DE102016100819A1

DE102016100819A1 - Kupplungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102016100819A1
Application number: DE102016100819.2A
Authority: DE
Inventors: Matijas Ivankovic; Marco Di Pietro; Melanie Hubacher
Original assignee: ABB Turbo Systems AG
Current assignee: Turbo Systems Switzerland Ltd Ch
Priority date: 2015-02-20
Filing date: 2016-01-19
Publication date: 2016-08-25
Also published as: JP2016153650A; CN105909373B; KR20160102335A; KR102513733B1; JP6639263B2; CN105909373A

Abstract

Die Kupplungsvorrichtung zum Befestigen einer Hilfsmaschine an dem Rotor eines Abgasturboladers umfasst eine Mutter (31), mit welcher das Verdichterrad (20) des Abgasturboladers auf der Welle festgeschraubt wird. Weiter umfasst die Kupplungsvorrichtung ein Kupplungselement (52), welches formschlüssig mit der Welle und formschlüssig mit der Mutter verbunden ist. Dadurch ergibt sich in der Summe ein Formschluss zwischen der Welle (30) des Abgasturboladers und dem Kupplungselement (52).

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der mittels Abgasturboladern aufgeladenen Brennkraftmaschinen. Sie betrifft eine Kupplungsvorrichtung zum Befestigen einer Hilfsmaschine an dem Rotor eines Abgasturboladers.
Stand der Technik
Aus einem Abgasturbolader mit einem schnelldrehenden Rotor kann überschüssige Energie auf unterschiedliche Weise abgeführt werden.
WO 2013/18308 A1 beschreibt ein System mit einem Abgasturbolader, bei welchem eine hydraulische Pumpe über eine Kupplung mit dem Rotor des Abgasturboladers verbunden ist.
EP 1 961 936 A1 beschreibt einen sogenannten Hybrid Abgasturbolader, bei welchem eine elektrische Maschine über eine Kupplung mit dem Rotor des Abgasturboladers verbunden ist und als Generator betrieben wird. Wird die elektrische Maschine als Motor betrieben, kann über die Kupplung dem Abgasturbolader Energie zugeführt werden.
Die Übertragung des Drehmoments vom Rotor des Abgasturboladers auf die Kupplung erfolgt vorteilhafterweise über eine formschlüssige Verbindung. EP 1 961 936 A1 zeigt eine formschlüssige Verbindung zwischen der Kupplung und dem Verdichterrad.
Soll ein bestehender Abgasturbolader mit einem System zur Energierückgewinnung/ Energieeinspeisung ausgestattet werden, ist es erstrebenswert, die nachträglich herzustellende Verbindung zwischen der Kupplung und dem Rotor ohne Veränderungen am Rotor und insbesondere ohne Veränderung am Verdichterrad realisieren zu können.
Insbesondere bei Rotoren mit durch Schrauben an der Welle befestigten Verdichterrädern, wie etwa in DE 101 00 977 A1 offenbart, stellt sich dabei das Problem, dass die Schraubverbindung beim Zu- oder Abführen der Energie gelöst oder übermässig angezogen wird, wodurch die Qualität der Verbindung zwischen Verdichterrad und Welle beeinträchtigt werden könnte.
Kurze Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine einfach nachrüstbare Kupplungsvorrichtung zum Befestigen einer Hilfsmaschine an dem Rotor eines Abgasturboladers zu schaffen, welche die Schraubverbindung zwischen einzelnen Bestandteile des Rotors nicht beeinträchtigt.
Erfindungsgemäss wird dabei bei dem aus mehreren Einzelteilen zusammengesetzten Rotor an der das Verdichterrad an der Welle befestigenden Mutter angegriffen. Das Verdichterrad selber bleibt von der Kupplungsvorrichtung unberührt. Die Kupplungsvorrichtung ist an der Mutter befestigt und weist erfindungsgemäss ein zusätzliches Mittel zur Momentübertragung von der Welle auf das Kupplungselement auf. Das Momentübertragende Mittel greift vorteilhafterweise in einer entsprechenden Vertiefung am Wellenende ein, welche beispielsweise beim Festschrauben der Mutter auf der Welle zur Feststellung der Welle benötigt wird und als Innensechskant ausgebildet ist. Das entsprechende Mittel zur Momentübertragung ist ein Aussensechskant, welcher direkt am Kupplungselement ausgebildet oder indirekt über ein Zwischenstück am Kupplungselement befestigt ist und so für eine formschlüssige Verbindung zwischen der Welle und dem Kupplungselement sorgt.
Umfasst die geschraubte Befestigung des Verdichterrades an der Welle eine mehrteilige Welle mit einem in die Welle eingeschraubten Welleneinsatzstück, wird erfindungsgemäss die Gewindeverbindung zwischen einem Innengewinde an der Welle und einem Aussengewinde am Welleneinsatzstück durch ein Verdrehsicherungselement gegen ungewolltes Lösen dieser Gewindeverbindung gesichert. Das Verdrehsicherungselement ist dabei als ringförmiges Element über das Welleneinsatzstück geschoben und mit einem Aussengewinde bis zu einem Anschlag in ein zusätzliches Innengewinde in der Welle verschraubt. Optional weisen die beiden Gewindeverbindungen unterschiedliche Gewindesteigungen auf, um das ungewollte Lösen weiter zu erschweren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung anhand von Zeichnungen detailliert erläutert. Hierbei zeigt
1 eine schematische Darstellung eines Systems mit einem Verbrennungsmotor, einem Abgasturbolader und einer mit dem Abgasturbolader verbundenen Hilfsmaschine,
2 eine erste Ausführungsform einer Kupplungsvorrichtung zum Befestigen der Hilfsmaschine am Rotor des Abgasturboladers im unbefestigten Zustand,
3 die Kupplungsvorrichtung nach 2 im befestigten Zustand,
4 eine zweite Ausführungsform einer Kupplungsvorrichtung zum Befestigen der Hilfsmaschine am Rotor des Abgasturboladers im unbefestigten Zustand,
5 die Kupplungsvorrichtung nach 4 im befestigten Zustand,
6 eine dritte Ausführungsform einer Kupplungsvorrichtung zum Befestigen der Hilfsmaschine am Rotor des Abgasturboladers,
7 eine vergrösserte Darstellung des Ausschnitts VII der Kupplungsvorrichtung nach 6 mit einem Verdrehsicherungselement,
8 das Verdrehsicherungselement der Kupplungsvorrichtung nach 7, und
9 eine Ansicht auf den entlang IX-IX geführten Schnitt duch die Kupplungsvorrichtung nach 2.
Weg zur Ausführung der Erfindung
1 zeigt schematisch eine Aufladevorrichtung eines Verbrennungsmotors 10 umfassend einen Abgasturbolader mit einer Abgasturbine 4 und einem Verdichter 2, wobei Turbinenrad und Verdichterrad über ein Welle 30 des Abgasturboladers miteinander verbunden sind. Verdichterseitig ist über eine Kupplung 50 eine Hilfsmaschine mit dem Rotor des Abgasturboladers verbunden. Bei der Hilfsmaschine handelt es sich etwa um eine elektrische Maschine oder eine hydraulische Pumpe zum Einspeisen oder Entnehmen von Energie aus dem Abgasturbolader.
2 zeigt eine Anordnung mit einem auf der Welle 30 aufgeschobenen Verdichterrad 20, welches mit einer auf einem Aussengewinde eines Wellenendes aufgeschraubten Mutter 31 gegen einen Axialanschlag gesichert ist. Die Welle weist an ihrem freien Ende eine Vertiefung auf, in welcher typischerweise ein Innensechskant ausgebildet ist. Der Innensechskant dient der Aufnahme eines Montagewerkzeugs beim Festschrauben der Mutter auf der Welle. Das Montagewerkzeug stellt die Welle ruhig während die Mutter angezogen werden kann. Erfindungsgemäss wird ein Kupplungselement 52, welches zur linken Seite hin abgeschnitten dargestellt ist, mit der Mutter 31 in eine formschlüssige Verbindung gebracht, wie in 3 dargestellt. Dies erfolgt durch Festschrauben der mehreren, entlang des Umfangs verteilt angeordneten Befestigungsschrauben 53 in dafür vorgesehenen Bohrungen in der Mutter 31. Zentral weist das Kupplungselement 52 einen axial gerichteten Vorsprung 54 auf, welcher dem Innensechskant entsprechend als Aussensechskant ausgebildet ist, und beim Zusammenfügen von Kupplungselement 52 und Mutter 31 mit der Vertiefung im Wellenende eine formschlüssige Verbindung eingeht. In der Summe führen diese beiden Formschlüsse zu einer lösbaren, formschlüssigen Verbindung zwischen der Welle und dem Kupplungselement, welcher der optimalen Momentübertragung von der Welle zum Kupplungselement dient. Dank der formschlüssigen Verbindung zwischen dem axialen Vorsprung an dem Kupplungselement und der Vertiefung im Wellenende, bleibt die für die Festklemmung des Verdichterrades zwischen Mutter und Axialanschlag an der Wellenschulter verantwortliche Gewindeverbindung zwischen Mutter 31 und Welle 30 von der Momentübertragung auf das Kupplungselement unbeeinträchtigt.
Optional kann in dieser Ausführungsform oder in allen weiter unten vorgestellten Ausführungsformen anstelle eines Innensechskants in der Vertiefung im Wellenende und einem Aussensechskants auf dem Vorsprung am Kupplungselement eine anders geformte, aufeinander abgestimmte Kontur vorgesehen sein. Vorsprung und Vertiefung können auch vertauscht sein. Oder die Vertiefung und der Vorsprung können konusförmig geformt sein, wobei in diesem Fall die Momentübertragung nicht durch einen Formschluss zwischen Vertiefung und Vorsprung, sondern durch einen gepressten Kraftschluss erfolgt. Damit lassen sich auch allfällige Winkelabweichungen beim Zusammenfügen der Befestigungsmittel 53 mit den zu deren Aufnahme vorgesehenen Bohrungen in der Mutter ausgleichen. Im Falle der formschlüssigen Verbindung mittels übereinstimmender Kontur sind die Befestigungsmittel 53 wie in 9 dargestellt in sich entlang des Umfangs erstreckenden Langlöchern 51 angeordnet und lassen sich innerhalb dieser Langlöcher in die gewünschte Position verschieben. Gegebenenfalls können zwischen den Schraubenköpfen der Befestigungsmittel und dem die Langlöcher aufweisenden Flansch des Kupplungselements Unterlagscheiben vorgesehen sein, um die Langlöcher abzudecken und eine grossflächige Pressung sicherzustellen.
4 zeigt eine zweite Ausführungsform der Kupplungsvorrichtung, bei welcher das Kupplungselement 52 auf einem grösseren Radius mit dem Rotor des Abgasturboladers verbunden ist. Hierzu wird auf der Mutter 31, welche das Verdichterrad festhält, ein erstes Zwischenstück 55 befestigt, beispielsweise durch mehrere, entlang des Umfangs verteilt angeordnete Befestigungsschrauben, wie im oberen Bildteil dargestellt. Anschliessend wird über ein weiteres Zwischenstück 56 die formschlüssige Verbindung zwischen der Welle 30 und dem ersten Zwischenstück 55 hergestellt, indem wie bei der ersten Ausführungsform der axiale Vorsprung als Aussensechskant in die zentrale Vertiefung im Wellenende eingeführt und das zweite Zwischenstück mittels mehreren, entlang des Umfang verteilt angeordneten Befestigungsschrauben am ersten Zwischenstück befestigt wird. Zuletzt wird das Kupplungselement 52 mit mehreren, aussen liegenden, wiederum entlang des Umfangs verteilt angeordneten Befestigungsschrauben am Zwischenstück 55 befestigt, wie in 5 dargestellt. Somit ergibt sich in der Summe aus den nunmehr drei Formschlüssen eine lösbare, formschlüssige Verbindung zwischen der Welle und dem Kupplungselement.
Ist die Welle, wie in 6 angedeutet aus zwei ineinander verschraubten Teilen zusammengesetzt, wird zur Sicherung dieser Gewindeverbindung erfindungsgemäss ein Verdrehsicherungselement eingesetzt. Nach 7 sitzt das Verdrehsicherungselement 38 auf dem Welleneinsatzstück 35, welches mit dem einen Ende in einer zentralen Öffnung der Welle 30 eingesetzt und über die Gewindeverbindung 36 festgeschraubt ist. Dabei wird beim Einsetzen des Welleneinsatzstücks 35 in die Welle das Welleneinsatzstück bis zum Anschlag am Grund der Vertiefung eingeschraubt und dadurch verspannt. Eine Überdrehung in Schraubrichtung wird dadurch auch im späteren Betrieb verhindert. Gesichert werden muss diese Gewindeverbindung somit lediglich in die andere Drehrichtung, dass es nicht zu einem ungewollten Lösen der Gewindeverbindung kommt, wenn ein entsprechendes Moment ruckartig oder dauerhaft anliegt. Das Verdrehsicherungselement 38 wird beim Montieren des Welleneinsatzstücks von dessen freien Ende her auf das Welleneinsatzstück aufgeschoben und zuletzt bis zum Anschlag an dem Vorsprung 351 mit einem Aussengewinde am Verdrehsicherungselement in ein Innengewinde am freien Ende der Welle eingeschraubt.
Das in 8 einzeln gezeigte Verdrehsicherungselement kann einen separaten, nach innen gerichteten Vorsprung 382 aufweisen, oder aber einfach ringförmig ausgebildet sein und mit der einen Stirnseite am Vorsprung am Welleneinsatzstück aufliegen. Für die Verdrehsicherung entscheidend ist, dass der Vorsprung am Welleneinsatzstück im Betrieb am Verdrehsicherungselement anliegt und dadurch eine Verschiebung des Welleneinsatzstücks in axialer Richtung ausgeschlossen ist. Die Gewindeverbindung zwischen Welleneinsatzstück und Welle ist somit in beide Drehrichtungen verspannt. Ein Lösen dieser Gewindeverbindung ist erst wieder möglich, wenn das Verdrehsicherungselement aus seiner Gewindeverbindung herausgeschraubt und in axialer Richtung über das Welleneinsatzstück zu dessen freiem Ende hin verschoben wird. Optional können die Gewinde der beiden Gewindeverbindungen unterschiedliche Gewindesteigungen aufweisen.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungsmotor
2: Verdichter des Abgasturboladers
20: Verdichterrad
30: Welle des Abgasturboladers
31: Mutter zur Befestigung des Verdichterrades (20) an der Welle (30)
32: Mittel zur Momentübertragung an der Welle (Innensechskant)
35: Welleneinsatzstück
351: Vorsprung am Welleneinsatzstück
36: Gewindeverbindung zwischen Welleneinsatzstück (35) und Welle (30)
37: Gewindeverbindung zwischen Verdrehsicherungselement (38) und Welle (30)
38: Verdrehsicherungselement
381: Aussengewinde am Verdrehsicherungselement (38)
382: Vorsprung am Verdrehsicherungselement (38)
4: Turbine des Abgasturboladers
50: Kupplungsvorrichtung zum Befestigen einer Hilfsmaschine an dem Rotor des Abgasturboladers
51: Langloch
52: Kupplungselement
53: Befestigungsschraube
54: Mittel zur Momentübertragung an der Kupplungsvorrichtung (Axialvorsprung)
55: Zwischenstück
56: Zwischenstück zur Momentübertragung
60: Hilfsmaschine (elektrische Maschine, hydraulische Pumpe, etc.)

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

WO 2013/18308 A1 [0003]
EP 1961936 A1 [0004, 0005]
DE 10100977 A1 [0007]

Claims

Kupplungsvorrichtung zum Befestigen einer Hilfsmaschine an dem Rotor eines Abgasturboladers, umfassend eine Mutter (31) zum Aufschrauben auf eine Welle (30, 35) eines Abgasturboladers, sowie ein Kupplungselement (52) zum Befestigen an der Mutter, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungsvorrichtung ein Mittel (54) zur Momentübertragung umfasst, welches zur Übertragung eines Moments von einer Welle eines Abgasturboladers auf die Kupplungsvorrichtung mit einem entsprechenden Mittel zur Momentübertragung an einer Welle eines Abgasturboladers zusammenwirken kann.
Kupplungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Mittel (54) zur Momentübertragung der Kupplungsvorrichtung eine Kontur aufweist, welche geeignet ist, mit einer entsprechenden Gegenkontur an einer Welle eines Abgasturboladers eine formschlüssige Verbindung einzugehen.
Kupplungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Mittel zur Momentübertragung der Kupplungsvorrichtung einen Vorsprung mit einer Kontur aufweist, welche geeignet ist, mit einer entsprechenden Gegenkontur in einer Versenkung an einer Welle eines Abgasturboladers eine formschlüssige Verbindung einzugehen.
Kupplungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Mittel zur Momentübertragung des Kupplungselements eine Axialversenkung mit einer Kontur aufweist, welche geeignet ist, mit einer entsprechenden Gegenkontur an einem Vorsprung an einer Welle eines Abgasturboladers eine formschlüssige Verbindung einzugehen.
Kupplungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Kupplungselement (52) über ein erstes Zwischenstück (55) an der Mutter (31) befestigt ist, wobei das erste Zwischenstück an der Mutter befestigt ist, und das Kupplungselement an dem ersten Zwischenstück befestigt ist.
Kupplungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Mittel (54) zur Momentübertragung der Kupplungsvorrichtung an einem zweiten Zwischenstück (56) angeordnet ist, welches an der Mutter, oder an dem ersten Zwischenstück oder an dem Kupplungselement befestigt ist.
Kupplungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiter umfassend ein Welleneinsatzstück (35), welches an einem ersten Ende ein Aussengewinde zum Einschrauben in ein Innengewinde in einer Ausnehmung an einer Welle eines Abgasturboladers aufweist und welches an dem zweiten Ende ein Aussengewinde zur Aufnahme der Mutter (31) aufweist, wobei die Kupplungsvorrichtung ein Verdrehsicherungselement (38) umfasst, welches ringförmig ausgebildet ist und von dem zweiten Ende des Welleneinsatzstücks bis zu einem Vorsprung (351) am Welleneinsatzstück über das Welleneinsatzstück geführt ist, wobei das Verdrehsicherungselement (38) ein Aussengewinde (381) aufweist, wobei das Verdrehsicherungselement mit dem Aussengewinde in ein entsprechendes Innengewinde einer Ausnehmung an einer Welle eines Abgasturboladers eingeschraubt werden kann.
Kupplungsvorrichtung nach Anspruch 7, umfassend weiter die Welle eines Abgasturboladers, wobei in die Welle des Abgasturboladers eine Ausnehmung mit zwei Innengewinden eingelassen ist, wobei ein erstes Innengewinde für eine Gewindeverbindung (36) mit einem Aussengewinde im Bereich des ersten Endes des Welleneinsatzstücks (35) vorgesehen ist, und ein zweites, gegenüber dem ersten Innengewinde radial nach aussen und axial zum Wellenende hin versetzten Innengewinde für eine Gewindeverbindung (37) mit dem Aussengewinde (381) auf dem Verdrehsicherungselement (38) vorgesehen ist, wobei das Verdrehsicherungselement bis zum Anschlag am Vorsprung (351) am Welleneinsatzstück in das zweite Innengewinde eingeschraubt ist.
Kupplungsvorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Gewindeverbindungen unterschiedliche Gewindesteigungen aufweisen.
Aufladevorrichtung, umfassend einen Abgasturbolader sowie eine Hilfsmaschine, welche mittels einer Kupplungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 mit dem Rotor des Abgasturboladers verbunden ist.