DE102004043928A1

DE102004043928A1 - Stelleinrichtung für Leitschaufeln eines Abgasturboladers

Info

Publication number: DE102004043928A1
Application number: DE200410043928
Authority: DE
Inventors: Hermann Burmester; Christian Dr.-Ing. Sleziona
Original assignee: IHI Charging Systems International GmbH
Current assignee: IHI Charging Systems International GmbH
Priority date: 2004-09-11
Filing date: 2004-09-11
Publication date: 2006-04-13

Abstract

Die Erfindung geht von einer Stelleinrichtung (10) für Leitschaufeln eines Abgasturboladers aus, die mittels Achsen in einer gehäusefesten Lagerplatte schwenkbar gelagert sind, wobei die Achsen drehfest mit Verstellhebeln verbunden sind, deren freie Enden mit Köpfen in Aussparungen eines Verstellrings eingreifen, der im Gehäuse drehfest gelagert ist und durch einen Antriebshebel über einen begrenzten Drehwinkel verstellbar ist. Es wird vorgeschlagen, dass die Köpfe ein Verzahnungsprofil eines Zahnes eines außenverzahnten Getriebestirnrads aufweisen und die Aussparungen im Profil die entsprechenden Hüllkurven bilden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Stelleinrichtung für Leitschaufeln eines Abgasturboladers nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE 100 35 762 A1 ist ein Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine bekannt, der eine Turbine mit einer variablen Turbinengeometrie zur veränderlichen Einstellung des wirksamen Strömungseintrittsquerschnitts zum Turbinenrad aufweist. Hierzu sind im Strömungseintrittsquerschnitt im Turbinengehäuse schwenkbar gelagerte Leitschaufeln vorgesehen, die durch eine Stelleinrichtung einstellbar sind. Die Stelleinrichtung umfasst einen Verstellring, der an seinem äußeren Umfang mittels Rollen in einem Gehäusering drehbar gelagert ist. Der Verstellring kann von einem Aktuator in einem begrenzten Drehwinkelbereich mittels zwei Hebel verschwenkt werden, die über einen Lagerzapfen miteinander verbunden sind.

Am inneren Umfang des Verstellrings befinden sich Aussparungen, in denen Verstellhebel mit einem kugelförmigen Ende schwenkbar gelagert sind. Die Verstellhebel sitzen mit ihrem anderen Ende drehfest auf einer Lagerachse der Leitschaufeln. Beim Verschwenken des Verstellrings werden somit alle Leitschaufeln in gleicher Weise verstellt. Der Verstellmechanismus beansprucht in radialer Richtung einen relativ großen Bauraum. Ferner entstehen durch Gleitbewegungen an den Über tragungselementen Reibungskräfte, durch die der Verschleiß gefördert und der Wirkungsgrad reduziert wird.

Aus der US 2 860 827 ist ein Abgasturbolader bekannt, bei dem die Leitschaufeln im Zuströmquerschnitt der Abgasturbine durch eine Stelleinrichtung verstellbar sind. Die Stelleinrichtung umfasst einen Verstellring, der in axialer Richtung versetzt zu einer Lagerplatte, in der die Leitschaufeln durch eine Achse schwenkbar gelagert sind, am inneren Umfang über Rollen drehbar gelagert ist. Die Rollen sind fliegend auf Lagerachsen gelagert, die in einer Gehäusewand des Abgasturboladers angeordnet sind. Auf dem freien Ende der Achse der Leitschaufeln sitzt ein Verstellhebel, der an seinem radial nach außen weisenden Ende eine Nut besitzt. In diese greift ein axial gerichteter Stift, der in den Verstellring stirnseitig eingesetzt ist. Zwar benötigt die Stelleinrichtung einen geringeren radialen Bauraum, jedoch ist der erforderliche axiale Bauraum deutlich größer. Ferner verursachen die Übertragungselemente erhebliche Reibungsverluste und bewirken auf Grund ihrer axialen Abstände erhebliche Momente, die die Bauteile zusätzlich zu den notwendigen Übertragungskräften belasten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kompakt bauende, leichtgängige Stelleinrichtung zu schaffen. Sie wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nach der Erfindung weisen die Köpfe der Verstellhebel ein Verzahnungsprofil eines Zahnes eines außenverzahnten Getriebestirnrads auf und die Aussparungen des Verstellrings bilden im Profil die entsprechenden Hüllkurven. Zweckmäßigerweise werden der Kopf des Antriebshebels und die zugeordnete Aussparung im Verstellring in gleicher Weise gestaltet. Als Verzahnungsprofile eignen sich besonders Evolventenverzahnungen oder Zykloidenverzahnungen, wobei die Evolventenverzahnung Vorteile in Bezug auf die Fertigung und die Zykloidenverzahnung Vorteile in Bezug auf den Wirkungsgrad besitzen. Die Getriebeverzahnungen, die erfindungsgemäß für die Übertragung von Stellkräften bei den Verstellhebeln und bei dem Antriebshebel angewendet werden, erzeugen bei der Verstellbewegung an den Kontaktflächen weit gehend eine Rollbewegung, wodurch die Reibverluste deutlich reduziert werden und der Wirkungsgrad der Stelleinrichtung sowie das Verschleißverhalten entsprechend verbessert werden.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Verstellhebel und der Antriebshebel in Nischen der Lagerplatte angeordnet, die stirnseitig und zum Umfang hin offen sind und eine Schwenkbewegung der Hebel zulassen. Die Lagerkugeln sind dabei in den Bereich zwischen den Nischen vorgesehen und werden durch den Kugelkäfig in Position gehalten, der mittels eines in den Käfig integrierten Anschlagelements an die Bewegung der Verstellhebel gekoppelt ist und Aussparungen für die Hebel besitzt. Dadurch kann der axiale Bauraum ohne Vergrößerung des radialen Bauraums verkleinert werden. Hinzu kommt, dass der axiale Abstand zwischen dem Mittelpunkt der Lagerkugel und dem Angriffspunkt der Hebel sehr gering ist, wodurch sich nur sehr kleine, vernachlässigbare Momente ergeben, die das Reibverhalten der Stelleinrichtung kaum beeinträchtigen.

Zur guten, reibungsarmen Führung der Lagerkugeln ist es zweckmäßig, dass der Kugelkäfig eingeprägte Kugelkalotten aufweist. Dadurch kann sich an den Kontaktflächen zwischen den Lagerkugeln und den Kugelkalotten bei der Bewegung ein Schmierfilm aufbauen.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Dabei zeigen:
1 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Stelleinrichtung,
2 einen vergrößerten Teilausschnitt der Seitenansicht nach 1,
3 einen Teilschnitt entsprechend der Linie III-III in 2 und
4 eine perspektivische Teilansicht auf den Umfang eines Kugelkäfigs mit einem geschnittenen Verstellring.
Eine Stelleinrichtung 10 umfasst im Wesentlichen einen Verstellring 11, mehrere Verstellhebel 14 und einen Antriebshebel 28. Der Verstellring 11 ist mittels mehrerer Lagerkugeln 20 am äußeren Umfang einer Lagerplatte 18 gelagert. Die Lagerkugeln 20 laufen einerseits in einer Kugellaufbahn 25 der Lagerplatte 18 und in einer Kugellaufbahn 26 des Verstellrings 11. Sie werden durch einen Kugelkäfig 21 geführt und auf Abstand gehalten. Dieser besitzt im Bereich der Lagerkugeln 20 einprägte Kugelkalotten 22.
Der Verstellring 11 wird über den Antriebshebel 28 angetrieben, der mit einem Ende auf einer Antriebswelle 29 drehfest sitzt, die in der Lagerplatte 18 drehbar gelagert ist. Die Antriebswelle 29 wird von einem nicht dargestellten Aktuator betätigt. Das andere Ende des Antriebshebels 28 greift mit einem Kopf 15 in eine entsprechende Aussparung 12 des Verstellrings 11. Bei einer Schwenkbewegung des Antriebshebels 28 um die Antriebswelle 29 wird der Verstellring 11 um einen begrenzten Drehwinkelbereich verstellt.
Die Verstellhebel 14 sind über den Umfang der Lagerplatte 18 verteilt und sitzen mit einem Mitnahmeende 16 drehfest, z.B. über ein polygonales Mitnahmeprofil, auf einer Achse 17, die drehbar in der Lagerplatte 18 gelagert ist. An dem anderen Ende der Achse 17 ist eine Leitschaufel befestigt, die jedoch nicht sichtbar ist. Wird die Achse 17 durch den Verstellhebel 14 geschwenkt, dreht sich im gleichen Sinne die zugehörige Leitschaufel.
Die freien Ende der Verstellhebel 14 besitzen Köpfe 15, die in entsprechende Aussparungen 12 des Verstellrings 11 eingreifen und so bei einer Verstellung des Verstellrings 11 mitgenommen werden und die Verstellbewegung auf die Achsen 17 übertragen. Um Gleitreibung und damit verbundene Wirkungsgradverluste weitgehend zu vermeiden, besitzen die Köpfe 15 ein Verzahnungsprofil 31 eines Zahnes eines Getriebestirnrads, z.B. eine Evolventenverzahnung oder Zykloidenverzahnung. Die Aussparungen 12 des Verstellrings 11 entsprechen der Innenverzahnung eines Hohlrads und bilden als Verzahnungsprofil 32 die Hüllkurven zu dem Verzahnungsprofil 31. In den Figuren entspricht das Verzahnungsprofil 31 einer Evolventenverzahnung.
Die Verstellhebel 14 und der Antriebshebel 28 sind in Nischen 19 der Lagerplatte 18 untergebracht. Diese sind zur Stirnseite und zum Umfang hin offen und lassen eine ausreichende Schwenkbewegung der Hebel 14, 28 zu. Die Nischen 19 reichen axial bis in den Bereich der Kugellaufbahn 25, sodass der axiale Abstand 27 zwischen dem Mittelpunkt der Lagerkugel 20 und dem resultierenden Angriffspunkt der Köpfe 15 der Verstellhebel 14 und des Antriebshebels 28 sehr klein ist, wodurch die durch den Abstand 27 bedingten Momente ebenfalls sehr klein sind. Bei der Verstellung des Verstellrings 11 bewegen sich die Lagerkugeln 20 in Bereichen 24 jeweils zwischen zwei benachbarten Nischen 19. Sie werden in dieser Lage durch den Kugelkäfig 21 gehalten, der mittels eines in den Kugelkäfig 21 integrierten Anschlagelements 23 an die Bewegung der Verstellhebel 14 auf der Hälfte von deren wirksamer Länge gekoppelt ist. Die Ankoppelung des Kugelkäfigs 21 führt dazu, dass dem Kugelkäfig 21 über das Anschlagelement 23 genau die Umfangsgeschwindigkeit, nämlich die halbe Umfangsgeschwindigkeit des Verstellrings 11, mitgeteilt wird, die der Kugelkäfig 21 auch allein durch die Abwälzbewegung des Verstellrings 11 über die Lagerkugeln 20 auf der Lagerplatte 18 hätte. Dadurch wird die Reibung zwischen den Lagerkugeln 20 und dem Kugelkäfig 21 mit seinen Kugelkalotten 22 minimiert und es wird gewährleistet, dass zwischen dem Verstellring 11, den Lagerkugeln 20 und der Lagerplatte 18 ausschließlich Rollreibung auftritt. Bei der Montage können die Lagerkugeln 20 von den Nischen 19 aus in ihre Position gebracht werden, bevor das Anschlagelement 23 und damit der Kugelkäfig 21 durch die Montage der Verstellhebel 14 auf den Achsen 17 in seiner Lage bestimmt wird.
Damit der Kugelkäfig 21 den Bewegungsfreiraum der Verstellhebel 14 und des Antriebshebels 28 nicht beeinträchtigt, besitzt er im Bereich der Nischen 19 entsprechende Aussparungen 30 (4). Um die bei der Verstellung zu bewegenden Massen gering zu halten, ist der äußere Umfang 13 des Verstellrings 11 zwischen den Aussparungen 12 zumindest teilweise im Durchmesser reduziert. Dies ist jedoch nicht zweckmäßig in dem Bereich des Antriebshebels 28 und der benachbarten Verstellhebel 14, in dem die Aussparungen 12 sehr eng beieinander liegen.

Claims

Stelleinrichtung (10) für Leitschaufeln eines Abgasturboladers, die mittels Achsen (17) in einer gehäusefesten Lagerplatte (18) schwenkbar gelagert sind, wobei die Achsen (17) drehfest mit Verstellhebeln (14) verbunden sind, deren freie Enden mit Köpfen (15) in Aussparungen (12) eines Verstellrings (11) eingreifen, der im Gehäuse drehbar gelagert ist und durch einen Antriebshebel (28) über einen begrenzten Drehwinkel verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Köpfe (15) ein Verzahnungsprofil (31) eines Zahnes eines außenverzahnten Getriebestirnrads aufweisen und die Aussparungen (12) im Profil die entsprechenden Hüllkurven bilden.
Stelleinrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebshebel (28) drehfest auf einer Antriebswelle (29) sitzt, die in der Lagerplatte (18) drehbar gelagert ist, und an seinem freien Ende einen Kopf (15) mit einem gleichen Verzahnungsprofil (31) wie die Verstellhebel (14) aufweist und in eine Aussparung (12) des Verstellrings (11) eingreift, die ein entsprechendes Verzahnungsprofil (32) besitzt.
Stelleinrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Köpfe (15) der Verstellhebel (14) und des Antriebshebels (28) als Verzahnungsprofil (31) eine Evolventenverzahnung besitzen.
Stelleinrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Köpfe (15) der Verstellhebel (14) und des Antriebshebels (28) als Verzahnungsprofil (31) eine Zykloidenverzahnung besitzen.
Stelleinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellhebel (14) und der Antriebshebel (28) in Nischen (19) der Lagerplatte (18) angeordnet sind, die stirnseitig und zum Umfang hin offen sind und eine Schwenkbewegung der Hebel (14, 28) zulassen, wobei der Verstellring (11) durch Lagerkugeln (20) in Bereichen (24) zwischen den Nischen (19) am Umfang der Lagerplatte (18) drehbar gelagert ist, wobei die Lagerkugeln (20) durch den Kugelkäfig (21) mit dessen Anschlagelement (23) positioniert werden, der an die Verstellhebel (14) gekoppelt ist, und Aussparungen (30) für die Hebel (14, 28) besitzt.
Stelleinrichtung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kugelkäfig (21) eingeprägte Kugelkalotten (22) aufweist, in denen die Lagerkugeln (20) geführt sind.
Stelleinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Umfang (13) des Verstellrings (11) mindestens teilweise zwischen den Aussparungen (12) im Durchmesser reduziert ist.