WO2013164147A1 - Verfahren zum verbinden einer welle mit einem rotationsbauteil und nach diesem verfahren hergestellte turboladerwelle - Google Patents

Verfahren zum verbinden einer welle mit einem rotationsbauteil und nach diesem verfahren hergestellte turboladerwelle Download PDF

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WO2013164147A1
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shaft
clamping sleeve
central recess
rotary member
fixing
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PCT/EP2013/056979
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Johannes Schmid
Bernd Reinsch
Ugur Kisa
Andreas Burghardt
Jochen Rager
Bernd Lutz
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Robert Bosch Gmbh
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    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21K—MAKING FORGED OR PRESSED METAL PRODUCTS, e.g. HORSE-SHOES, RIVETS, BOLTS OR WHEELS
    • B21K1/00—Making machine elements
    • B21K1/06—Making machine elements axles or shafts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
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    • F01D5/025—Fixing blade carrying members on shafts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D25/00—Pumping installations or systems
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    • F04D25/04—Units comprising pumps and their driving means the pump being fluid-driven
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    • F04D29/266—Rotors specially for elastic fluids mounting compressor rotors on shafts
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    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/40—Application in turbochargers
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49316—Impeller making
    • Y10T29/4932—Turbomachine making

Definitions

  • the present invention relates to a method for connecting a shaft to a rotary component, in particular a turbine and / or compressor, and a turbocharger shaft produced by this method.
  • Turbine or a compressor wheel known these methods are used for example in the manufacture of exhaust gas turbochargers for the automotive industry.
  • Form positive connection which defines the shaft in the radial direction relative to the impeller.
  • the shaft In the axial direction, the shaft is fixed by means of a shaft nut opposite the impeller, i. by means of a frictional connection.
  • the invention proposes in a first aspect according to claim 1, a method for producing a connection of at least one rotary member with a shaft, wherein the at least one rotary member a central recess and the shaft at least a first portion along the shaft and a second portion at a Front end of the shaft, the method comprising the following steps:
  • Rotational component is set; wherein the steps of fixing are each performed in a form-fitting manner.
  • the invention proposes a first aspect according to claim 12
  • Turbocharger shaft which is connected to at least one rotary member, wherein the connection between the shaft and the rotary member according to the method of the first aspect is carried out.
  • the advantage of the method or of the turbocharger shaft produced according to the method according to one embodiment results from the fact that the shaft only in each case by a positive connection in both the radial and in the axial direction relative to the rotary member, i. the turbine wheel and / or the compressor wheel is fixed. That is, the connection between the shaft and / or compressor wheel can be produced in a particularly simple manner, which also materials can be used, which otherwise due to their properties, such as mechanical workability and thermal expansion behavior, only with relatively large cost and time-intensive Work out effort.
  • the step of fixing the shaft at its first portion in the central recess of the at least one rotary component comprises an eccentric configuration arranged on the first portion, namely eccentrically in FIG
  • connection between shaft and wheel is also due to the positive engagement of the eccentric configuration also self-locking, but again solvable because of
  • turbocharger enhances the effect of the positive connection by itself.
  • connection between shaft and wheel is also self-centering.
  • step of fixing the shaft at its second portion by means of caulking a ball in a corresponding recess on the one end side of the shaft takes place, so that the shaft is positively fixed relative to the at least one rotational component in the axial direction.
  • the step of fixing the shaft at its first section in the central recess of the at least one rotary component preferably takes place by means of a knurling arranged on the first section, which has axially parallel grooves along the shaft, wherein the central recess of the at least one rotary component has a corresponding knurling with corresponding grooves has, so that the shaft relative to the central recess of the at least one rotary member is fixed in a form-fitting manner in the radial direction.
  • This type of connection is of relatively high connection strength.
  • a closure lid member is arranged on the front side, wherein the closure lid member comprises a machinable material, so that a balancing of the at least one rotary component can be carried out by a corresponding processing or cutting of the closure lid member, which has the advantage that the Rotary component for balancing does not need to be machined.
  • the shaft is fixed relative to the at least one rotary component both with the first portion of the shaft and with the second portion of the shaft together in the central recess, wherein the first portion of the shaft and the second portion of the shaft substantially in the region of the end face the shaft are arranged.
  • the rotary member does not have to be laboriously machined in such a way that the shaft extends completely through the rotary member.
  • the eccentric configuration preferably has at least two, preferably three wedge-shaped regions in the circumferential direction of the shaft.
  • the wedge-shaped regions preferably each have a pitch ratio, as seen in the circumferential direction of the shaft, between 1: 25 to 1: 200, which produces a relatively high and secure connection strength when rotating the shaft relative to the rotary component, and is also detachable.
  • the shaft is fixed at its first portion in the central recess of the at least one rotary member by means of a first and a second clamping sleeve, which are slotted in each case in the longitudinal direction, wherein the first clamping sleeve has an inner diameter which substantially the
  • the first clamping sleeve has on its outer side at least two wedge-shaped regions in the circumferential direction of the clamping sleeve, and the second clamping sleeve has an inner diameter corresponding to the
  • Recess of the rotary member are arranged so that the first clamping sleeve is positively fixed with the shaft and the second clamping sleeve is positively fixed with the central recess of the rotary member.
  • This type of connection has a relatively high and secure strength, and is also solvable again.
  • the at least one rotary component is a turbine wheel and / or compressor wheel of a turbocharger, wherein the turbine or compressor wheel may preferably be made of titanium aluminide, which has a particularly high strength at the same time relatively low weight.
  • Figure 1 shows a shaft and a turbine wheel according to a first embodiment of the
  • Figure 2 shows a shaft and a turbine wheel according to a second embodiment of the invention
  • 3 shows a shaft and a turbine wheel according to a third embodiment of the
  • FIG. 4 shows a shaft and a turbine wheel according to a fourth embodiment of the
  • Figures 5a and 5b show a shaft and a turbine wheel according to a fifth embodiment of the invention.
  • Embodiment of the invention show.
  • a shaft 10 is shown in a rather schematic and explosive manner, which - in an initially unconnected manner - through a central recess 20 of a rotary member 30 extends therethrough, which in the example shown a turbine wheel of a turbocharger not shown in its entirety
  • the shaft 10 has a first portion 50 and a second portion 60, wherein the second portion 60 forms an end of the shaft 10, while the second end of the shaft 10 is not shown, since the shaft 10 for clarity in the illustration in Figure 1 is interrupted. In the illustration shown in Figure 1, the shaft 10 would continue to extend (in the drawing in Figure 1 down), so that at its other end, for example, a compressor could be attached. In principle, however, it does not matter for the method described whether it is a turbine wheel or a compressor wheel.
  • the first portion 50 of the shaft 10 has an eccentric configuration 70, i.
  • the central recess 20 corresponds in terms of its inner diameter and shape with the eccentric projection 71, i.
  • the shaft 10 can be axially inserted into the recess 20 in the manner of a clearance fit, until the stop 72 rests against the recess 20, and fix by radial rotation of the shaft 10 relative to the recess 20 such that the shaft 10 in the radial direction is fixed relative to the turbine wheel 30.
  • the shaft 10 is pressed by pressing the ball 40 into a recess (not shown in FIG. 1) located on the second portion 60 of the shaft 10, i. on an end face 65 of the shaft 10, fixed or fixed.
  • a Verstemmwulst By pressing or caulking the ball 40 into the recess on the second region of the shaft 10, a Verstemmwulst, which allows the fixing of the shaft 10 in the axial direction relative to the turbine wheel 30.
  • FIG. 1 illustrates a second embodiment of the invention.
  • the first section 50 comprises a projection 71 formed with longitudinal grooves 73 instead of the eccentrically formed projection.
  • a collar-shaped stop 72 in FIG. 2 substantially corresponds to FIG.
  • a recess 20 corresponds in terms of its diameter and the formation with corresponding grooves 74 with the projection 71, wherein the grooves 74 complementary to the on
  • Projection 71 trained longitudinal grooves 73 are.
  • a fixation of the shaft 10 relative to the turbine wheel 30 is again by the first portion 50 is inserted into the recess 20 until the stop 72 abuts the recess 20, and that the grooves 73 engage in the grooves 74 a form-fitting manner.
  • the shaft 10 is fixed relative to the turbine wheel 30 in the radial direction.
  • the shaft 10 is then arranged in the axial direction by means of the ball 40 in a second section 60 (not here)
  • Figure 3 illustrates a third embodiment of the invention, wherein, in contrast to the embodiments shown in Figures 1 and 2, the first portion 50 and the second portion 60 of the shaft 10, based on the longitudinal axis 1 1 of the shaft 10, so to speak coincide. 3 already shows the result of the method, ie the connected state of shaft 10 with turbine wheel 30.
  • the particular difference in this embodiment compared to the previous embodiments is that the shaft 10 does not extend completely through the turbine wheel 30, but only to the depth of the central recess 20. A complete piercing of the turbine wheel 30 is therefore not necessary. Otherwise, the manner of fixing the shaft 10 relative to the turbine wheel 30 in both the radial and in the axial direction is analogous to those with reference to Figures 1 and 2 explained embodiments.
  • the type of axial fixing of the shaft 10 by its second portion 60 relative to the turbine wheel 30 is again effected by means of a ball 40, which is caulked in a, shown in Figure 3 in cross-section, recess 41.
  • FIG. 4 illustrates a fourth embodiment of the invention, this embodiment essentially corresponding to the embodiments explained with reference to FIGS. 1 and 2, with the difference that on the end face 65 of the shaft 10
  • Closure cover 80 is attached.
  • This closure lid member 80 is made of a relatively easy to machine material so as to easily balance the assembly of shaft 10 with turbine wheel 30 attached thereto, otherwise it might be relatively more difficult to achieve balancing by machining the turbine wheel 30. because of the relatively hard material of the turbine wheel 30, such as Titanium aluminide.
  • Figures 5a and 5b illustrate a fifth embodiment of the invention, this embodiment most closely corresponding to the embodiment explained with reference to Figure 1.
  • the slope ratio of these wedge-shaped regions 71a, 71b, 71c, ie the ratio of the region length L to the region height H, which in the example illustrated in FIG. 5b are plotted for the wedge-shaped region 71a, is preferably in the range from 1:25 to 1: 200, so that a relatively safe self-locking connection between shaft 10 and turbine wheel 30 results when the shaft 10 is rotated with its portion 50 in the central recess 20 relative to the turbine wheel 30 and the recess 20 is correspondingly complementary to the wedge-shaped portions 71 a, 71 b, 71 c formed (in Figure 5a, however, not shown) ,
  • Figures 6a and 6b illustrate a sixth embodiment of the invention, this embodiment being understood as a modification of the embodiment explained with reference to Figures 5a and 5b.
  • the first portion 50 of the shaft 10 comprises two nested clamping sleeves 91, 92, which are arranged together on the shaft 10.
  • the two clamping sleeves 91, 92 are shown as being located in the central recess 20 of the turbine wheel 30, wherein only a part of the turbine wheel 30 is shown.
  • FIG. 6b II again shows the two clamping sleeves 91, 92 taken individually, but from a different perspective. It can be seen in particular that the clamping sleeve 92 is disposed within the clamping sleeve 91, wherein the outer diameter of the
  • the inner diameter of the clamping sleeve 92 is slightly larger than the outer diameter of the shaft 10.
  • Figure 6b II shows that the clamping sleeves 91, 92 each have a collar-shaped stop 72a, 72b in the shape of a hexagon, which together form the stop 72.
  • the stops 72a, 72b serve to the clamping sleeves 91, 92 using for example an open-end wrench
  • FIG. 6b III shows a cross-sectional view of the two clamping sleeves 91, 92. It can be seen on the one hand that the clamping sleeves 91, 92 each have a slot 93 or 94, the function of which will be explained. On the other hand, it can be seen that the clamping sleeve 92 has along its outer circumference three wedge-shaped portions 92a, 92b, 92c, in analogy to the wedge-shaped portions 71 a, 71 b, 71 c in Figure 5b.
  • the clamping sleeve 91 along its inner circumference complementary to the wedge-shaped portions 92a, 92b, 92c of the clamping sleeve 92 formed wedge-shaped portions 91 a, 91 b, 91 c, in analogy to wedge-shaped areas within the central recess 20 in Figure 5a (Fig. but not shown there).
  • the outer diameter of the clamping sleeve 91 increases due to the interaction of the wedge-shaped areas and due to the presence of the slot 93, so that the outer circumference of the clamping sleeve 91 presses against the inner circumference of the recess 20, and thus a - fixed in the radial direction - positive, and detachable connection between shaft 10 and turbine wheel 30 is made.
  • the collar-shaped stopper 72a bears against the recess 20.
  • a fixation in the axial direction is as above with respect to the other

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindung wenigstens eines Rotationsbauteils (30) mit einer Welle (10) bereitgestellt, wobei das wenigstens eine Rotationsbauteil eine zentrale Ausnehmung (20) und die Welle einen ersten Abschnitt (50) entlang der Welle und einen zweiten Abschnitt (60) an einer Stirnseite (65) der Welle aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Fixieren der Welle an ihrem ersten Abschnitt in der zentralen Ausnehmung des wenigstens einen Rotationsbauteils mittels einer exzentrischen Ausgestaltung (71), so dass die Welle in radialer Richtung relativ zu dem wenigstens einen Rotationsbauteil festgelegt ist; und Fixieren der Welle an ihrem zweiten Abschnitt mittels Verstemmen einer Kugel (40), so dass die Welle in axialer Richtung relativ zu dem wenigstens einen Rotationsbauteil festgelegt ist; wobei die Schritte des Fixierens jeweils in formschlüssiger Weise ausgeführt werden.

Description

Beschreibung Titel
Verfahren zum Verbinden einer Welle mit einem Rotationsbauteil und nach diesem Verfahren hergestellte Turboladerwelle
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden einer Welle mit einem Rotationsbauteil, insbesondere einem Turbinen- und/oder Verdichterrad, und eine nach diesem Verfahren hergestellte Turboladerwelle.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind Verfahren zum Verbinden einer Welle mit einem
Turbinenrad bzw. einem Verdichterrad bekannt, wobei diese Verfahren beispielsweise bei der Herstellung von Abgasturboladern für den Automobilbereich Anwendung finden.
Hierbei ist insbesondere die abgasseitige Verbindung der Welle mit dem Turbinenrad von Interesse, da das Turbinenrad eines Abgasturboladers wesentlich höheren Temperaturen ausgesetzt ist als das von Frischluft umspülte Verdichterrad. Diese Verbindung ist deshalb von gesteigertem Interesse, da sich durch die in der Regel unterschiedlichen Materialien von Welle und Turbinenrad bzw. deren jeweiliger
Wärmeausdehnungskoeffizienten bei den relativ hohen Temperaturen, welchen diese Bauteile ausgesetzt sind, Probleme bei der Art der Verbindung ergeben können. Aus der DE 10 2010 010 136 A1 ist eine Turboladerwelle mit einem daran befestigten Laufrad bekannt, wobei Welle und Rad mittels einer Rändelung eine
Formschlussverbindung bilden, welche die Welle in radialer Richtung gegenüber dem Laufrad festlegt. In axialer Richtung ist die Welle mittels einer Wellenmutter gegenüber dem Laufrad festgelegt, d.h. mittels einer Kraftschlussverbindung.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schlägt unter einem ersten Aspekt gemäß Anspruch 1 ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindung wenigstens eines Rotationsbauteils mit einer Welle vor, wobei das wenigstens eine Rotationsbauteil eine zentrale Ausnehmung und die Welle wenigstens einen ersten Abschnitt entlang der Welle und einen zweiten Abschnitt an einer Stirnseite der Welle aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Fixieren der Welle an ihrem ersten Abschnitt in der zentralen Ausnehmung des wenigstens einen Rotationsbauteils, so dass die Welle in radialer Richtung relativ zu dem wenigstens einen Rotationsbauteil festgelegt ist; und Fixieren der Welle an ihrem zweiten Abschnitt, so dass die Welle in axialer Richtung relativ zu dem wenigstens einen
Rotationsbauteil festgelegt ist; wobei die Schritte des Fixierens jeweils in formschlüssiger Weise ausgeführt werden.
Unter einem zweiten Aspekt gemäß Anspruch 12 schlägt die Erfindung eine
Turboladerwelle vor, welche mit wenigstens einem Rotationsbauteil verbunden ist, wobei die Verbindung zwischen der Welle und dem Rotationsbauteil gemäß dem Verfahren nach dem ersten Aspekt ausgeführt ist.
Vorteile der Erfindung
Der Vorteil des Verfahrens bzw. der nach dem Verfahren hergestellten Turboladerwelle gemäß einer Ausführungsform ergibt sich daraus, dass die Welle lediglich jeweils durch eine Formschlussverbindung sowohl in radialer als auch in axialer Richtung gegenüber dem Rotationsbauteil, d.h. dem Turbinenrad und/oder dem Verdichterrad, festgelegt ist. Das heisst, die Verbindung zwischen Welle und/oder Verdichterrad ist auf besonders einfache Weise herstellbar, wobei auch Materialien verwendet werden können, welche sich sonst aufgrund ihrer Eigenschaften, wie zum Beispiel mechanische Bearbeitbarkeit und Wärmeausdehnungsverhalten, nur mit relativ großem kosten- und zeit-intensivem Aufwand bearbeiten lassen.
Vorteilhafterweise umfasst der Schritt des Fixierens der Welle an ihrem ersten Abschnitt in der zentralen Ausnehmung des wenigstens einen Rotationsbauteils eine am ersten Abschnitt angeordnete exzentrische Ausgestaltung, und zwar exzentrisch in
Umfangsrichtung der Welle, wobei die zentrale Ausnehmung des wenigstens einen Rotationsbauteils entsprechend der exzentrischen Ausgestaltung derart ausgebildet ist, so dass durch ein Verdrehen der Welle gegenüber der zentralen Ausnehmung die Welle in radialer Richtung formschlüssig festgelegt wird. Durch die exzentrische Ausgestaltung der Verbindung können die Fertigungstoleranzen relativ größer als herkömmlich sein, was geringere Kosten bedeutet. Ausserdem ist die Übertragungsleistung hinsichtlich des Drehmoments aufgrund der formschlüssigen Verbindung relativ hoch.
Die Verbindung zwischen Welle und Rad ist ebenso aufgrund der Formschlüssigkeit der exzentrischen Ausgestaltung zudem selbsthemmend, aber wieder lösbar, da der
Formschluß nur in einer Richtung wirkt.
Ausserdem verstärkt sich bei Betrieb des Turboladers die Wirkung der formschlüssigen Verbindung von selber.
Im Übrigen ist die Verbindung zwischen Welle und Rad auch selbstzentrierend.
Es wird weiterhin bevorzugt, dass der Schritt des Fixierens der Welle an ihrem zweiten Abschnitt mittels eines Verstemmens einer Kugel in einer entsprechenden Ausnehmung an der einen Stirnseite der Welle erfolgt, so dass die Welle gegenüber dem wenigstens einen Rotationsbauteil in axialer Richtung formschlüssig festgelegt ist. Eine derartige Verbindung ist relativ einfach herzustellen und kostengünstig, insbesondere in der Massenproduktion. Vorzugsweise erfolgt der Schritt des Fixierens der Welle an ihrem ersten Abschnitt in der zentralen Ausnehmung des wenigstens einen Rotationsbauteils mittels einer am ersten Abschnitt angeordneten Rändelung, welche achsparallele Riefen entlang der Welle aufweist, wobei die zentrale Ausnehmung des wenigstens einen Rotationsbauteils eine korrespondierende Rändelung mit entsprechenden Riefen aufweist, so dass die Welle gegenüber der zentralen Ausnehmung des wenigstens einen Rotationsbauteils in radialer Richtung formschlüssig festgelegt ist. Auch diese Art der Verbindung ist von relativ hoher Verbindungsfestigkeit.
Es wird ausserdem bevorzugt, dass nach dem Verstemmen der Kugel in der
Ausnehmung an der einen Stirnseite der Welle ein Verschlussdeckelelement an der Stirnseite angeordnet wird, wobei das Verschlussdeckelelement ein zerspanbares Material aufweist, so dass ein Auswuchten des wenigstens einen Rotationsbauteils durch ein entsprechendes Bearbeiten bzw. Zerspanen des Verschlussdeckelelements erfolgen kann, was den Vorteil hat, dass das Rotationsbauteil für ein Auswuchten nicht bearbeitet werden muss. Vorteilhafterweise erfolgt ein Fixieren der Welle gegenüber dem wenigstens einen Rotationsbauteil sowohl mit dem ersten Abschnitt der Welle als auch mit dem zweiten Abschnitt der Welle zusammen in der zentralen Ausnehmung, wobei der erste Abschnitt der Welle und der zweite Abschnitt der Welle im Wesentlichen im Bereich der Stirnseite der Welle angeordnet sind. Somit muss das Rotationsbauteil nicht aufwändig in der Weise bearbeitet werden, dass sich die Welle vollständig durch das Rotationsbauteil hindurch erstreckt.
Vorzugsweise weist die exzentrische Ausgestaltung in Umfangsrichtung der Welle wenigstens zwei, bevorzugt drei keilförmige Bereiche auf. Dabei weisen die keilförmigen Bereiche bevorzugt jeweils ein Steigungsverhältnis, in Umfangsrichtung der Welle gesehen, zwischen 1 :25 bis 1 :200 auf, was bei einem Verdrehen von Welle gegenüber Rotationsbauteil eine relativ hohe und sichere Verbindungsfestigkeit erzeugt, und dabei auch wieder lösbar ist.
Vorzugsweise erfolgt das Fixieren der Welle an ihrem ersten Abschnitt in der zentralen Ausnehmung des wenigstens einen Rotationsbauteils mittels einer ersten und einer zweiten Spannhülse, welche jeweils in ihrer Längsrichtung geschlitzt sind, wobei die erste Spannhülse einen Innendurchmesser aufweist, welcher im Wesentlichen dem
Aussendurchmesser der Welle entspricht, und die erste Spannhülse auf ihrer Aussenseite wenigstens zwei keilförmige Bereiche in Umfangsrichtung der Spannhülse aufweist, und die zweite Spannhülse einen Innendurchmesser korrespondierend zu dem
Aussendurchmesser der ersten Spannhülse aufweist, wobei zum Fixieren der Welle gegenüber dem Rotationsbauteil die erste Spannhülse auf der Welle angeordnet wird, und dann die zweite Spannhülse über die erste Spannhülse geschoben wird, und dann die erste Spannhülse gegenüber der zweiten Spannhülse, mittels geeigneter
Ausformungen jeweils an den Spannhülsen, einen Formschluss bildend verdreht wird, und zwar während die erste und zweite Spannhülse zusammen in der zentralen
Ausnehmung des Rotationsbauteils angeordnet sind, so dass die erste Spannhülse formschlüssig mit der Welle festgelegt wird und die zweite Spannhülse formschlüssig mit der zentralen Ausnehmung des Rotationsbauteils festgelegt wird. Auch diese Art der Verbindung weist eine relativ hohe und sichere Festigkeit auf, und ist auch wieder lösbar.
Weiterhin wird bevorzugt, dass das wenigstens eine Rotationsbauteil ein Turbinenrad und/oder Verdichterrad eines Turboladers ist, wobei das Turbinen- bzw. Verdichterrad vorzugsweise aus Titan-Aluminid hergestellt sein kann, welches eine besonders hohe Festigkeit bei gleichzeitig relativ niedrigem Gewicht aufweist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsformen in Verbindung mit den Figuren erläutert, wobei:
Figur 1 eine Welle und ein Turbinenrad gemäß einer ersten Ausführungsform der
Erfindung zeigt;
Figur 2 eine Welle und ein Turbinenrad gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt; Figur 3 eine Welle und ein Turbinenrad gemäß einer dritten Ausführungsform der
Erfindung zeigt;
Figur 4 eine Welle und ein Turbinenrad gemäß einer vierten Ausführungsform der
Erfindung zeigt;
Figuren 5a und 5b eine Welle und ein Turbinenrad gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung zeigen; und
Figuren 6a und 6b eine Welle und ein Turbinenrad gemäß einer sechsten
Ausführungsform der Erfindung zeigen.
Ausführungsformen der Erfindung
Anhand von Figur 1 soll nun eine erste Ausführungsform der Erfindung erläutert werden.
In Figur 1 ist in eher schematischer und explosionsartiger Weise eine Welle 10 dargestellt, welche sich - in zunächst unverbundener Weise - durch eine zentrale Ausnehmung 20 eines Rotationsbauteils 30 hindurch erstreckt, welches im dargestellten Beispiel ein Turbinenrad eines in seiner Gesamtheit nicht gezeigten Turboladers einer
Verbrennungskraftmaschine ist. Ausserdem ist in Figur 1 eine Kugel 40 dargestellt, deren Funktion weiter unten detailliert erläutert wird. Die Anordnung der in Figur 1 dargestellten Komponenten ist zum Zwecke der Erläuterung der Verfahrensschritte so gewählt, dass die Komponenten, wie bereits oben erwähnt, noch nicht miteinander verbunden sind.
Die Welle 10 weist einen ersten Abschnitt 50 und einen zweiten Abschnitt 60 auf, wobei der zweite Abschnitt 60 ein Ende der Welle 10 bildet, während das zweite Ende der Welle 10 nicht dargestellt ist, da die Welle 10 der besseren Übersichtlichkeit wegen in der Darstellung in Figur 1 unterbrochen ist. In der in Figur 1 gezeigten Darstellung würde sich die Welle 10 weiter erstrecken (in der Zeichnung in Figur 1 nach unten), so dass an ihrem anderen Ende beispielsweise ein Verdichterrad befestigt sein könnte. Grundsätzlich ist es aber für das beschriebene Verfahren nicht von Bedeutung, ob es sich um ein Turbinenrad oder ein Verdichterrad handelt. Der erste Abschnitt 50 der Welle 10 weist eine exzentrische Ausgestaltung 70 auf, d.h. einen Vorsprung 71 in der Form eines Exzenters mit Bezug auf die Längsachse 1 1 der Welle 10, sowie einen an den Vorsprung 71 angrenzenden kragenförmigen Anschlag 72, der einen größeren Durchmesser als der Vorsprung 71 aufweist. Die zentrale Ausnehmung 20 korrespondiert hinsichtlich ihres Innendurchmessers und ihrer Gestalt mit dem exzentrischen Vorsprung 71 , d.h. die Welle 10 läßt sich in der Art einer Spielpassung axial in die Ausnehmung 20 einführen, und zwar bis der Anschlag 72 an der Ausnehmung 20 anliegt, und durch radiales Verdrehen der Welle 10 gegenüber der Ausnehmung 20 derart fixieren, dass die Welle 10 in radialer Richtung relativ zu dem Turbinenrad 30 festgelegt ist.
In axialer Richtung relativ zum Turbinenrad 30 wird die Welle 10 durch Einpressen der Kugel 40 in eine (in der Figur 1 nicht dargestellte) Ausnehmung, welche sich am zweiten Abschnitt 60 der Welle 10 befindet, d.h. an einer Stirnseite 65 der Welle 10, fixiert bzw. festgelegt. Durch das Einpressen bzw. Verstemmen der Kugel 40 in die Ausnehmung am zweiten Bereich der Welle 10 entsteht ein Verstemmwulst, welcher die Festlegung der Welle 10 in axialer Richtung relativ zum Turbinenrad 30 ermöglicht.
Somit ist die Welle 10 relativ zum Turbinenrad 30 sowohl in radialer Richtung als auch in axialer Richtung lediglich jeweils in formschlüssiger Weise fixiert. Figur 2 illustriert eine zweite Ausführungsform der Erfindung.
Wiederum sind die Komponenten, d.h. die Welle 10, das Turbinenrad 30 und die Kugel 40, explosionsartig in einem unverbundenen Zustand dargestellt.
Diesmal umfasst der erste Abschnitt 50 jedoch, im Unterschied zur Figur 1 , statt des exzentrisch ausgebildeten Vorsprungs einen mit Längsriefen 73 ausgebildeten Vorsprung 71 auf. Ein kragenförmiger Anschlag 72 in Figur 2 entspricht im Wesentlichen dem
Anschlag 72 aus Figur 1.
Entsprechend dem mit Längsriefen 73 ausgebildeten Vorsprung 71 korrespondiert eine Ausnehmung 20 hinsichtlich ihres Durchmessers und der Ausbildung mit entsprechenden Riefen 74 mit dem Vorsprung 71 , wobei die Riefen 74 komplementär zu den am
Vorsprung 71 ausgebildeten Längsriefen 73 sind.
Ein Fixieren der Welle 10 gegenüber dem Turbinenrad 30 erfolgt wiederum, indem der erste Bereich 50 in die Ausnehmung 20 soweit eingeführt wird, bis der Anschlag 72 an der Ausnehmung 20 anliegt, und dass die Riefen 73 in die Riefen 74 formschlüssig eingreifen. Somit ist die Welle 10 gegenüber dem Turbinenrad 30 in radialer Richtung festgelegt.
Analog zu dem oben zu Figur 1 Gesagten wird dann die Welle 10 in axialer Richtung mittels der Kugel 40 in einer im zweiten Abschnitt 60 angeordneten (hier nicht
dargestellten) Ausnehmung verstemmt. Figur 3 illustriert eine dritte Ausführungsform der Erfindung, wobei, im Gegensatz zu den in Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen, der erste Abschnitt 50 und der zweite Abschnitt 60 der Welle 10, bezogen auf die Längsachse 1 1 der Welle 10, sozusagen zusammenfallen. Hierbei zeigt Figur 3 bereits das Ergebnis des Verfahrens, d.h. den verbundenen Zustand von Welle 10 mit Turbinenrad 30. Der besondere Unterschied bei dieser Ausführungsform im Vergleich zu den vorigen Ausführungsformen ist der, dass sich die Welle 10 nicht vollständig durch das Turbinenrad 30 hindurch erstreckt, sondern nur bis zur Tiefe der zentralen Ausnehmung 20. Ein vollständiges Durchbohren des Turbinenrads 30 ist also nicht notwendig. Ansonsten ist die Art der Fixierung der Welle 10 gegenüber dem Turbinenrad 30 sowohl in radialer Hinsicht als auch in axialer Hinsicht analog zu den mit Bezug auf Figuren 1 und 2 erläuterten Ausführungsformen. Die Art der radialen Fixierung der Welle 10 durch ihren ersten Abschnitt 50 in der Ausnehmung 20 des Turbinenrads 30 kann beispielsweise über einen Exzenter oder über eine Rändelung, d.h. mit Riefen. Die Art der axialen Fixierung der Welle 10 durch ihren zweiten Abschnitt 60 gegenüber dem Turbinenrad 30 erfolgt wiederum mittels einer Kugel 40, welche in einer, in Figur 3 im Querschnitt dargestellten, Ausnehmung 41 verstemmt ist.
Figur 4 illustriert eine vierte Ausführungsform der Erfindung, wobei diese Ausführungsform im Wesentlichen den mit Bezug auf Figuren 1 und 2 erläuterten Ausführungsformen entspricht, mit dem Unterschied, dass an der Stirnseite 65 der Welle 10 ein
Verschlussdeckelelement 80 angebracht ist.
Dieses Verschlussdeckelelement 80 ist aus einem relativ leicht zu zerspanendem Material hergestellt, um so die Anordnung von Welle 10 mit daran befestigtem Turbinenrad 30 in einfacher Weise auswuchten zu können, da es ansonsten relativ schwieriger sein könnte, ein Auswuchten durch Bearbeiten des Turbinenrads 30 zu erzielen, und zwar aufgrund des relativ harten Materials des Turbinenrads 30, wie z.B. Titanaluminid.
Ansonsten erfolgt die Befestigung der Welle 10 an dem Turbinenrad 30 wie oben bereits erläutert.
Figuren 5a und 5b illustrieren eine fünfte Ausführungsform der Erfindung, wobei diese Ausführungsform am ehesten der mit Bezug auf Figur 1 erläuterten Ausführungsform entspricht.
Mit Bezug auf Figur 5b, welche eine Querschnittsansicht des ersten Abschnitts 50 der Welle 10 in Figur 5a zeigt, soll der wesentliche Unterschied zu der mit Bezug auf Figur 1 erläuterten Ausführungsform erklärt werden. Wie sich anhand von Figur 5b erkennen läßt, weist der exzentrische Vorsprung 71 drei keilförmige Bereiche 71 a, 71 b, 71 c auf, welche im Wesentlichen die Funktion des
Exzenters der Ausführungsform mit Bezug auf Figur 1 ersetzen. Das Steigungsverhältnis dieser keilförmigen Bereiche 71 a, 71 b, 71 c, d.h. das Verhältnis von Bereichslänge L zu Bereichshöhe H, welche im dargestellten Beispiel in Figur 5b für den keilförmigen Bereich 71 a eingezeichnet sind, liegt vorzugsweise in einem Bereich von 1 :25 bis 1 :200, so dass sich eine relativ sichere selbsthemmende Verbindung zwischen Welle 10 und Turbinenrad 30 ergibt, wenn die Welle 10 mit ihrem Abschnitt 50 in der zentralen Ausnehmung 20 gegenüber dem Turbinenrad 30 verdreht wird und die Ausnehmung 20 entsprechend komplementär zu den keilförmigen Bereichen 71 a, 71 b, 71 c ausgebildet ist (in Figur 5a jedoch nicht dargestellt).
Es ist jedoch auch denkbar, dass nur zwei keilförmige Bereiche oder auch mehr als drei keilförmige Bereiche, wie in Figur 5b dargestellt, vorhanden sind.
Figuren 6a und 6b illustrieren eine sechste Ausführungsform der Erfindung, wobei diese Ausführungsform als eine Abwandlung der mit Bezug auf Figuren 5a und 5b erläuterten Ausführungsform verstanden werden kann.
Mit Bezug auf Figur 6b, welche sich aus drei Detailansichten I, II, III des ersten Abschnitts 50 der Welle 10 in Figur 6a zusammensetzt, soll der wesentliche Unterschied zu der mit Bezug auf Figuren 5a und 5b erläuterten Ausführungsform erklärt werden.
Wie in Figur 6b I dargestellt umfasst der erste Abschnitt 50 der Welle 10 zwei ineinander gesteckte Spannhülsen 91 , 92, welche zusammen auf der Welle 10 angeordnet sind. In dem in Figur 6b I dargestellten Beispiel sind die beiden Spannhülsen 91 , 92 als in der zentralen Ausnehmung 20 des Turbinenrads 30 befindlich gezeigt, wobei nur ein Teil des Turbinenrads 30 dargestellt ist.
Figur 6b II zeigt nochmals die beiden Spannhülsen 91 , 92 für sich genommen, aber aus einer anderen Perspektive. Hierbei ist insbesondere zu erkennen, dass die Spannhülse 92 innerhalb der Spannhülse 91 angeordnet ist, wobei der Aussendurchmesser der
Spannhülse 92 in der Art einer Spielpassung etwas kleiner ist als der Innendurchmesser der Spannhülse 91. Der Innendurchmesser der Spannhülse 92 ist etwas größer als der Aussendurchmesser der Welle 10. Ausserdem zeigt Figur 6b II, dass die Spannhülsen 91 , 92 jeweils einen kragenförmigen Anschlag 72a, 72b in der Form eines Sechsecks aufweisen, welche zusammen den Anschlag 72 bilden. Die Anschläge 72a, 72b dienen dazu, die Spannhülsen 91 , 92 mithilfe beispielsweise eines Maulschlüssels
gegeneinander zu verdrehen.
Figur 6b III schließlich zeigt eine Querschnittsansicht der beiden Spannhülsen 91 , 92. Hierbei ist zum einen zu erkennen, dass die Spannhülsen 91 , 92 jeweils einen Schlitz 93 bzw. 94 aufweisen, deren Funktion noch erläutert wird. Zum anderen ist zu erkennen, dass die Spannhülse 92 entlang ihres Aussenumfangs drei keilförmige Bereiche 92a, 92b, 92c aufweist, und zwar in Analogie zu den keilförmigen Bereichen 71 a, 71 b, 71 c in Figur 5b. Entsprechend weist die Spannhülse 91 entlang ihres Innenumfangs komplementär zu den keilförmigen Bereichen 92a, 92b, 92c der Spannhülse 92 ausgebildete keilförmige Bereiche 91 a, 91 b, 91 c auf, und zwar in Analogie zu keilförmigen Bereichen innerhalb der zentralen Ausnehmung 20 in Figur 5a (dort jedoch nicht dargestellt).
Werden nun die Spannhülsen 91 , 92 gegeneinander verdreht, in der Figur 6b III dargestellt durch Pfeile P1 , P2, und zwar während die Spannhülsen 91 , 92 auf der Welle 10 und in der zentralen Ausnehmung 20 des Turbinenrads 30 angeordnet sind, dann ergibt die Wechselwirkung der keilförmigen Bereiche 91 a, 91 b, 91 c mit den keilförmigen Bereichen 92a, 92b, 92c Folgendes: Der Innendurchmesser der Spannhülse 92 verringert sich, da die keilförmigen Bereiche 91 a, 91 b, 91 c bei Verdrehung auf die Spannhülse 92 drücken und der Schlitz 94 ein Verringern des Innendurchmessers der Spannhülse 92 zuläßt. Gleichzeitig vergößert sich der Aussendurchmesser der Spannhülse 91 aufgrund der Wechselwirkung der keilförmigen Bereiche und aufgrund des Vorhandenseins des Schlitzes 93, so dass sich der Aussenumfang der Spannhülse 91 an den Innenumfang der Ausnehmung 20 anpresst, und somit eine - in radialer Richtung festgelegte - formschlüssige, und wieder lösbare, Verbindung zwischen Welle 10 und Turbinenrad 30 hergestellt wird. Der kragenförmige Anschlag 72a liegt dabei an der Ausnehmung 20 an.
Eine Fixierung in axialer Richtung erfolgt wie oben mit Bezug auf die anderen
Ausführungsformen bereits erläutert.

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zur Herstellung einer Verbindung wenigstens eines Rotationsbauteils (30) mit einer Welle (10), wobei das wenigstens eine Rotationsbauteil (30) eine zentrale Ausnehmung (20) und die Welle (10) wenigstens einen ersten Abschnitt (50) entlang der Welle (10) und einen zweiten Abschnitt (60) an einer Stirnseite (65) der Welle (10) aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Fixieren der Welle (10) an ihrem ersten Abschnitt (50) in der zentralen
Ausnehmung (20) des wenigstens einen Rotationsbauteils (30), so dass die Welle (10) in radialer Richtung relativ zu dem wenigstens einen
Rotationsbauteil (30) festgelegt wird; und
Fixieren der Welle (10) an ihrem zweiten Abschnitt (60), so dass die Welle (10) in axialer Richtung relativ zu dem wenigstens einen Rotationsbauteil (30) festgelegt wird; wobei die Schritte des Fixierens jeweils in formschlüssiger Weise ausgeführt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der Schritt des Fixierens der Welle (10) an ihrem ersten Abschnitt (50) in der zentralen Ausnehmung (20) des wenigstens einen Rotationsbauteils (30) mittels einer am ersten Abschnitt (50) angeordneten exzentrischen Ausgestaltung (71 ) exzentrisch in Umfangsrichtung der Welle (10) erfolgt, wobei die zentrale Ausnehmung (20) des wenigstens einen
Rotationsbauteils (30) entsprechend der exzentrischen Ausgestaltung (71 ) gebildet ist, so dass durch ein Verdrehen der Welle (10) gegenüber der zentralen
Ausnehmung (20) die Welle (10) in radialer Richtung formschlüssig festgelegt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Schritt des Fixierens der Welle (10) an ihrem zweiten Abschnitt (60) mittels eines Verstemmens einer Kugel (40) in einer entsprechenden Ausnehmung an der einen Stirnseite (65) der Welle (10) erfolgt, so dass die Welle (10) gegenüber dem wenigstens einen Rotationsbauteil (30) in axialer Richtung formschlüssig festgelegt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, wobei der Schritt des Fixierens der Welle (10) an ihrem ersten Abschnitt (50) in der zentralen Ausnehmung (20) des wenigstens einen Rotationsbauteils (30) mittels einer am ersten Abschnitt (50) angeordneten Rändelung (71 ) erfolgt, welche achsparallele Riefen (73) entlang der Welle (10) aufweist, wobei die zentrale Ausnehmung (20) des wenigstens einen
Rotationsbauteils (30) eine korrespondierende Rändelung mit Riefen (74) aufweist, so dass die Welle (10) gegenüber der zentralen Ausnehmung (20) des wenigstens einen Rotationsbauteils (30) in radialer Richtung formschlüssig festgelegt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei nach dem Verstemmen der Kugel (40) in der Ausnehmung an der einen Stirnseite (65) der Welle (10) ein
Verschlussdeckelelement (80) an der Stirnseite (65) angeordnet wird, wobei das Verschlussdeckelelement (80) ein zerspanbares Material aufweist, so dass ein Auswuchten des wenigstens einen Rotationsbauteils (30) durch ein entsprechendes Bearbeiten, vorzugsweise Zerspanen des Verschlussdeckelelements (80) erfolgen kann.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Fixieren der Welle (10) gegenüber dem wenigstens einen Rotationsbauteil (30) mit dem ersten Abschnitt (50) der Welle (10) und mit dem zweiten Abschnitt (60) der Welle (10) zusammen in der zentralen Ausnehmung (20) erfolgt, wobei der erste Abschnitt (50) der Welle (10) und der zweite Abschnitt (60) der Welle (10) im Wesentlichen im Bereich der Stirnseite (65) der Welle (10) angeordnet sind.
7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die exzentrische Ausgestaltung (71 ) in Umfangsrichtung der Welle (10) drei keilförmige Bereiche (71 a, 71 b, 71 c) aufweist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die keilförmigen Bereiche (71 a, 71 b, 71 c) jeweils ein Steigungsverhältnis, in Umfangsrichtung der Welle, zwischen 1 :25 bis 1 :200 aufweisen.
9. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Fixieren der Welle (10) an ihrem ersten Abschnitt (50) in der zentralen Ausnehmung (20) des wenigstens einen
Rotationsbauteils (30) mittels einer ersten Spannhülse (92) und einer zweiten Spannhülse (91 ) erfolgt, welche jeweils in ihrer Längsrichtung Schlitze (93, 94) aufweisen, wobei die erste Spannhülse (92) einen Innendurchmesser aufweist, welcher im Wesentlichen dem Aussendurchmesser der Welle (10) entspricht, und wobei die erste Spannhülse (92) auf ihrer Aussenseite drei in ihrer Umfangsrichtung sich erstreckende keilförmige Bereiche (92a, 92b, 92c) aufweist, und die zweite Spannhülse (91 ) einen Innendurchmesser korrespondierend zu dem
Aussendurchmesser der ersten Spannhülse (92) aufweist, wobei zum Fixieren der Welle (10) gegenüber dem Rotationsbauteil (30) die erste Spannhülse (92) auf der Welle (10) angeordnet wird, die zweite Spannhülse (91 ) über die erste Spannhülse (92) geschoben wird, und die erste Spannhülse (92) gegenüber der zweiten Spannhülse (91 ), mittels geeigneter Ausformungen (72a, 72b) jeweils an den Spannhülsen (92, 91 ), einen Formschluss bildend verdreht wird, wobei die erste und zweite Spannhülse (92, 91 ) zusammen in der zentralen Ausnehmung (20) des Rotationsbauteils (30) angeordnet sind, so dass die erste Spannhülse (92) formschlüssig mit der Welle (10) festgelegt wird und die zweite Spannhülse (91 ) formschlüssig mit der zentralen Ausnehmung (20) des Rotationsbauteils (30) festgelegt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das wenigstens eine
Rotationsbauteil (30) ein Turbinenrad und/oder Verdichterrad eines Turboladers ist.
1 1 . Verfahren nach Anspruch 10, wobei das wenigstens eine Rotationsbauteil (30) aus Titan-Aluminid hergestellt ist.
12. Turboladerwelle, welche mit wenigstens einem Rotationsbauteil (30) verbunden ist, wobei die Verbindung zwischen der Welle (10) und dem Rotationsbauteil (30) gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 ausgeführt ist.
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