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Die Erfindung betrifft ein Laufradgehäuse für einen Abgasturbolader für einen Verbrennungsmotor, das ein Bypass-Ventil mit einer Ventilklappe und einem einen Ventilsitzring aufweisenden Ventilklappensitz aufweist, sowie einen mit zumindest einem solchen Laufradgehäuse ausgestatteten Abgasturbolader, sowie ein Montageverfahren zur Montage des Laufradgehäuses mit Ventilsitzring im Ventilklappensitz des Bypass-Ventils.
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Abgasturbolader werden vermehrt zur Leistungssteigerung bei Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren eingesetzt. Dies geschieht immer häufiger mit dem Ziel den Verbrennungsmotor bei gleicher oder gar gesteigerter Leistung in Baugröße und Gewicht zu reduzieren und gleichzeitig den Verbrauch und somit den CO2-Ausstoß, im Hinblick auf immer strenger werdende gesetzliche Vorgaben diesbezüglich, zu verringern. Das Wirkprinzip besteht darin, die im Abgasstrom enthaltene Energie zu nutzen um den Druck im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors zu erhöhen und so eine bessere Befüllung des Brennraumes mit Luft-Sauerstoff zu bewirken und somit mehr Treibstoff, Benzin oder Diesel, pro Verbrennungsvorgang umsetzen zu können, also die Leistung des Verbrennungsmotors zu erhöhen.
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Ein Abgasturbolader weist dazu eine im Abgasstrang des Verbrennungsmotors angeordnete Turbine mit einem durch den Abgasstrom angetriebenen Turbinenlaufrad und einen im Ansaugtrakt angeordneten Verdichter mit einem den Druck aufbauenden Verdichterlaufrad auf. Turbinenlaufrad und Verdichterlaufrad sind drehfest an den gegenüberliegenden Enden einer Rotorwelle befestigt, die in einer zwischen Turbine und Verdichter angeordneten Lagereinheit drehgelagert ist. Somit wird mit Hilfe des Abgasmassenstroms das Turbinenrad und über die Rotorwelle wiederum das Verdichterrad angetrieben und die Abgasenergie so zum Druckaufbau im Ansaugtrakt genutzt.
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Der Betrieb eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug ist von dynamischen Änderungen der Last und des Betriebsbereiches gekennzeichnet.
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Um nun den Betriebsbereich des Abgasturboladers an sich ändernde Betriebsbereiche des Verbrennungsmotors anpassen zu können und so ein gewünschtes Ansprechverhalten möglichst ohne spürbare Verzögerungen (Turboloch) zu gewährleisten werden Abgasturbolader mit sogenannten variablen Turbinengeometrien und mit über Ventilklappen offenbaren Bypass-Ventilen in den Laufradgehäusen, also in Turbinengehäuse und Verdichtergehäuse, ausgestattet.
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Ein entsprechendes Bypass-Ventil auf der Turbinenseite wird als Wastegate-Ventil bezeichnet. Das Wastegate-Ventil verbindet den Abgaskanal in Strömungsrichtung vor dem Turbinenlaufrad über einen Wastegate-Kanal mit dem Abgaskanal hinter dem Turbinenlaufrad und kann über eine Schließvorrichtung, zum Beispiel eine mit einem Ventilsitz zusammenwirkende Ventilklappe geöffnet oder gelschlossen werden.
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Ein entsprechendes Bypass-Ventil auf der Verdichterseite wird als Schubumluft-Ventil bezeichnet. Das Schubumluft-Ventil verbindet den Frischluft-Ansaugkanal in Strömungsrichtung vor dem Verdichterlaufrad über einen Schubumluft-Kanal mit dem Druckluftkanal in Strömungsrichtung nach dem Verdichterlaufrad und kann, wie auch das Wastegate-Ventil, über eine Schließvorrichtung, zum Beispiel eine mit einem Ventilsitz zusammenwirkende Ventilklappe geöffnet oder gelschlossen werden.
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Als Schließvorrichtung zum Öffnen und Schließen von den genannten Bypass-Ventilen, wie Wastegate-Ventilen und Schubumluft-Ventilen, werden in bekannter Weise Klappenventile eingesetzt. Ein Beispiel eines konventionellen Laufradgehäuses mit einem solchen Bypass-Ventil 20 gemäß dem Stand der Technik ist in 1 in einer schematisierten Schnittdarstellung eines Turbinengehäuses 10 anhand eines Wastegate-Ventils 20 mit einer Kurbelarm-Betätigungsvorrichtung dargestellt.
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Über den Fluideintrittsbereich 11 des Laufradgehäuses 10, hier ein Turbinengehäuse, tritt der Fluidmassenstrom FM, in diesem Fall ein Abgasmassenstrom, in das Laufradgehäuse 10 der Abgasturbine ein. Aus dem Laufradgehäuse 10 wird der Abgasmassenstrom FM auf das Turbinenrad (nicht dargestellt) geleitet und tritt dann durch den Fluidaustrittsbereich 12 in das Abgassystem (nicht dargestellt) und durch dieses in die Umgebung aus. Der Bypass-Kanal 13, hier ein Wastegate-Kanal, verbindet nun auf direktem Weg den Fluideintrittsbereich 11 mit dem Fluidaustrittsbereich 12. Der Ventilklappensitz 15 des Bypass-Kanals 13 weist einen separat eingelegten Ventilsitzring 30 mit einer Ventilsitzfläche 31 auf. Der Ventilsitzring ist in Bezug auf die Strömungsrichtung des Fluidmassenstroms FM am Bypass-Kanal-Ausgang 14 angeordnet. Zum Schließen des Bypass-Kanals 13 wird eine tellerförmige Ventilklappe 21 auf die Ventilsitzfläche 31 des Ventilsitzrings 30 aufgelegt. Die Ventilklappe 21 ist an einem Kurbelarm 22 befestigt, der auf einer Kurbelspindel 23 montiert ist und damit um die Kurbelspindeldrehachse 24 drehbar gelagert ist. Durch Drehung des Kurbelarms 22 um die Kurbelspindeldrehachse 24 (in der Zeichnung im Uhrzeigersinn) wird die Ventilklappe 21 entlang des Ventilklappenweges, aus näherungsweise in Bezug auf die Ventilsitzfläche 31 senkrechter Richtung, auf den Ventilsitzring 30 aufgesetzt und der Bypass-Kanal 13, hier der Wastegate-Kanal, so geschlossen und in umgekehrter Richtung geöffnet.
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Solche Bypass-Ventile befinden sich im Massenstrom FM des Abgases bzw. der Ansaugluft des Verbrennungsmotors und sind schwankenden Druck- und Temperaturverhältnissen ausgesetzt. Dies trifft in besonderem Maße auf das Wastegate-Ventil zu, das Temperaturen bis zu 1200°C ausgesetzt sein kann. Jedoch auch im Bereich eines Schubumluft-Ventils können durch die Temperaturerhöhung der Ladeluft bei der Verdichtung Temperaturen von über 100°C auftreten.
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Weiterhin werden hohe Anforderungen an die Dichtheit der Bypass-Ventile im geschlossenen Zustand gestellt, was ein ebenes, dichtes Aufliegen der Ventilklappe 21 auf der Ventilsitzfläche 31 voraussetzt und das Aufbringen entsprechend hoher Schließkräfte erfordert. Aufgrund der schwankenden Betriebstemperaturen und der damit verbundenen unterschiedlichen Wärmeausdehnungen im System ist es von Vorteil die Aufhängung der Ventilklappe 21 an der zugeordneten Betätigungsvorrichtung, zum Beispiel am entsprechenden Kurbelarm 22 mit einem gewissen Spiel auszustatten.
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In modernen Abgasturboladern für Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen wird immer häufiger, zum Beispiel aus Gewichts- und Kostengründen unter anderem Aluminium oder auch andere Leichtmetalle, wie zum Beispiel Magnesium, als Werkstoff, auch für die thermische sehr hoch belasteten Turbinengehäuse eingesetzt. Problematisch dabei ist, dass Aluminium bei hohen Temperaturen seine Festigkeit einbüßt. Insbesondere in Betriebspunkten der Abgasturbine mit hohen Abgasmassenströmen, im Volllastbereich, wird ein Teil des Abgases über das teilweise oder vollständig geöffnete Wastegate-Ventil an der Turbine vorbei geleitet. Dies führt zu sehr hohen Temperaturen im Bereich des Wastegate-Ventils, insbesondere der Ventilklappe und des Ventilklappensitzes 15. Dies führt zur Entfestigung des Aluminiumwerkstoffs in diesen Bereichen. Wird das Wastegate-Ventil dann in eine Position geregelt, bei der sich die Ventilklappe 21 kurz vor dem Aufliegen auf der Ventilsitzfläche 31 befindet, so kommt es vor allem durch die Druckpulsationen des Ladungswechsels zu einem "Tänzeln" der Ventilklappe 21 im Rahmen des Spiels zwischen Ventilklappe 21 und Kurbelarm 22. Dieses "Tänzeln" führt zu pulsierenden Bewegungen und Aufschlägen der Ventilklappe 21 auf der Ventilsitzfläche 31, was ohne einen entsprechenden Ventilsitzring 30 unweigerlich zu erhöhtem Verschleiß bis zur lokalen Umformung der Ventilsitzfläche 31 führen kann. Infolgedessen würde das Wastegate-Ventil undicht und der Abgasturbolader und somit der Verbrennungsmotor verliert an Leistung. Auch die Geschwindigkeit des Drehmomentaufbaus des Verbrennungsmotors wird dadurch nachteilig beeinflusst.
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Diese Zusammenhänge gelten prinzipiell auch für Schubumluft-Ventile, wenn auch die Problematik aufgrund der niedrigeren Temperaturen nicht so vordringlich scheint.
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Aus diesem Grund wird, insbesondere bei Verwendung eines "weichen" Gehäusewerkstoffes, zum Beispiel ein separater Ventilsitzring 30 als Ventilklappensitz 15 am Bypass-Kanal-Ausgang 14 des jeweiligen Laufradgehäuses eingesetzt, der aus einem warmfesten Material höherer Verschleißfestigkeit, zum Beispiel Stahl, besteht.
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Die Befestigung des Ventilsitzringes
30 im Ventilklappensitz
15 des jeweiligen Bypass-Kanals
13 erfolgt gemäß dem bekannten Stand der Technik mittels einer Pressverbindung durch einschrumpfen oder einpressen oder durch Verstemmen des den Ventilsitzring
30 umgebenden Werkstoffes oder auch durch Eingießen des Ventilsitzringes im Gießprozess des Gehäuses, siehe dazu zum Beispiel
DE 10 2010 062 403 A1 .
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Nun kommt es im Betreib des Abgasturboladers zu zeitlich wechselnden Temperaturschwankungen und teilweise steilen Temperaturgradienten im Bereich des Ventilklappensitzes. Nicht zuletzt Aufgrund der unterschiedlichen Wärmedehnung des zum Beispiel aus Stahl gefertigten Ventilsitzringes und des umgebenden Werkstoffes des Ventilsitzes kann es jedoch bei den oben genannten, bekannten Befestigungsarten dazu kommen, dass der Ventilsitzring sich zeitweise oder sogar permanent lockert oder gar löst. Die Folgen, die sich daraus ergeben reichen vom Leistungsverlust des Abgasturboladers durch erhöhte Leckage bis hin zu Zerstörung des Abgasturboladers.
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Die sich für den Fachmann daraus ergebende Aufgabe besteht nun darin, ein Laufradgehäuse für einen Abgasturbolader anzugeben, das, auch bei Paarung unterschiedlicher Werkstoffe, eine sichere und gegen hohe Temperaturen sowie Temperaturschwankungen beständige Verbindung und Fixierung eines Ventilsitzringes im jeweiligen Ventilsitz eines Bypass-Ventils im jeweiligen Laufradgehäuse, aufweist und so die Betriebssicherheit des Abgasturboladers erhöht.
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Weiterhin ergibt sich daraus die Aufgabe einen Abgasturbolader anzugeben, der bei reduziertem Gesamtgewicht hohe Betriebssicherheit und lange Lebensdauer aufweist.
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Die Aufgabe besteht weiterhin darin ein Montageverfahren für ein Laufradgehäuse des erfindungsgemäßen Abgasturboladers anzugeben, mit dem eine dauerhafte und betriebssichere Fixierung des Ventilsitzringes im jeweiligen Ventilsitz eines Bypass-Ventils im jeweiligen Laufradgehäuse auf einfache und kostengünstige Weise hergestellt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Laufradgehäuse mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1, einen Abgasturbolader gemäß dem nebengeordneten Vorrichtungsanspruch und einem Montageverfahren zur Montage des Ventilsitzringes gemäß dem nebengeordneten Verfahrensanspruch gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Das erfindungsgemäße Laufradgehäuse für einen Abgasturbolader eines Verbrennungsmotors besteht aus einem Leichtmetallwerkstoff und weist einen mit einer Ventilklappe verschließbaren Bypass-Kanal auf. Der Bypass-Kanal weist einen Ventilklappensitz auf der mit einem Ventilsitzring ausgestattet ist. Der Ventilsitzring weist auf der Seite, die der Ventilklappe des Bypass-Ventils zugewandt ist eine Ventilsitzfläche auf und ist in einer Aufnahmeausformung am Bypass-Kanal-Ausgang angeordnet, in der er sich ausgehend von der Ventilsitzfläche in axialer Richtung, also in Richtung der Bypass-Kanal-Mittelachse, in den Bypass-Kanal erstreckt.
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Dabei ist das Laufradgehäuse dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitzring in einem von der Ventilsitzfläche in axialer Richtung beabstandeten Bereich, einen Verformungsbereich aufweist, der sich über eine Verformungs-Ringhöhe, also über einen bestimmten axialen Abschnitt der Gesamt-Ringhöhe, erstreckt und in dem der Werkstoff des Ventilsitzringes durch einen nachträglichen Umformvorgang in eine zum Verformungsbereich korrespondierende radiale Hinterschneidung der Aufnahmeausformung des Bypass-Kanals verdrängt ist, wodurch der Ventilsitzring dauerhaft in der Aufnahmeausformung fixiert ist.
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Dabei kennzeichnet die Ringhöhe die axiale Erstreckung des Ventilsitzringes oder eines bestimmten Abschnittes daraus in Richtung der Ringmittelachse. So kennzeichnet die Gesamt-Ringhöhe die axiale Erstreckung des Ventilsitzringes insgesamt, also ausgehend von der Ventilsitzfläche in axialer Richtung bis zum gegenüberliegenden Ende des Ventilsitzringes und die Verformungs-Ringhöhe die axiale Erstreckung des Verformungsbereichs als Teil der Gesamt-Ringhöhe.
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Eine radiale Hinterschneidung der Aufnahmeausnehmung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeausnehmung ausgehend von einem gegebenen Betrachtungsstandpunkt auf der Mittelachse der Ausnehmung und oberhalb der Ventilsitzfläche in einem weiter vom Betrachtungsstandpunkt entfernten Abschnitt in Bezug auf die Mittelachse eine größere radiale Ausdehnung aufweist als in einem näher am Betrachtungsstandpunkt liegenden Abschnitt. Gleichzeitig gibt die Mittelachse der Aufnahmeausnehmung die Fügerichtung vor in der der Ventilsitzring in die Aufnahmeausnehmung eingesetzt werden kann/muss.
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Durch die nachträgliche Umformung, also nach Einsetzen des Ventilsitzringes in seine vorgesehene Position in der Aufnahmeausnehmung, und die Verdrängung des Werkstoffs des Ventilsitzringes in die zum Verformungsbereich korrespondierende radiale Hinterschneidung ist somit ein Formschluss zwischen Ventilsitzring und Aufnahmeausnehmung hergestellt und der Ventilsitzring in dieser Position fixiert und dauerhaft gegen Herausfallen oder Abziehen in umgekehrter Fügerichtung gesichert.
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Entsprechende Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Gegenstandes sehen vor, dass das Laufradgehäuse ein Turbinengehäuse und der zugehörige Bypass-Kanal ein Wastegate-Kanal des Abgasturboladers ist oder dass das Laufradgehäuse ein Verdichtergehäuse und der zugehörige Bypass-Kanal ein Schubumluft-Kanal des Abgasturboladers ist.
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Dies hat den Vorteil dass das Turbinengehäuse und/oder das Verdichtergehäuse eines Abgasturboladers je nach Bedarf gemäß dem erfindungsgemäßen Laufradgehäuse ausgeführt werden kann und so das Gewicht nach Bedarf bei erhöhter Betriebssicherheit reduziert werden kann.
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Der erfindungsgemäße Abgasturbolader für einen Verbrennungsmotor ist dadurch gekennzeichnet, dass er zumindest ein Laufradgehäuse gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 aufweist. Zumindest das Turbinengehäuse oder das Verdichtergehäuse oder auch das Turbinengehäuse und das Verdichtergehäuse des erfindungsgemäßen Abgasturboladers bestehen demnach jeweils aus einem Leichtmetallwerkstoff und weisen jeweils ein mit einer Ventilklappe verschließbaren Bypass-Kanal mit einem Ventilsitzring gemäß oben beschriebener Ausführung auf.
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Dies hat den Vorteil, dass für das Turbinengehäuse und/oder das Verdichtergehäuse ein leichter Leichtmetallwerkstoff zur Gewichtseinsparung Verwendung finden kann und dennoch kein erhöhter Verschleiß des Ventilklappensitzes in Kauf genommen werden muss.
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Das erfindungsgemäße Montageverfahren für ein Laufradgehäuse eines Abgasturboladers gemäß obiger Beschreibung zeichnet sich durch die folgenden Verfahrensschritte aus.
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Zunächst wird ein Ventilsitzring bereitgestellt der eine Ventilsitzfläche und einen von der Ventilsitzfläche in axialer Richtung beabstandeten Verformungsbereich aufweist.
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Gleichzeitig zu dem vorgenannten Schritt kann die Bereitstellung eines Laufradgehäuses aus einem Leichtmetallwerkstoff für einen Abgasturbolader, mit einem Bypass-Kanal, der am Bypass-Kanal-Ausgang eine Aufnahmeausformung für den Ventilsitzring mit einer radialen Hinterschneidung in einem zu dem Verformungsbereich des Ventilsitzringes korrespondierenden Bereich aufweist, erfolgen.
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Im Anschluss daran erfolgt das Einsetzen und Positionieren des Ventilsitzringes in axialer Richtung, also mit der Mittelachse des Ventilsitzrings in Richtung der Mittelachse der Aufnahmeausformung, in die Aufnahmeausformung am Bypass-Kanal-Ausgang.
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Abschließend erfolgt die dauerhafte Fixierung des Ventilsitzringes in der Aufnahmeausformung des Bypass-Kanal-Ausgangs durch Verdrängung von Material des Ventilsitzringes in dem besagten Verformungsbereich in radialer Richtung in die besagte korrespondierende radiale Hinterschneidung der Aufnahmeausformung.
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Das beschriebene Montageverfahren ist für alle zuvor und nachfolgenden beschriebenen Ausführungen des Abgasturboladers anwendbar.
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Dieses Verfahren hat weiterhin den Vorteil dass es einfach durchführbar und kostengünstig ist und dennoch eine sichere und dauerhafte Fixierung des Ventilsitzringes im Laufradgehäuse gewährleistet.
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Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Darstellungen in der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine vereinfachte Schnittdarstellung eines Laufradgehäuses mit einem Bypass-Ventil und einem eingelegten Ventilsitzring, gemäß dem Stand der Technik;
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2 eine vergrößerte Darstellung des Details X aus 1, das eine Schnittdarstellung des Ventilklappensitzes einer erfindungsgemäßen Ausführung des Laufradgehäuses zeigt.
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3 eine weitere vergrößerte Darstellung des Details X aus 1, das eine Schnittdarstellung des Ventilklappensitzes einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführung des Laufradgehäuses zeigt.
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4 eine weitere vergrößerte Schnitt-Darstellung eines Ventilklappensitzes einer erfindungsgemäßen Ausführung des Laufradgehäuses.
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5A) eine weitere vergrößerte Schnitt-Darstellung eines Ventilklappensitzes einer erfindungsgemäßen Ausführung des Laufradgehäuses mit einer Materialaufdickung im Verformungsbereich, vor der Werkstoff-Verdrängung in die Hinterschneidung der Aufnahmeausformung.
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5B) die Schnitt-Darstellung der 5A) nach der Werkstoff-Verdrängung in die Hinterschneidung der Aufnahmeausformung.
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6 eine vereinfachte Darstellung eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers.
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7 eine Schnittdarstellung durch den Ventilsitz und ein Umformwerkzeug unmittelbar vor dem Umformvorgang zur Verdrängung des Verformungsbereichs des Ventilsitzringes in die radiale Hinterschneidung der Aufnahmeausformung.
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8 ein Ablaufdiagramm der einzelnen Prozessschritte des Montageverfahrens des Laufradgehäuses.
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Funktions- und Benennungsgleiche Teile sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
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Die 1 dient der Erläuterung des Standes der Technik und wurde in diesem Zusammenhang bereits oben beschrieben.
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In der vergrößerten Schnittdarstellung der Einzelheit X des Laufradgehäuses ist der Ventilklappensitz 15 einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Laufradgehäuses dargestellt. Zu sehen ist ein Ausschnitt des Laufradgehäuses 10 mit einer Aufnahmeausformung 16 mit einem darin aufgenommenen Ventilsitzring 30. Der Ventilsitzring 30 weist auf der der Ventilklappe (nicht dargestellt, siehe 1) zugewandten Seite eine Ventilsitzfläche 31 auf. Ausgehend von der Ventilsitzfläche 31 erstreckt sich der Ventilsitzring 30 in axialer Richtung, also in Richtung der Ringachse A, über seine Gesamt-Ringhöhe HG, vom Bypass-Kanal-Ausgang 14 her in der Aufnahmeausformung 16 in den Bypass-Kanal 13. Am unteren Ende sitzt der Ventilsitzring 30 auf einem in der Aufnahmeausformung 16 vorgesehenen axialen Anschlag 35 auf, wodurch er in axialer Richtung in der Aufnahmeausformung 16 positioniert ist.
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Der Ventilsitzring 30 weist einen von der Ventilsitzfläche 31 in axialer Richtung beabstandeten Verformungsbereich 34 auf, der sich über eine Verformungs-Ringhöhe HV erstreckt und in dem der Werkstoff des Ventilsitzringes 30 durch einen nachträglichen Umformvorgang in eine zum Verformungsbereich 34 korrespondierende radiale Hinterschneidung 17 der Aufnahmeausformung des Bypass-Kanals verdrängt ist. Dadurch ist der Ventilsitzring 30 dauerhaft in der Aufnahmeausformung 16 fixiert und kann nicht mehr zerstörungsfrei entfernt werden. Der Abstand des Verformungsbereichs 34 von der Ventilsitzfläche ist dabei so zu wählen, dass die zur Abdichtung mit der Ventilklappe 21 vorgesehene Ventilsitzfläche 31 durch die zur Verdrängung des Ventilsitzringwerkstoffs in die radiale Hinterschneidung 17 der Aufnahmeausformung 16 erforderliche Umformung des Verformungsbereichs 34 keinen Einfluss nimmt auf die Ebenheit und Lage der Ventilsitzfläche 31.
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Zur exakten, konzentrischen Positionierung und zusätzlichen Abdichtung zwischen Ventilsitzring 30 und Aufnahmeausformung 16 ist es vorteilhaft, wenn die Außenkontur des Ventilsitzringes 30 mit der korrespondierenden Innenkontur der Aufnahmeausformung 16 eine Passung mit möglichst geringem Spiel oder sogar eine Presspassung ausbildet. Diese Passung kann über die ganze Gesamt-Ringhöhe HG oder auch lediglich über einen Teil der Gesamt-Ringhöhe HG, einen im Weiteren als Passungsbereich 33 bezeichneten, sich über eine Passungs-Ringhöhe HP erstreckenden Abschnitt, vorgesehen sein.
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Der Ventilsitzring 30 weist im Beispiel der 2 eine gleichbleibende Ringdicke DR auf. In weiteren Ausführungen kann der Ventilsitzring 30 in unterschiedlichen axialen Abschnitten jedoch durchaus unterschiedliche Ringdicken aufweisen. So kann zum Beispiel vorgesehen sein, dass im Passungsbereich 33 eine darauf abgestimmte Passungs-Ringdicke DP vorgesehen ist.
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So zeigt 3 ein weiteres Beispiel der Ausführung des Ventilsitzringes 30 eines erfindungsgemäßen Laufradgehäuses 10. Der in 3 dargestellte Ventilsitzring 30 weist ausgehend von der Ventilsitzfläche 31 in axialer Richtung zunächst einen sich über eine bestimmte Passungs-Ringhöhe HP erstreckenden Passungsbereich 33 mit einer bestimmten Passungs-Ringdicke DP auf. Neben dem Passungsbereich weist der Ventilsitzring 30 einen Umformbereich 32 auf, der sich in axialer Richtung an den Passungsbereich 33 anschließt, sich axial über eine Umform-Ringhöhe HU erstreckt und eine Umform-Ringdicke DU aufweist. In diesem Beispiel ist weiterhin der Verformungsbereich 34 am unteren Ende des Umformbereichs 32 und somit am unteren Rand des Ventilsitzringes 30 angeordnet.
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In weiteren Variationen dieses Gestaltungsbeispiels kann der Verformungsbereich 34 sich zumindest über einen Teil seiner Verformungs-Ringhöhe HV innerhalb der Umform-Ringhöhe HU erstrecken und kann jedoch auch bis in den Passungsbereich 33 hinüberreichen.
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Diese Ausführung hat den Vorteil, dass die Ringdicke DR in den unterschiedlichen Bereichen auf die jeweiligen Anforderungen angepasst werden kann. So kann im Passungsbereich 33 eine größere Passungs-Ringdicke DP gewählt werden, um im Falle einer Presspassung 36, wie in 3 angedeutet, größere Formstabilität des Ventilsitzringes zu gewährleisten. Im Umformbereich 32 dagegen kann eine geringere Umform-Ringdicke DU hilfreich sein um eine schonendere Umformung und Werkstoffverdrängung im innerhalb des Umformbereichs 32 positionierten Verformungsbereich 34 bei geringerem Umform-Kraftaufwand zu gewährleisten.
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Insbesondere ist das Ausführungsbeispiel der 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitzring 30 in seinem Passungsbereich 33 eine zylindrische Außenkontur aufweist, die eine Presspassung 36 mit der korrespondierenden Innenkontur der Aufnahmeausformung 16 des Bypass-Kanals 13 aufweist.
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Darüber hinaus ist der in 3 dargestellte Ventilsitzring 30 durch das weitere Ausführungsmerkmal gekennzeichnet, dass sich die radiale Außenkontur des Ventilsitzrings im Übergang zwischen dem Passungsbereich 33 und dem Umformungsbereich 32, stufenförmig verjüngt und mit einer korrespondierenden Verjüngung der Aufnahmeausformung 16 des Bypass-Kanals 13 als axialer Anschlag 35 zur definierten axialen Positionierung des Ventilsitzringes 30 im Laufradgehäuse 10 zusammenwirkt.
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Ergänzend zeigt ein in 4 gezeigtes weiteres Beispiel der Ausführung des Ventilsitzringes 30 eines erfindungsgemäßen Laufradgehäuses 10, einen Ventilsitzring 30, der demjenigen der 3 nahekommt bei dem jedoch im Unterschied dazu der Verformungsbereich 34 nicht am unteren Ende des Umformbereichs 32 sonder zentrisch darin angeordnet ist. Weiterhin ist die im Übergang zwischen dem Passungsbereich 33 und dem Umformungsbereich 32 ausgebildete Verjüngung hier nicht stufenförmig sondern konusförmig. Dies hat den Vorteil eine zusätzlichen Zentrierung des Ventilsitzringes bei der Montage zu bewirken. Zusätzlich ist bei beiden oben genannten Ausprägungen der Verjüngung eine zusätzliche Stufe in der Aufnahmeausformung 16 zur axialen Positionierung nicht erforderlich.
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Die zuvor gezeigten Ausführungsbeispiele zeigen, dass je nach Erfordernis eine große Bandbreite der Variation der unterschiedlichen Abmessungen und Dimensionierungen des Ventilsitzringes 30 und der korrespondierenden Aufnahmeausformung 16 gegeben ist. Als vorteilhaft haben sich jedoch Ausführungen erwiesen, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die Passungs-Ringhöhe HP zur Umform-Ringhöhe HU in einem Verhältnis von 1/10 bis zu 11/1 steht. Weiterhin zeigt sich unabhängig davon ein Verhältnis von Passungs-Ringdicke DP zur Umform-Ringdicke DU von 1/1 bis 20/1 positiv und unabhängig davon kann die Passungs-Ringdicke DP vorteilhaft so gewählt werden, dass sie kleiner ist oder gleich wie die Passungs-Ringhöhe HP. Für die Verformungs-Ringhöhe HV ist es dagegen vorteilhaft, wenn sie kleiner ist als die Summe aus Umform-Ringhöhe HU und der halben Passungs-Ringhöhe HP.
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Weiterhin hat es sich als positiv gezeigt, wenn der Ventilsitzring 30 aus einem Werkstoff besteht, dessen Festigkeitswert zu dem entsprechende Festigkeitswert des Leichtmetallwerkstoffs des Laufradgehäuses 10 in einem Verhältnis steht von kleiner oder gleich 6/1.
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In 5A) und B) ist ein weiteres Beispiel der Ausführung des Ventilsitzringes 30 eines erfindungsgemäßen Laufradgehäuses 10 gezeigt. In diesem Beispiel weist der Ventilsitzring 30 in dem Verformungsbereich 34 eine Materialaufdickung 37 auf. 5A) zeigt dies Materialaufdickung 37 noch vor der Werkstoffverdrängung in die Hinterschneidung 17, also im ursprünglichen Zustand des Ventilsitzringes 30, in dem die Materialaufdickung 37 auf der Innenkontur des Ventilsitzringes 30 angeordnet ist. Ausgehend von der Anordnung auf der Innenkontur des Ventilsitzringes 30 wird die Materialaufdickung 37 durch den Umformvorgang in die Hinterschneidung 17 der Aufnahmeausformung 16 derart verdrängt, so dass der Ventilsitzring 30 im montierten und fixierten Zustand eine Innenkontur mit zylindrischer Form, mit einem auch im Verformungsbereich im Wesentlichen gleichbleibenden Innendurchmesser aufweist, wie in 5B) zu erkennen ist.
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6 zeigt einen erfindungsgemäßen Abgasturbolader, der im Wesentlichen ein Turbinengehäuse 10a mit einem Turbinenlaufrad 9a, ein Lagergehäuse 8 und ein Verdichtergehäuse 10b mit einem Verdichterlaufrad 9b aufweist. Im Turbinengehäuse 10a ist ein Wastegate-Kanal 13a mit einem Wastegate-Ventil 20a angeordnet. Im Verdichtergehäuse 10b ist ein Schubumluft-Kanal 13b mit einem Schubumluft-Ventil 20b angeordnet. Im Lagergehäuse 8 ist der Turbolader-Läufer gelagert, der das Verdichterlaufrad und das Turbinenlaufrad über eine gemeinsame Läuferwelle 8a vereint. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Turbinengehäuse gemäß dem erfindungsgemäßen Laufradgehäuse 10 ausgeführt. Die Einzelheit X greift den Bereich des Ventilklappensitzes des Wastegate-Ventils 20a heraus und entspricht einer der vorausgehend beschriebenen Ausführungen des Ventilklappensitzes gemäß den 2 bis 5.
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7 zeigt eine vereinfachte Schnittdarstellung durch einen Ventilklappensitz eines erfindungsgemäßen Laufradgehäuses 10 mit eingesetztem Ventilsitzring gemäß 5A) noch vor der Umformung des mit einer Materialaufdickung versehenen Verformungsbereich 34. Eingefügt in den Ventilsitzring 30 ist eine Vorrichtung zur Umformung des Verformungsbereichs 34, hier ein vereinfacht dargestelltes Rollierwerkzeug 40. Das Rollierwerkzeug 40 besteht im Wesentlichen aus einem Werkzeugschaft 41, einer darin um die Werkzeugachse AW drehbar gelagerten hülsenförmigen Umformkugelführung 42 mit darin aufgenommenen Umformkugeln 43 und einem innerhalb der Umformkugelführung 42 angeordneten Abrolldorn 44. Bei Drehung der Umformkugelführung 42 um die Werkzeugachse AW werden die Umformkugeln 43 mitgenommen und rollen auf dem Verdrängerkonus 45 des Abrolldorns 44 ab. Durch axiales Verschieben des Abrolldorns 44 in der Umformkugelführung 42 nach unten, bei gleichzeitiger Drehung der Umformkugelführung 42 um die Werkzeugachse AW, werden mittels des Verdrängerkonus 45 die Umformkugeln 43 sukzessive nach radial außen verschoben und verdrängen den Werkstoff des Ventilsitzringes 30, quasi in einem Walzvorgang, nach radial außen. Durch entsprechende axiale Positionierung der Umformkugelführung 42 und somit der Umformkugeln 43 relativ zum Ventilsitzring 30 wird der Werkstoff der Materialaufdickung des Verformungsbereichs 34 nach radial außen in die radiale Hinterschneidung 17 der Aufnahmeausformung 16 verdrängt.
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8 zeigt den erfindungsgemäßen Ablauf des Montageverfahrens für ein erfindungsgemäßes Laufradgehäuse. Im Schritt B1 erfolgt die Bereitstellung des Ventilsitzringes. Zeitlich parallel dazu kann die Bereitstellung des Laufradgehäuses im Schritt B2 erfolgen. Im Anschluss daran wird im Schritt E der Ventilsitzring in die Aufnahmeausformung des Laufradgehäuses eingesetzt. Je nach maßlicher Auslegung wird dabei eine Presspassung zwischen Ventilsitzring und Aufnahmeausformung erzeugt. In dem sich daran anschließenden Schritt F erfolgt nun die dauerhafte Fixierung des Ventilsitzringes in der Aufnahmeausformung des Bypass-Kanal-Ausgangs durch Verdrängung von Material des Ventilsitzringes in dem besagten Verformungsbereich in radialer Richtung in die besagte korrespondierende radiale Hinterschneidung der Aufnahmeausformung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008011416 A1 [0012]
- DE 102010007600 A1 [0012]
- DE 10020041 C2 [0012]
- DE 102010062403 A1 [0016]
