DE3532348A1

DE3532348A1 - Laufzeug fuer einen abgasturbolader

Info

Publication number: DE3532348A1
Application number: DE19853532348
Authority: DE
Inventors: Dietrich Dipl.-Ing. 3180 Wolfsburg Distler; Manfred Dipl.-Ing. 3170 Gifhorn Langer
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1984-09-19
Filing date: 1985-09-11
Publication date: 1986-03-27

Description

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Laufzeug für einen Abgasturbolader

Die Erfindung bezieht sich auf ein Laufzeug für einen Abgasturbo-■' ,₍ lader für Fahrzeuge gemäß dem Oberbegriff des Patentansp? uchs 1.

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•'. ' Es ist bereits bekannt, die Turbinenräder von Abgasturboladern aus keramischen Werkstoffen, wie zum Beispiel aus Siliziumnitrid oder Siliziumcarbid, herzustellen, um so durch höhere zulässige Betriebstemperaturen den Gesamtwirkungsgrad anheben und durch Reduzierung des Massenträgheitsmoments des Laders dessen Ansprechverhalten verbessern zu können. Demgegenüber besteht das Verdichterrad im allgemeinen noch aus metallischen Werkstoffen, obwohl auch schon vorgeschlagen wurde, das gesamte Laufzeug aus keramischen Materialien herzustellen.

Problematisch bei einem derartigen aus einem metallischen Verdichter-' ,' ;;,;;,;■. rad und einem keramischen Turbinenrad bestehenden Lauf zeug ist nun ... im allgemeinen die Verbindung dieser aus unterschiedlichen Materialien '· bestehenden Bauteile, die üblicherweise im Bereich der Welle erfolgt. Häufig besteht dabei die Welle aus einem metallischen Teil, auf dem das Verdichterrad in herkömmlicher Weise befestigt ist, und einem keramischen Wellenstumpf, der an dem Turbinenrad angeformt ist. Diese beiden Wellenteile werden dann in mehr oder weniger aufwendiger Weise miteinander verbunden.

Nun hat sich jedoch gezeigt, daß gerade diese Verbindungsstelle zwischen dem keramischen und dem metallischen Wellenteil

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Schwierigkeiten "bei der Abstimmung der Eigenfrequenzen der verursacht, die nach Möglichkeit außerhalb des Betriebsbeaie-.ichs ■ des Laders liegen sollter ../uch ist es außerordentlich schwierig, mit solchen Verbindungsverfahren exakt reproduzierbare "«.uäl4t.äten . zu erhalten. Schließlich ist es auch Nachteilig, deß "br'i. ,riiesen bekannten Lauf zeugen die gesamte Welle, das heißt a^jB^owoÜl das metallische als auch das keramische Wellenteil, naotfyi-iirer'* S fügung nochmals nachbearbeitet werden muß, um die e trizität der Wellenteile zueinander sicherzustellen. Diese liehe Bearbeitung muß zudem mit unterschiedlichen Werkzeugen, nämlich einem für die Keramikbearbeitung und einem für die metallische Bearbeitung, durchgeführt werden.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher., dar in, ein Laufzeug für einen Abgasturbolader der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, das eine möglichst einfache, mit geringem Aufwand herstellbare Verbindung der aus unterschiedlichen Materialien bestehenden Bauteile ermöglicht.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1. Erfindungsgemäß wird also neben dem keramischen Turbinenrad auch eine in ihrer Gesamtheit aus keramischem Material bestehende Welle verwendet, an deren Ende das Yerdichterrad reibschlüssig und gegebenenfalls zusätzlich auch formschlüssig befestigt ist. Dabei werden die Welle und das Turbinenrad entweder einstückig aus einem Keramikmaterial gefertigt oder aber die Welle, und das Turbinenrad werden getrennt voneinander hergestellt und anschließend durch ein Keramikverbindungsverfahren verbunden.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich gemäß den übrigen Unteransprüche.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung in schematischen Darstellungen gezeigt und werden im folgenden näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Figur 1 einen Längsschnitt durch die Verbindungsstelle zwischen einer keramischen Welle und einem metallischen Verdichterrad eines Abgasturbolader^_g^mä^_deje_Ex£iiidung,

Figur 2 in vergrößertem Maßstab einen Längsschnitt durch

die Verbindungsstelle mit einer Anordnung zur Herstellung einer formschlüssigen Verbindung,

Figur 3 einen Querschnitt gemäß den Schnittlinien III-III nach Figur 2,

Figur 4 einen Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verdichterradbefestigang,

Figur 5 einen Querschnitt gemäß den Schnittlinien V-V nach Figur 4 und

Figur β einen Längsschnitt durch eine dritte Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Verdichterradbefestigung.

In der Zeichnung sind jeweils mit gleichen, gegebenenfalls mit einem oder zwei Strichen versehenen Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Bauteile bezeichnet worden. Dabei stellt 1 insgesamt eine aus keramischen Werkstoffen bestehende Welle eines Abgasturboladers für Fahrzeuge dar. Diese keramische Welle 1 ist auf hier nicht weiter gezeigte, aber im Prinzip an sich bekannte Weise gelagert und an ihrem in der Zeichnung nicht gezeigten Ende mit einem keramischen Turbinenrad verbunden. Diese Verbindung zwischen der keramischen Welle und dem keramischen Turbinenrad ist dabei entweder dadurch gegeben, daß die beiden Bauteile aus einem Stück bestehen oder aber daß die beiden getrennt hergestellten, vorzugsweise aus dem gleichen Keramikmaterial bestehenden Bauteile durch ein Verfahren der Keramikfügetechnik verbunden sind.

An dem dem Turbinenrad abgewandten Ende der Welle 1 ist nun ein Verdichterrad 2 befestigt, das aus einem metallischen Material, beispielsweise aus Leichtmetall wie Aluminium oder dgl., besteht. Die Verbindungsstelle zwischen dem Keramikmaterial und dem Metallwerkstoff befindet sich also in der weniger kritischen kalten Zone des Turboladers, wo durch relativ niedrige Temperaturen keine allzu hohen Anforderungen an die zur Verbindung verwendeten Materialien gestellt werden und wo die unterschiedlichen Wärmedehnungen der Materialien nur entsprechend geringere Dehnungsdifferenzen verursachen.

Die Verbindung zwischen der keramischen Welle 1 und dem metallischen Verdichterrad 2 erfolgt bei der in der Figur 1 gezeigten Ausführung in der Art einer Stopfbuchspackung, indem eine in eine Bohrung 5"b cLer Nabe 4 des Verdichterrades 2 eingebrachte Packung 3 durch Einschrauben einer mit einer Schraubhülse 8 versehenen Einlaufnabe 7 in ein Gewinde 5o <3-^e^ Nabe 4 axial zusammengedrückt wird, wodurch die vorzugsweise aus einem inkompressiblen Material bestehende Packung 3 radial und großflächig gegen die Innenkontur der Bohrung 5b des Verdichterrades 2 sowie die Außenkontur der keramischen Welle 1 gedruckt wird. Bei ausreichend hoher Vorspannung der Packung 3 wird dann durch Reibschluß zwischen der Packung und der keramischen Welle sowie zwischen der Packung und dem Verdichterrad eine Verbindung hergestellt, die zur Übertragung der bei solchen Abgasturboladern auftretende Drehmomente geeignet 1st. Gleichzeitig wird durch diese sozusagen mittelbare ReibSchlußverbindung auch eine axiale Festlegung des Verdichterrades 2 auf der Welle 1 erreicht.

Um den Reibschluß insbesondere zwischen der Packung 3 und der keramischen Welle 1 zu vergrößern, könnte vorgesehen sein, die keramische Welle 1 zumindest im Bereich der Packung 3 mit einer großen Qberflächenrauhigkeit zu versehen. Weiter wäre es möglich, an der keramischen Welle im Bereich der Packung 3 einen Wellenabsatz 1b mit verringertem Durchmesser vorzusehen, in den das Material der Packung 3 bei dem Zusammenpressen hineingedrückt wird, wodurch eine zusätzliche axiale Fixierung erreicht würde. Auch könnte der Querschnitt dieses Wellenabsatzes 1b eine von der Kreisform abweichende Gestaltung erhalten, um so auch in TJmfangsrichtung einen zusätzlichen Formschluß zwischen dem Packungsmaterial und der Welle zu erzielen.

Wie in der Figur 1 der Zeichnung angedeutet ist, kann die dem Turbinenrad zugewandte Stirnseite des Verdichterrades 2 an einer Schulter der keramischen Welle 1 anliegen. Ein Bohrungsabsatz 5a der Nabe 4 des Verdichterrades 2 umschließt eng einen Bereich 1a der keramischen Welle 1 der in der Zeichnung rechts neben dem mittleren, der Packung 3 zugeordneten Wellenabsatz 1b angeordnet ist. Zusammen mit diesem Zentriersitz dient ein zwischen der Schraubhülse 8 und der Packung 3

eingefügter Zwischenring β, der mit seinem Außendurchmesser in die Bohrung 5b der Nabe 4 und mit seinem Innendurchmesser auf dem in der Zeichnung links von dem Wellenabsatz 1b vorgesehenen Wellenbereich 1a eingepaßt ist, zur Zentrierung des Yerdichterrades 2 auf der keramischen Welle. Der Zwischenring 6 dient zugleich dazu, die Drehbewegung der Einschraubhülse 8 von der Packung 3 fernzuhalten. Gegebenenfalls könnte auch die Einschraubhülse unmittelbar als Zentrierteil ausgebildet sein. Als Losdrehsicherung für die Einschraubhülse dient ein Yitonring 9· Zusätzlich sollte die Gewindesteigung entgegen dem DreV sinn des Laufzeuges gewählt werden.

Durch die erfindungsgemäße Packung wird eine Verbindung zwischen dem metallischen Verdichterrad 2 und der keramischen W_elle 1 des Turboladers erreicht, die relativ einfach auszuführen und zudem lösbar ist. Diese Art der Verbindung gewährleistet eine Kraftübertragung auf relativ großen Flächen, wobei auch etwa im Betrieb auftretende Wärmedehnungsdifferenzen durch Vorsehung entsprechender Vorspannungen aufgenommen werden können. Die Verbindungsstelle befindet sich zudem im relativ kalten Bereich des Turboladerlaufzeugs, in dem maximale Temperaturaivon etwa 120 - 140°C zu erwarten sind, wodurch eine relativ breite Palette von Materialien für die Packung, ausgehend von Gummi über Kunststoff bis zu Weichmetallen, in Betracht kommt. Die Packung kann zudem aus mehreren Einzelringen, wie zum Beispiel aus O-Blngen, oder auch aus einer einzigen Einheit ausgeführt sein.

Alternativ oder auch zusätzlich zu der in der Figur 1 gezeigten Axialsicherung des Verdichterrades 2 auf der Welle 1 durch Vorsehung eines Wellenabsatzes 1b mit verringertem Querschnitt kann auch eine formschlüssige Verbindung nach Art eines Bajonettverschlusses vorgesehen werden, wie dies in den Figuren 2 und 3 angedeutet ist. Hierbei wird in wenigstens eine auf der Welle angebrachte kalottenartige Vertiefung 11, die vorzugsweise in TTmfangs richtung oval ausgeführt ist, eine Sperrkugel 12 eingelegt. Das Verdichterrad 2 besitzt an seiner dem Turbinenrad zugewandten Stirnseite 13 eine Montagenut 14 in der Breite der Sperrkugel 12. Die Packung 3 besitzt ebenfalls eine Ausnehmung 16, die bei der Montage des Verdichterrades 2 mit der Montagenut 14 der Nabe 4 korrespondiert, so daß die in der Wellenvertiefung liegende Sperrkugel 12 bis in den Bereich der die Packung 3 aufnehmen-

den Bohrung 5b eingeführt werden kann. Anschließend wird das Verdichterrad 2 gegenüber der Welle 1 um einen vorgegebenen Winkel von beispielsweise 90 verdreht, wobei die Sperrkugel 12 die Packung 3 mitnimmt. In dieser Lage wird dann die Packung 3 durch axiale Druckbeaufschlagung zusammengepreßt, wodurch die Lage des Verdichterrades 2 bezüglich der keramischen Welle 1 festgelegt wird. Durch die einerseits in der Wellenvertiefung 11 und andererseits in der Ausnehmung der Packung 3 liegende Sperrkugel 12 wird dabei eine Fixierung in axialer Richtung erreicht. Die Ovalität in Umfangerichtung der Wellenvertiefung 11, die sich beispielsweise durch eine zylinderabschnittartige Einkerbung quer zur Achse der Welle 1 ausbilden läßt, soll mögliche, die Keramikwelle schädigende Umfangskräfte von Seiten der Sperrkugel 12 vermeiden. Dem gleichen Zweck kann auch eine an dieser Stelle vorgesehene Ringnut auf der Welle 1 dienen.

Bei dem in den Figuren 4 und 5 gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Nabe 4' des Verdichterrades 2' eine Durchgangsbohrung auf, die aus zwei endseitigen Bohrungsabsätzen 5a¹ sowie einem mittleren, im Durchmesser größeren Bohrungsabsatz 5^' besteht. Während die beiden endseitigen Bohrungsabsätze 5a' mit einer Zentriersitzpassung die Wellenbereiche 1a¹ der keramischen Welle 1' umgreifen, ist zwischen dem mittleren Bohrungsabsatz 5^>' und einem in diesem Bereich vorgesehene Wellenabsatz 1b' der keramischen Welle 1' ein Hohlraum 20 vorgesehen, in den über einen Einfüllkanal 21 ein elastisches oder plastisches Material (z.B. Kunststoff), in flüssigem oder teigigem Zustand eingefüllt oder unter Druck eingespritzt wird. Das eingebrachte Material sollte bei seiner Aushärtung vorzugsweise aufquellen, um den Hohlraum voll auszufüllen und eine gewünschte radiale Vorspannung an dem Innenumfang der Bohrung 5ΐ>' der Verdichterradnabe 4¹ bzw. an dem Außenumfang des Wellenabsatzes 1b' zu bewirken.

Die Übertragung des Drehmomentes von der keramischen Welle 1' auf das Verdichterrad 2' soll dabei wieder durch die aufgrund dieser radialen Vorspannung sich ergebenden Reibkräfte und gegebenenfalls zusätzlich durch Pormschluß erzielt werden. Dazu kann die keramische Welle 1 im Bereich des Wellenabsatzes 1b' einen von der Kreisform abweichenden Querschnitt aufweisen, indem, wie beispielsweise in

der Figur 5 gezeigt ist, an ihrem Umfang eine Abflachung 22 vorgesehen ist. Es wäre jedoch auch möglich, hier beispielsweise einen Polygon- oder einen anderen von der Kreisform abweichenden Querschnitt vorzusehen. Die axiale Zentrierung des Verdichterrades 2 erfolgt durch die im Endbereich des Wellenabsatzes 1b' infolge der Querschnittsverringerung vorhandenen Schultern über das in dem Ringraum 20 vorgesehene Material, um den Eeibschluß zu erhöhen, könnte das in den Ringraum 20 eingefüllte Material auch Klebereigenschaften aufweisen.

Die in der Figur 4 gezeigte Art der Verbindung wäre nur dann lösbar, wenn ein geeignetes Lösungsmittel vorhanden ist, mit dessen Hilfe das in dem Hohlraum 20 eingebrachte Material gelöst wird.

In der Figur 6 ist schließlich eine Ausführung gezeigt, die schon vom Prinzip her lösbar ist. Ähnlich wie bei der Ausführung nach Figur wird auch hier zur Herstellung der reibSchlussigen Verbindung eine axiale Druckbeaufschlagung eines Spannmittels über eine mit einer Einschraubhülse 8·' versehene Einlaufnabe 7'' vorgenommen. Das Spannmittel zur Erzeugung der radialen Vorspannung wird hier jedoch nicht durch ein mehr oder weniger ungeformtes Packungsmaterial, sondern durch zwei Ringe gebildet, die jeweils konische Stirnflächen aufweisen, mit denen sie zum einen aneinander und zum anderen an entsprechend konisch geformten Anlageflächen 25 bzw. 28 der Einschraubhülse 8* ' bzw. der Bohrung 5ΐ>'' eier Verdichterradnabe 4'' anliegen. Auch hier wird das Drehmoment von der keramischen Welle 1'' auf das Verdichterrad 2'' durch Reibschluß über die beiden Konusringe 26 und 27 übertragen. Bei entsprechender Abstimmung der konischen Stirnflächen und der verwendeten Materialien der beiden Konusringe 26 und 27 kann erreicht werden, daß die beiden Konusringe bei der Verspannung durch die Einschraubhülse 8¹' sich mit ihren Umfangsflächen großflächig vor allem an der Oberfläche der keramischen Welle 1'' anlegen und so eine großflächige Kraftübertragung sicherstellen.

Die Zentrierung des Verdichterrades 2¹¹ wird durch die mit enger Passung auf dem Wellenabsatz 1a'¹ anliegende Bohrung 5a'¹ vorgenommen. Als Losdrehsicherung des Gewindes wird ähnlich wie bei der

Ausführung nach der Figur 1 ein Vitonring 9 vorgesehen, wobei auch hier zwischen dem Kopf der Einlaufnabe 7¹' und der vorderen Stirnwand der Verdichterradnabe 4'' ^ei*i Spalt zur Berücksichtigung unterschiedlicher Dehnungen verbleiben soll. Die Konusringe können vorzugsweise aus Kunststoff ausgeführt sein, um die bei der Verspannung auftretenden Eadialkräfte möglichst auf der gesamten Berührungsfläche zu verteilen und somit die Flächenpressungen, insbesondere im Bereich der keramischen Welle, gering zu halten.

Claims

ANSPRÜCHE

1.) Lauf zeug für einen Abgasturbolader für Fahrzeuge mit einem Turbinenrad und einem mit diesem über eine Welle verbundenen Verdichterrad, wobei das Verdichterrad aus einem metallischen und zumindest das Turbinenrad aus einem keramischen Werkstoff besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (1) einstückig aus 'einem keramischen Werkstoff ausgeführt ist und daß Mittel zur Herstellung einer mittelbaren reibSchlussigen Verbindung zwischen der Welle (1) und dem auf die Welle aufgesteckten Verdichterrad (2) vorgesehen sind.

2. Laufzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich Mittel zur Herstellung eines mittelbaren lOrmschlusses zwischen der Welle (1) und dem Verdichterrad (2) vorgesehen sind.

3. Laufzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (1) und das Turbinenrad aus einem einstückig hergestellten keramischen Bauteil bestehen.

4. Laufzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (1) und das Turbinenrad jeweils getrennt aus keramischen Werkstoffen hergestellt sind und mittels einer Keramikfügetechnik verbunden sind.

5. Laufzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4> dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (1) mit ihrem freien Ende in eine zentrische Bohrung (5) der Nabe (4) des Verdichterrades (2) eingeführt ist

und mittels einer zwischen der Bohrung und der Außenkontur der Welle angeordneten, eine radiale Spannung aufweisenden Packung (3; 20; 26, 27) gehalten ist.

6. Laufzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Packung (3; 26, 27) durch eine in die Bohrung (5) der Nabe (4) einschraubbare Hülse (7» 8) in axialer Richtung druckbeaufschlagbar ist.

7. Laufzeug nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Packung (3; 20) aus einem verformbaren Material besteht.

8. Laufzeug nach einem der Ansprüche 5 "bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Packung aus wenigstens zwei mit konischen Stirnflächen versehenen Ringelementen (26, 27) besteht.

9. Laufzeug nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Pakkung aus einem in einen Zwischenraum zwischen der Bohrung (5*b^?) und der Welle (I¹) einfüllbaren, unter Aufquellen aushärtenden Material (20) besteht.

10. Laufzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Material (20) Klebereigenschaften aufweist.

11. Laufzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (i) zumindest im Bereich der Packung (3; 20) eine relativ große Oberflächenrauhigkeit aufweist.

12. Laufzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (1) im Bereich der Packung (3; 20) einen Absatz (1b) aufweist.

13. Laufzeug nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Absatz (1 ti) kreis zylindrisch ausgebildet ist.

14. Laufzeug nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Absatz (ib^!) einen von der Kreisform abweichenden Querschnitt aufweist.

15. Laufzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle eine Ausnehmung (11 ) aufweist, in die ein in eine Aussparung (16) der Packung (3) gehaltenes Sperrstück (12) eingreift.