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Die Erfindung betrifft einen Turboladerläufer und einen Abgasturbolader mit einem solchen Turboladerläufer, wobei der Turboladerläufer zumindest eine Läuferwelle, ein mit dem turbinenseitigen Wellenende drehfest verbundenes Turbinenlaufrad und ein mit dem verdichterseitigen Wellenende drehfest verbundenes Verdichterlaufrad aufweist.
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Abgasturbolader mit entsprechenden Turboladerläufern 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 Läuferwelle befestigt und bilden so den Turboladerläufer, der mit seiner Läuferwelle in einer zwischen Turbine und Verdichter angeordneten Lagereinheit drehgelagert ist. Somit wird mit Hilfe des Abgasmassenstroms das Turbinenrad und über die Läuferwelle wiederum das Verdichterrad angetrieben und die Abgasenergie so zum Druckaufbau im Ansaugtrakt genutzt.
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Zum Beispiel 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 weisen jeweils eine auf den Anwendungszweck abgestimmte Beschaufelung auf und sind drehfest an den gegenüberliegenden Enden einer gemeinsamen Läuferwelle befestigt mit der sie den sogenannten Turboladerläufer bilden. Der Turboladerläufer ist mit seiner Läuferwelle in einer zwischen Turbine und Verdichter angeordneten Lagereinheit radial und axial drehgelagert. Somit wird mit Hilfe des Abgasmassenstroms das Turbinenrad und über die Läuferwelle wiederum das Verdichterrad angetrieben und die Abgasenergie so zum Druckaufbau im Ansaugtrakt genutzt.
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Die konstruktive Gestaltung eines konventionellen Abgasturboladers erfordert in der Regel einen mehrteiligen Aufbau des Turboladerläufers, wie in 1 anhand eines Beispiels dargestellt. Gleichzeitig müssen über die Läuferwelle beträchtliche Drehmomente bei sehr hohen Drehzahlen (einige 10.000 bis über 100.000 Umdrehungen pro Minute) übertragen werden. Darüber hinaus wird der Turboladerläufer 30 im Betrieb insbesondere auf der Seite des Turbinenlaufrads 31 einer thermischen Wechselbeanspruchung mit Temperaturen bis über 1000°C beaufschlagt. Desweiteren muss das Trägheitsmoment des Turboladerläufers minimiert werden, um eine schnelle Drehzahlanpassung an die wechselnden Betriebszustände gewährleisten zu können.
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Die daraus resultierenden Anforderungen erfordern den Einsatz ausgewählter Materialien sowie eine robuste Lagerung des Turboladerläufers 30. So ist beispielsweise das Turbinenlaufrad 31 aus einem leichten, hochwarmfesten Werkstoff, wie zum Beispiel einer Titan-Aluminid-Legierung hergestgellt. Die Läuferwelle 32 ist wegen der erforderlichen Verschleißfestigkeit aus Stahl hergestellt und das Verdichterlaufrad 1 ist beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung hergestellt, um ein niedriges Eigengewicht und somit ein niedriges Trägheitsmoment des Verdichterlaufrades im Betrieb zu gewährleisten. Das Turbinenlaufrad 31 und die Läuferwelle 32 sind in der Regel stoffschlüssig fest zu einem Bauteil verbunden. Das Verdichterlaufrad 1 kann konstruktionsbedingt dagegen erst bei der Montage des Abgasturboladers zusammen mit den unten genannten weiteren Bauteilen auf die Läuferwelle montiert und befestigt werden.
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Die Lagerung der zumeist aus einem Stahlwerkstoff bestehenden Läuferwelle 32 ist üblicherweise als Radial-Gleitlager, zum Beispiel mit schwimmenden Radial-Lagerbuchsen 34 ausgeführt und wird über eine Schmiermittelzuführung mit Schmiermittel versorgt. Auf der Läuferwelle 32 sind dementsprechend zwei Radial-Lagerbuchsen 34 in einem durch eine Lager-Abstandshülse 33 bestimmten axialen Abstand angeordnet. Weiterhin sind auf der Läuferwelle 32 eine Dichtringbuchse 35 für die Abdichtung des Ölraums im Lagergehäuse gegenüber dem Verdichtergehäuse des Abgasturboladers, eine Axiallagerscheibe 36 und ein Axiallager-Begrenzungsscheibe 37, zur Abstützung des Turboladerläufers gegen im Betrieb auftretende Axialkräfte, zwischen einer Wellenschulter 32a und dem Verdichterlaufrad 1 angeordnet. Die Dichtringbuchse 35, die Axiallagerscheibe 36 und die Axiallager-Begrenzungsscheibe 37 sind zusammen mit dem Verdichterlaufrad 1 mit Hilfe einer Wellen-Spannmutter 40 und dem Gewindezapfen 38 auf der Läuferwelle 32 festgespannt.
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Ein solcher Aufbau des Turboladerläufers ist beispielsweise auch aus dem Dokument
DE 10 2009 060 056 A1 bekannt. Auch die Patentanmeldung
DE 10 2013 213 023.6 offenbart eine solchen Aufbau, bei dem darüber hinaus die Dichtringbuchse, die Axiallagerscheibe
36 und das Axiallager-Begrenzungselement
37 zu einem Bauteil zusammengefasst sind, wobei dieses Bauteil zusätzlich mit einem Innengewinde zur ergänzenden Verspannung gegen die Wellenschulter ausgestattet ist. Bei solchen Konzeptionen kommt es bedingt durch das Setzverhalten sowie der unterschiedlichen Wärmedehnung der einzelnen Bauteile, insbesondere bei der im Betrieb auftretenden thermischen Wechselbeanspruchung, manchmal zur Lockerung der Verbindung bis hin zum totalen Versagen des Turboladerläufers.
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Dokument
US 4,705,463 offenbart ein Verdichterlaufrad für Turbolader, mit dessen Nabe ein zylinderförmiges Buchsenbauteil mittels einer Reibschweißverbindung verbunden ist. Das Buchsenbauteil weist eine konzentrisch angeordnete Gewindebohrung zur Verbindung mit einer Läuferwelle auf. Dadurch wird eine Bohrung in die Verdichterlaufradnabe und somit eine Schwächung der mechanischen Stabilität vermieden. Das Verdichterlaufrad ist dabei aus einer Aluminiumlegierung das Buchsenbauteil ist aus Maschinenstahl hergestellt. Dem Fachmann ist jedoch bekannt, dass Reibschweißverbindungen zwischen Aluminiumlegierungen und Stahl aufgrund der auftretenden hohen Temperaturen und unterschiedlicher Wärmedehnungskoeffizienten der verschiedenen Materialien häufig zu Eigenspannungen, Rissbildung und zur Materialversprödung im Verbindungsbereich führen kann.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde einen Turboladerläufer sowie einen Abgasturbolader mit erhöhter Betriebssicherheit und Lebensdauer zur Verfügung zu stellen.
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Die der Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben werden mit den Merkmalen des Erfindungsgegenstandes gemäß dem Hauptanspruch bezüglich eines Turboladerläufers und den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs bezüglich des Abgasturboladers gelöst. Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung dar.
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Dem gemäß wird ein Turboladerläufer vorgeschlagen, für einen eine Abgasturbine und einen Frischluftverdichter aufweisenden Abgasturbolader, wobei der Turboladerläufer zumindest eine Läuferwelle mit einem turbinenseitigen Wellenende und einem verdichterseitigen Wellenende, ein mit dem turbinenseitigen Wellenende drehfest verbundenes Turbinenlaufrad und ein mit dem verdichterseitigen Wellenende drehfest verbundenes Verdichterlaufrad aufweist. Der Turboladerläufer ist dadurch gekennzeichnet, dass die drehfeste Verbindung des Verdichterlaufrads mit dem verdichterseitigen Wellenende eine in einem Reib-Rühr-Schweißverfahren hergestellte Schweißverbindung aufweist.
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Der erfindungsgemäße Abgasturbolader für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs mit einer Abgasturbine einem Frischluftverdichter und einem dazwischen angeordneten Lagergehäuse ist dadurch gekennzeichnet, dass er einen erfindungsgemäßen Turboladerläufer aufweist.
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Die erfindungsgemäße Ausführung des Turboladerläufers und des Abgasturboladers hat den Vorteil, dass eine gegen Lösen gesicherte Verbindung zwischen Verdichterlaufrad und Läuferwelle hergestellt ist, wodurch ein Durchrutschen des Verdichterlaufrades sowie gegebenenfalls zusätzlicher Funktionsteile wie zum Beispiel Dichtungsbuchse, Axiallagerscheibe, Axiallager-Begrenzungsscheibe und Ölabweisscheibe zusammen mit dem Verdichterlaufrad zuverlässig verhindert wird. Die gesicherte Verbindung zwischen Verdichterlaufrad und Läuferwelle ist unabhängig vom Werkstoff aus dem Verdichterlaufrad und Läuferwelle hergestellt ist, da sich durch das Reib-Rühr-Schweißverfahren auch unterschiedliche Werkstoffe zuverlässig und dauerhaft stoffschlüssig verbinden lassen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen offenbart.
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Ausführungsbeispiele und Weiterbildungen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Figuren in der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 einen erfindungsgemäßen Turboladerläufer mit den wesentlichen Komponenten und zusätzlichen auf der Läuferwelle montierten Funktionsteilen, in Schnitt-Darstellung;
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2 einen vergrößerten Ausschnitts Z des verdichterseitigen Wellenendes des Turboladerläufers aus 1 im Schnitt und Vorderansicht zur Darstellung einer Ausführung der im Reib-Rühr-Schweißverfahren hergestellten Schweißverbindung zwischen Verdichterlaufrad und Läuferwelle;
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3 einen weiteren vergrößerten Ausschnitts Z des verdichterseitigen Wellenendes des Turboladerläufers aus 1 im Schnitt und Vorderansicht zur Darstellung einer weiteren Ausführung der im Reib-Rühr-Schweißverfahren hergestellten Schweißverbindung zur Befestigung des Verdichterlaufrads auf der Läuferwelle;
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4 eine schematische Darstellung des Herstellprozesses einer Reib-Rühr-Schweißverbindung;
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5 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers in Kombination mit einem erfindungsgemäßen Turboladerläufer.
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Funktions- und Benennungsgleiche Teile sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist ein erfindungsgemäßer Turboladerläufer 10 dargestellt. Dabei sind die von der Verdichterseite her montierten Funktionsteile im Schnitt dargestellt, wogegen die Läuferwelle 30 und das damit verbundene Turbinenlaufrad 50 ungeschnitten dargestellt sind. Die wesentlichen Komponenten des Turboladerläufers 10 sind das Turbinenlaufrad 50, die Läuferwelle 30 und das Verdichterlaufrad 20. Turbinenlaufrad 50 und Verdichterlaufrad 20 sind jeweils drehfest und auch axial in fester Position mit der Läuferwelle 30 verbunden.
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Das Verdichterlaufrad 20 weist eine Laufradbeschaufelung 21 und eine Laufradnabe 22 mit einer dem Turbinenlaufrad 50 zugewandten Innenstirnfläche 24 und einer dem Turbinenlaufrad 50 abgewandten Außenstirnfläche 25 und einer zentrischen Durchgangsbohrung 23, zur Aufnahme der Läuferwelle 30 auf. Die Läuferwelle 30 durchdringt die Durchgangsbohrung 23 auf voller Länge, so dass das verdichterseitige Wellenende 32 der Läuferwelle 30 plan mit der Außenstirnfläche 25 des Verdichterlaufrades 20 abschließt oder diese geringfügig überragt.
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Weitere Funktionskomponenten sind zwischen dem Turbinenlaufrad 50 und Verdichterlaufrad 20 auf der Läuferwelle 30 montiert. Dies sind zwei Radiallagerbuchsen 40 zur Drehlagerung des Turboladerläufers 10 in einem Lagergehäuse eines Abgasturboladers, eine Lagerabstandshülse 41 zwischen den beiden Radiallagerbuchsen 40, die den axialen Abstand zwischen den Radiallagerbuchsen vorgibt. Zur axialen Lagerung des Turboladerläufers sind eine Axiallagerscheibe 46 und eine Axiallager-Begrenzungsscheibe 47 und zur Abdichtung des Lagerbereichs gegenüber dem Verdichterbereich des Abgasturboladers eine Dichtungsbuchse 45 auf der Läuferwelle 30 zwischen einer Wellenschulter 34 und der Innenstirnfläche 24 des Verdichterlaufrads 20 verdrehgesichert eingespannt.
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Die in 1 mit einem Kreis gekennzeichnete Einzelheit Z beinhaltet die drehfeste Verbindung zwischen Verdichterlaufrad 20 und dem verdichterseitigen Wellenende 32 der Läuferwelle 30, die eine in einem Reib-Rühr-Schweißverfahren hergestellte Schweißverbindung 65 aufweist. Zwei unterschiedliche Ausführungen dieser drehfesten Verbindung sind in den 2 und 3 als Einzelheit Z vergrößert dargestellt.
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2 zeigt anhand der Einzelheit Z im Schnitt (linke Bildhälfte) und in Vorderansicht vom verdichterseitigen Wellenende 32 her (rechte Bildhälfte) eine Ausführung der eine Reib-Rühr-Schweißverbindung 65 aufweisenden drehfesten Verbindung zwischen Verdichterlaufrad 20 und dem verdichterseitigen Läuferwellenende 32. Diese ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichterlaufrad 20 eine Laufradnabe 22 mit einer zentrisch angeordneten Durchgangsbohrung 23, einer dem Turbinenlaufrad zugewandten Innenstirnfläche 24 (hier nicht dargestellt) und einer dem Turbinenlaufrad abgewandten Außenstirnfläche 25 aufweist und dass das verdichterseitige Wellenende 32 eine verdichterseitige Wellenstirnfläche 33 aufweist.
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Die Läuferwelle 30 ist von der Innenstirnfläche 24 der Laufradnabe 22 her so weit in die Durchgangsbohrung 23 der Laufradnabe 22 eingefügt, dass die verdichterseitige Wellenstirnfläche 33 mit der Außenstirnfläche 25 der Laufradnabe 22 in einer Ebene liegt und ein Ringspalt 26 zwischen dem verdichterseitigen Wellenende 32 und der Durchgangsbohrung 23 ausgebildet ist. Dabei ist die im Reib-Rühr-Schweißverfahren hergestellte Schweißverbindung 65 als umlaufende durchgängige Verbindungsnaht (siehe obere Hälfte in der Vorderansicht) oder als einzelne voneinander getrennte Verbindungsnahtabschnitte (siehe untere Hälfte in der Vorderansicht) im Bereich und entlang des Ringspaltes 26 ausgebildet.
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Die im verdichterseitigen Wellenende 32 eingebrachte Gewindebohrung 37 dient Montagezwecken, wie zum Beispiel der Einspannung der Läuferwelle 30 unter Zug während der Durchführung des Reib-Rühr-Schweißvorganges, um zum Beispiel eine Vorspannung zum Verspannen der Funktionskomponenten Dichtungsbuchse 45, Axiallagerscheibe 46 und Axiallager-Begrenzungsscheibe 47 zwischen Wellenschulter 34 und Innenstirnfläche 24 des Verdichterlaufrades zu gewährleisten.
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3 zeigt anhand der Einzelheit Z im Schnitt (linke Bildhälfte) und in Vorderansicht vom verdichterseitigen Wellenende 32 her (rechte Bildhälfte) eine weitere Ausführung der eine Reib-Rühr-Schweißverbindung 65 aufweisenden drehfesten Verbindung zwischen Verdichterlaufrad 20 und dem verdichterseitigen Läuferwellenende 32. Diese ist dadurch gekennzeichnet, dass das verdichterseitige Wellenende 32 der Läuferwelle 30 ein Außengewinde 38 mit selbsthemmender Gewindesteigung aufweist und dass das Verdichterlaufrad 20 eine Laufradnabe 22 mit einer zentrisch angeordneten Durchgangsbohrung 23, einer dem Turbinenlaufrad 50 zugewandten Innenstirnfläche 24 und einer dem Turbinenlaufrad 50 abgewandten Außenstirnfläche 25 aufweist, wobei von der Außenstirnfläche 25 her ein Gewindeeinsatz 27 mit einem zum Außengewinde 38 der Läuferwelle 30 korrespondierenden Innengewinde konzentrisch zur Durchgangsbohrung 23 in einer Aufnahmeausnehmung 29 der Laufradnabe 22 eingefügt ist. Dabei ist die Läuferwelle 30 von der Innenstirnseite 24 der Laufradnabe 22 her in die Durchgangsbohrung 23 eingefügt und steht mit dem Gewindeeinsatz 29 in Schraubverbindung, wobei das Verdichterlaufrad 22 mittels der Schraubverbindung gegen eine Wellenschulter 34 der Läuferwelle 30 drehfest verspannt ist. Die Gewindeeinsatzstirnfläche 28 liegt mit der Außenstirnfläche 25 der Laufradnabe 22 in einer Ebene wobei zwischen dem Außenmantel des Gewindeeinsatzes 27 und der Aufnahmeausnehmung 29 ein Ringspalt ausgebildet ist. Zur drehfesten Verbindung der Laufradnabe 22 mit dem Gewindeeinsatz 27 ist eine im Reib-Rühr-Schweißverfahren hergestellte Schweißverbindung 65 als durchgängige Verbindungsnaht (siehe obere Hälfte in der Vorderansicht) oder als einzelne voneinander getrennte Verbindungsnahtabschnitte (siehe untere Hälfte in der Vorderansicht) im Bereich und entlang des Umfanges des Ringspaltes 26 ausgebildet.
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Bei der Herstellung bzw. Montage eines Turboladerläufers der zuvor genannten Ausführung ergeben sich zwei unterschiedliche Varianten des Montageverfahrens:
- 1.) Der Gewindeeinsatz 27 wird mittels Reib-Rühr-Schweißverfahrens vor der eigentlichen Montage des Turboladerläufers mit dem Verdichterlaufrad 20 verschweißt. Das Verdichterlaufrad 20 wird dann wie eine Wellenmutter, mit einem vorbestimmten Anzugsmoment, aufgeschraubt und erzeugt dadurch die Vorspannung im Wellenverband. Zu diesem Zweck kann das Verdichterlaufrad 22 Merkmale, zum Beispiel eine Schlüsselweite SW aufweisen (siehe 3, rechte Darstellung), die geeignet sind ein Festschraubmoment mit einem korrespondierenden Werkzeug auf das Verdichterlaufrad zu Übertragen. Dadurch werden die sich zwischen einer Wellenschulter 34 und der Laufradnabe 22 angeordneten weiteren Funktionsteile, wie z. Bsp. Dichtungsbuchse 45, Axiallagerscheibe 46 und Axiallager-Begrenzungsscheibe 47 zwischen Laufradnabe 22 und Wellenschulter 34 eingespannt
- 2.) Der Gewindeeinsatz 27 wird erst nach dem Aufschieben des Verdichterlaufrades 20 auf das Außengewinde 38 des verdichterseitigen Wellenendes 32 geschraubt und mit einem entsprechenden Anzugsmoment festgezogen, wodurch das Verdichterlaufrad 20 zusammen mit den weiteren Funktionskomponenten, z. B. Dichtungsbuchse 45, Axiallagerscheibe 46 und Axiallager-Begrenzungsscheibe 47 gegen die Wellenschulter 34 eingespannt werden. Zu diesem Zweck kann der Gewindeeinsatz 27 Merkmale, zum Beispiel Bohrungen 28a in der Gewindeeinsatzstirnfläche 28, aufweisen (siehe 3, linke Darstellung), die geeignet sind ein Festschraubmoment mit einem korrespondierenden Werkzeug auf den Gewindeeinsatz 27 zu übertragen. Nach dem Festziehen des Gewindeeinsatzes 27 wird dieser dann mittels einer im Reib-Rühr-Schweißverfahren hergestellte Schweißverbindung 65 in der oben beschriebenen Art mit dem Verdichterlaufrad 20 verbunden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Verbindung des Verdichterlaufrads 20 mit dem verdichterseitigen Wellenende 32 eine in einem Reib-Rühr-Schweißverfahren hergestellte Schweißverbindung 65 aufweist, bei einer Ausführung des Turboladerläufers 10 die dadurch gekennzeichnet ist, dass das Verdichterlaufrad 20 aus einem Leichtmetallwerkstoff und die Läuferwelle 30 aus einem Stahlwerkstoff besteht. Durch die Verwendung eines Leichtmetallwerkstoffes für das Verdichterlaufrad 20 wird die träge Masse des Verdichterlaufrades 20 und somit der Turboladerläufers 10 insgesamt verringert, was in einem verbesserten Ansprechverhalten eines Abgasturboladers, der einen solchen Turboladerläufer aufweist, führt. In diesem Fall wirkt sich besonders vorteilhaft die Eigenart des Reib-Rühr-Schweißverfahrens aus, nämlich dass unterschiedliche Materialien quasi in einem Warmumformprozess verbunden werden und der Prozess in Temperaturbereichen unterhalb der Schmelztemperatur des zu verbindenden Materials stattfindet, wodurch ungünstige Material-Gefüge-Änderungen und Eigenspannungen im Verbindungsbereich weitgehend vermeidbar sind.
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In einer weiteren Ausführung bzw. in Weiterbildung des erfindungsgemäßen Turboladerläufer 10 ist, wie auch in der 1 dargestellt, zwischen der Innenstirnfläche 24 der Laufradnabe 22 und einer Wellenschulter 34 der Läuferwelle 30 zumindest ein weiteres der Funktionselemente Dichtungsbuchse 45, Axiallagerscheibe 46, Axiallager-Begrenzungsscheibe 47 und Ölabweisscheibe 48 angeordnet ist. In der Darstellung in 1 sind die Axiallagerscheibe 46 und die Ölabweisscheibe 48 in einem Bauteil zusammengefasst.
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In Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform ist der Turboladerläufer 10 dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der weiteren Funktionselemente 45, 46, 47, 48 mittels eines Formschlusses oder einer Presspassung oder mittels axialer Verspannung gegen die Wellenschulter 34 auf der Läuferwelle 30 fixiert ist. Dies verhindert zuverlässig eine Verdrehung der Funktionselemente 45, 46, 47, 48 relativ zur Läuferwelle 30 und beugt so dem Verschleiß zwischen Läuferwelle 30 und den Funktionselemente 45, 46, 47, 48 vor.
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Das in
4 vereinfacht dargestellte Reib-Rühr-Schweißverfahren ist an sich bereits zum Beispiel aus der
EP 0 615 480 B1 als "Reibrührungs-Stumpfschweißen" oder "Stoßschweißen" bekannt und ermöglicht es eine Vielzahl verschiedenartiger Werkstücke mittels einer "nichtverbrauchbaren" Sonde zu verbinden. Die Darstellung in
4 soll das Verfahren verdeutlichen. Dabei wird die Sondenspitze
61 einer weitgehend unverbrauchbaren Reib-Rühr-Schweiß-Sonde
60 mit einer Sonden-Anpresskraft F in den durch einen stumpfen Stoß
64 gebildeten Spalt zwischen den zu verbindenden Materialien eingeführt wobei sich die Reib-Rühr-Schweiß-Sonde
60 mit einer bestimmten Drehzahl ω um ihre eigene Sonden-Längsachse
62 dreht, um Reibungswärme zu erzeugen. Die Sondenspitze
61 wird komplett in den Spalt eingetaucht, bis die Reib-Rühr-Schweiß-Sonde
60 mit ihrer Sonden-Stirnfläche
63 auf der Werkstückoberfläche aufliegt. Bei hinreichender Erhitzung wird eine Schicht aus plastifiziertem Material um die Sonde herum gebildet, die weitgehend aus den beiden zu verbindenden Materialien besteht, so dass bei langsamem Traversieren der rotierenden Reib-Rühr-Schweiß-Sonde
60 um einen Sondenvorschubweg S, längs der Verbindungslinie bzw. des stumpfen Stoßes
64 und senkrecht zur Sondenlängsachse
62 der Reib-Rühr-Schweiß-Sonde
60, das plastifizierte Material längs der Verbindungslinie miteinander "verrührt" wird. Bei der Abkühlung des plastifizierten Werkstoffes, in Bezug auf den Sondenvorschubweg S hinter der Sondenspitze
61, bildet das plastifizierte Material eine Schweißerbindung
65 entlang des stumpfen Stoßes
64 und verbindet so die Bauteile in der gewünschten Weise miteinander. Die Querschnittsfläche der stoffschlüssigen Verbindung ist abhängig von der Geometrie der Sondenspitze
61 der Reib-Rühr-Schweiß-Sonde
60, die zum Beispiel Kegelform mit abgerundeter Spitze aufweisen kann.
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Der Vorteil dieses Verfahrens besteht vor Allem darin, dass unterschiedliche Materialien quasi in einem Warmumformprozess verbunden werden, wobei keine besondere Nahtvorbereitung erforderlich ist und keinerlei Zusatzmaterialien benötigt werden. Weiterhin erfolgt der Prozess in Temperaturbereichen unterhalb der Schmelztemperatur des zu verbindenden Materials wodurch ungünstige Material-Gefüge-Änderungen und Eigenspannungen im Verbindungsbereich weitgehend vermeidbar sind.
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5 zeigt schematisiert einen Abgasturbolader 70 in Schnitt-Darstellung, der eine Abgasturbine 71, einen Verdichter 72 und ein Lagergehäuse 73 umfasst. Die Abgasturbine ist mit einem Wastegateventil 75 ausgestattet und der Abgas-Massestrom AM ist mit Pfeilen angedeutet. Der Verdichter weist ein Schub-Umluftventil 76 auf und der Frischluft-Massestrom FM ist ebenfalls mit Pfeilen angedeutet. Der sogenannte Turboladerläufer 10 des Abgasturboladers 70 besteht im Wesentlichen aus dem Turbinenlaufrad 50, dem Verdichterlaufrad 20 sowie der Läuferwelle 30. Der Turboladerläufer 10 rotiert im Betrieb um die Läufer-Drehachse 11 der Läuferwelle 30, die durch die eingezeichnete Mittellinie dargestellt ist. Der Turboladerläufer 10 ist mit seiner Läuferwelle 30 mittels zweier Radiallager 35 und einem Axiallager (nicht dargestellt) gelagert.
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Die Drehfeste Verbindung zwischen dem verdichterseitigen Wellenende 32 und dem Verdichterlaufrad 20 weist eine in einem Reib-Rühr-Schweißverfahren hergestellten Schweißverbindung auf, wie zum Beispiel gemäß einer der in den 2 oder 3 dargestellten Ausführungsbeispiele der Einzelheit Z.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009060056 A1 [0008]
- DE 102013213023 [0008]
- US 4705463 [0009]
- EP 0615480 B1 [0036]
