörige Nut12 am Hitzeschutzschild4 eingreifen kann. Beim Temperaturausgleich, das heißt bei einem Abkühlen des Turbinenrades2 und einem Erwärmen des Hitzeschutzschildes4 schließt sich die thermisch wirksame Rastverbindung10 , wodurch eine unlösbare Verbindung des Turbinenrades2 mit dem Hitzeschutzschild4 erreicht werden kann. In ähnlicher Weise kann selbstverständlich auch das Verdichterrad3 mit dem Hitzeschutzschild4 oder bei einer entsprechenden Ausführungsform direkt mit dem Turbinenrad2 verbunden werden. - Selbstverständlich ist auch denkbar, dass die zuvor genannten Verbindungsmethoden nicht nur einzelnen, sondern in beliebiger Kombination miteinander kombiniert werden können. Mit den erfindungsgemäßen Verbindungen kann insbesondere ein einfaches und kostengünstiges Verbinden der beiden Bauteile
5 ,6 erreicht werden, ohne zusätzliche Befestigungsmittel, wie beispielsweise Schrauben sowie ohne eine zusätzliche thermische Belastung. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102009014005 A1 [0002]
Claims (13)
- Rotor (
1 ) einer Ladeeinrichtung, insbesondere eines Abgasturboladers, mit zumindest zwei aneinander befestigten Teilen (5 ,6 ), die zusammen einen Hohlraum (7 ,7' ) einschließen, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teile (5 ,6 ) über einen in dem Hohlraum (7 ,7' ) herrschenden Unterdruck, insbesondere ein Vakuum, aneinander befestigt sind. - Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teile (
5 ,6 ) aus folgender Liste entstammen, Verdichterrad (3 ), Turbinenrad (2 ), Hitzeschutzschild (4 ), Rotorwelle. - Rotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, – dass die beiden Teile (
5 ,6 ) über axiale Stirnflächen (8 ,8' ) dicht aneinander anliegen, wobei die Stirnflächen (8 ,8' ) gerade, gewölbt oder konisch ausgebildet sind, – dass die Stirnflächen (8 ,8' ) oberflächenvergütet, insbesondere poliert, sind. - Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der beiden Teile (
5 ,6 ) aus Titan ausgebildet ist oder eine Titanbeschichtung aufweist. - Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der beiden Teile (
5 ,6 ) aus Keramik ausgebildet ist oder eine Keramikbeschichtung, insbesondere an Kontaktflächen, aufweist. - Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Kontaktflächen, über welche die beiden Teile (
5 ,6 ) miteinander verbunden sind, an einem maximalen Durchmesser der beiden Teile (5 ,6 ) liegen. - Rotor (
1 ) einer Ladeeinrichtung, insbesondere eines Abgasturboladers, mit zumindest zwei aneinander befestigten Teilen (5 ,6 ), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der beiden Teile (5 ,6 ) aus Titan ausgebildet ist oder eine Titanbeschichtung an der Kontaktfläche zum anderen Teil (6 ,5 ) aufweist und über eine dortige Kaltschmelzverbindung unter Druck mit dem anderen Teil (6 ,5 ) verbunden ist. - Rotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der beiden Teile (
5 ,6 ) aus Keramik ausgebildet ist. - Rotor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teile (
5 ,6 ) aus folgender Liste entstammen, Verdichterrad (3 ), Turbinenrad (2 ), Hitzeschutzschild (4 ), Rotorwelle. - Rotor (
1 ) einer Ladeeinrichtung, insbesondere eines Abgasturboladers, mit zumindest zwei aneinander befestigten Teilen (5 ,6 ), dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teile (5 ,6 ) über eine thermisch wirksame Rastverbindung (10 ) miteinander verbunden sind. - Rotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teile (
5 ,6 ) aus folgender Liste entstammen, Verdichterrad (3 ), Turbinenrad (2 ), Hitzeschutzschild (4 ), Rotorwelle. - Rotor (
1 ) einer Ladeeinrichtung, insbesondere eines Abgasturboladers, mit zumindest zwei aneinander befestigten Teilen (5 ,6 ), dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teile (5 ,6 ) über zumindest zwei der nachfolgend aufgezählten Verbindungsarten miteinander verbunden sind, – über eine thermisch wirksame Rastverbindung (10 ), – über eine mittels einer Presse hergestellten Kaltschmelzverbindung, wobei zumindest eines der beiden Teile (5 ,6 ) aus Titan ausgebildet ist oder eine Titanbeschichtung an der Kontaktfläche zum anderen Teil (6 ,5 ) aufweist, – über einen in einem zwischen den beiden Teilen (5 ,6 ) eingeschlossenen Hohlraum (7 ,7' ) herrschenden Unterdruck, insbesondere ein Vakuum. - Ladeeinrichtung, insbesondere ein Abgasturbolader, mit einem Rotor (
1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
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