DE102004057138A1

DE102004057138A1 - Abgasturbolader für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102004057138A1
Application number: DE102004057138A
Authority: DE
Inventors: Martin Dr. Schlegl; Steffen Dipl.-Ing. Schmitt
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2004-11-26
Filing date: 2004-11-26
Publication date: 2006-06-08
Also published as: WO2006056394A3; US20080163622A1; WO2006056394A2; JP2008522067A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für einen Verbrennungsmotor. Aufgabe der Erfindung ist es, einen Abgasturbolader zu entwickeln, der kostengünstig aufgebaut ist und der eine verbesserte Funktionalität zeigt. Die Erfindung besteht darin, dass bei einem Abgasturbolader für einen Verbrennungsmotor, mit einem im Abgasstrom des Motors angeordneten Turbinenrad aus einer warmfesten Leichtmetalllegierung, mit einem im Ansaugluftstrom des Motors angeordneten Verdichterrad, mit einer Welle aus Stahl, wobei das Verdichterrad auf der Welle sitzt und das Turbinenrad durch Schweißen mit der Welle verbunden ist, und mit einer Lagerung für die Welle, am Turbinenrad (1) eine dem Wellendurchmesser (5) angepasste Nabe (4) ausgebildet ist, wobei die Verbindungsstelle (3) zwischen der Nabe (4) des Turbinenrades (1) und der Welle (2) in der Umgebung der Lagerung (6, 7, 14, 15) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der EP 0 513 646 B1 ist ein Verfahren zum Verbinden von Teilen aus Stahl und einer Aluminium- oder Titanlegierung bekannt, bei dem in einem ersten Reibschweißgang auf das Stahlteil ein Nickelplättchen oder eine Kupferschicht und auf das Titanteil eine Vanadinschicht aufgebracht wird. Nach mechanischem Anarbeiten der Zwischenschichten werden die Teile in einem zweiten Reibschweißgang miteinander verbunden. Das Verfahren ist aufgrund der Zahl der Prozessschritte und das für die Zwischenschichten verwendete Material aufwändig.

Bei einem Verfahren zum Reibungsschweißen einer Stahlwelle an ein Turbinenrotor aus Titanaluminid nach dem EP 0 816 007 B1 wird auf die Fügefläche der Welle vor dem Reibschweißen eine hitzeresistente Legierung aufgebracht. Beim Reibschweißen entsteht an der Welle eine rissige Oberfläche, die anschließend abgearbeitet wird.

Die JP 08-281454 A zeigt die Verbindung von Teilen aus Titanaluminid und Stahl durch Reibschweißen unter Verwendung eines Zwischenmaterials mit geringer thermischer Volumenänderung.

Bei dem Verbindungsverfahren nach der JP 09-07609 A wird auf ein Stahlteil vor dem Reibschweißen mit einem Teil aus Titanaluminid durch Auftragsschweißen eine hitzebeständige Legierung mit einer mittigen Bohrung aufgebracht. Damit sollen Fehler durch unterschiedliche thermische Volumenausdehnungen vermieden werden.

In der WO 92/20487 A1 ist ein Turbolader beschrieben, bei dem eine mit Schaufeln verbundene Nabe aus einer Aluminium- oder Titan-Knetlegierung mit einer Stahlwelle unter Zwischenschaltung einer Übergangsschicht aus einem duktilen Nebengruppenmetall reibverschweißt ist. In einer Variante wird zwischen Welle und Nabe ein Befestigungsbauteil verwendet, welches Radialdichtungsringe aufnimmt. Die Konstruktion ist material- und kostenaufwändig.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Abgasturbolader für einen Verbrennungsmotor zu entwickeln, der kostengünstig aufgebaut ist und der eine verbesserte Funktionalität zeigt.

Die Aufgabe wird mit einem Abgasturbolader gelöst, der die Merkmale nach Anspruch 1 aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Gemäß der Erfindung wird an einem Turbinenrad, welches aus hochfesten Leichtmetalllegierungen, insbesondere Aluminiden besteht, eine Nabe ausgebildet, die durch Schweißen mit einer Stahlwelle verbunden ist. Bei den Aluminiden handelt es sich bevorzugt um ein Titanaluminid oder Eisenaluminid. Der Durchmesser der Nabe ist an der Schweißstelle dem Durchmesser der Welle angepasst. Die Schweißstelle befindet sich in axialer Richtung in der Nähe einer Lagerstelle der Welle.

Bevorzugt sind die Welle und das Turbinenrad bzw. die Nabe durch Reibschweißen direkt, d. h., ohne Zuhilfenahme von Zwischenstücken oder Zwischenschichten, miteinander verbunden. Zur Lagerung des Turbinenrades bzw. der Welle können zwei axial voneinander beabstandete Wälzlager vorgesehen werden, wobei die Schweißnaht zwischen den Lagern oder auf der Seite des Turbinenrades oder auf der Seite eines Verdichterrades liegt. Das Turbinenrad kann mit einem Wellenansatz durch Gießen hergestellt sein, wobei an dem Wellenansatz eine turbinenseitige Wellendichtung integriert ist. Zur Aufnahme einer Wellendichtung können in den Ansatz bzw. in die Nabe Nuten eingebracht sein. Die Lager können am Wellenansatz ausgebildet sein, wobei die Lagerinnenringe bzw. Laufbahnen direkt aus dem Material des Wellenansatzes herausgearbeitet sind. Weiterhin können an der Nabe Kühlrippen, Kühlschaufeln oder dergleichen Kühlelemente ausgebildet sein, die zur Kühlung der Welle von einem Kühlfluid umströmt werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Wälzlager als Hybrid- oder Vollkeramiklager ausgeführt.

Die Erfindung bietet eine Reihe von Vorteilen. Der Abgasturbolader besitzt eine geringe Masse und damit ein geringes Trägheitsmoment, so dass das Instationärverhalten verbessert ist. Der erfindungsgemäße Abgasturbolader ist thermisch und mechanisch hoch belastbar. Dadurch ergibt sich beim Betrieb eines Motors eine höhere mögliche Motorleistung. Der Motor kann aufgrund des warmfesten Werkstoffes des Turbinenrades mit höheren Abgastemperaturen arbeiten, so dass der Motor weniger Schadstoffemissionen hat. Der Wärmeeintrag in die Stahlwelle bzw. die Lagerung ist aufgrund der schlechten Wärmeleitfähigkeit des Materials des Turbinenrades bzw. der Nabe bzw. eines angearbeiteten Wellenansatzes nur gering. Bei einem Turbinenrad aus Titanaluminid kann durch die hohe Warmfestigkeit und Kriechbeständigkeit die Schaufelgeometrie so verändert werden, dass der Motorwirkungsgrad steigt. Beim Verbinden von Turbinenrad und Welle durch direktes Reibschweißen werden beim Fügen Aufwand und Kosten deutlich reduziert. Wenn am hochbelastbaren Material des Turbinenrades zusätzliche Funktionselemente, wie Dicht- Lager- und Kühlelemente, ausgebildet werden, können Aufwendungen für zusätzliche Teile gespart werden.

Die Erfindung soll anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Dabei zeigen:
1 Turbinenrad und Welle eines Abgasturboladers mit turbinenseitiger Schweißstelle,
2 Turbinenrad und Welle eines Abgasturboladers mit einer Schweißstelle zwischen Lagerstellen,
3 Turbinenrad und Welle eines Abgasturboladers mit verdichterseitiger Schweißstelle, und
4 Turbinenrad und Welle eines Abgasturboladers mit turbinenseitiger Schweißstelle und am Turbinenrad integrierten Kühlrippen.
1 zeigt ein Turbinenrad 1 und eine Welle 2 eines Abgasturboladers mit turbinenseitiger Schweißstelle 3. Das Turbinenrad 1 besteht aus einer hochwarmfesten Leichtmetalllegierung, wie Titanaluminid. Am Turbinenrad 1 befinden sich Schaufeln, die im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors stehen. Am Turbinenrad 1 ist eine zylindrische Nabe 4 ausgebildet. Die Nabe 4 ist am Ende auf den Durchmesser 5 der Welle 2 verjüngt, so dass sich ein geringer Fügequerschnitt ergibt. Die Welle 2 aus Stahl ist an der Schweißstelle 3 direkt mit der Nabe 4 aus Titan-Aluminium reibverschweißt. Die Welle 2 ist radial in zwei Lagern 6, 7 gehalten. Die Lager 6, 7 besitzen in Richtung einer Rotationsachse 8 einen Abstand 9, wobei sich das Lager 6 in der Nähe der Schweißstelle 3 befindet. Die Lager 6, 7 können als Gleit- oder Wälzlager ausgeführt sein. Werden die Lager 6, 7 als Wälzlager ausgeführt, übernehmen sie auch die axiale Abstützung der Welle. Abseits vom Lager 7 ist die Welle 2 weiter verjüngt und trägt am Ende drehfest ein Verdichterrad 10. In die Mantelfläche der zylindrischen Nabe 4 sind Nuten 11, 12 für die Aufnahme von Wellenabdichtungen oder die Ausarbeitung von Ölspritznuten eingearbeitet. Die Dichtungen verhindern eine Ölleckage und eine unerwünschte Abgasführung.
Sofern in der nachstehenden Beschreibung bereits eingeführte Bezugszeichen verwendet werden, handelt es sich um Elemente oder Symbole mit äquivalenter Funktion oder Bedeutung.
Bei der Variante nach 2 befindet sich eine Schweißstelle 3 zwischen Lagern 6, 7. Die Nabe 4 ist um einen Wellenansatz 13 verlängert. Das Lager 6 ist am Wellenansatz 13 angeordnet, der einen gleichen Durchmesser 5 wie die Welle 2 aufweist. Ansonsten entspricht diese Ausführung der Ausführung nach 1.
Bei einer weiteren Variante nach 3 sind an einem Wellenansatz 13 eines Turbinenrades 1 aus Titan-Aluminium zwei Kugellager 14, 15 als Hybridlager ausgebildet. Die Kugellager 14, 15 bestehen jeweils aus einem Außenring 16, 17, Kugeln 18, 19 und Laufflächen 20, 21 am Wellenansatz 13. Eine Reibschweißstelle 3 zwischen dem Wellenansatz 13 und einer Welle 2 aus Stahl ist unmittelbar neben dem Kugellager 15 auf der Seite eines Verdichterrades 10 ausgebildet. Turbinenrad 1, eine angearbeitete Nabe 4 und der Wellenansatz 13 sind aus einem Guss. Der Wellenansatz 13 aus Titan-Aluminium besitzt eine hohe Festigkeit, so dass die Laufflächen 20, 21 nur einem geringen Verschleiß unterliegen und damit diese und die gesamte Lagereinheit eine erhöhte Lebensdauer aufweisen.
Eine Variante nach 4 entspricht bezüglich der Anordnung der Schweißstelle der Ausführung nach 1, wobei auf der Nabe 4 neben Nuten 11, 12 für Dichtungen noch Kühlrippen 22, 23 angearbeitet sind. Zwischen den Kühlrippen 22, 23 wird zur Wärmeabfuhr ein Kühlfluid, wie Luft, Wasser oder Öl, durchgeleitet, so dass weniger Wärme in den Bereich der Wellenlagerung geleitet wird. Das Kühlfluid wird durch eine Dichtung in der Nut 11 gegenüber Motorabgasen und durch eine Dichtung in der Nut 12 gegenüber dem Öl der Lagerschmierung abgeschirmt. Durch diese Anordnung werden eine geringe thermische Belastung des Motoröles sowie eine Verringerung der Ölverkokung erreicht. Die Lebensdauer der Lager 6, 7 ist verlängert. Ein Einsatz neuartiger Lagerschmierverfahren, wie Ölminimalmengenschmierung oder Fettlebensdauerschmierung, wird möglich, wobei Ölverbrauch und -verluste verringert werden.
Die Varianten nach den 1–4 sind nur beispielhaft zu sehen. Die Merkmale der Anordnung und Ausführung der Lager 6, 7, 14, 15, der Anordnung der Schweißstelle 3 bezüglich der Lager 6, 7, 14, 15 und der Integration von Dicht- und Kühlfunktionen auf der Seite des Turbinenrades 1 können beliebig kombiniert werden.

1: Turbinenrad
2: Welle
3: Schweißstelle
4: Nabe
5: Durchmesser
6, 7: Lager
8: Rotationsachse
9: Abstand
10: Verdichterrad
11, 12: Nut
13: Wellenansatz
14, 15: Kugellager
16, 17: Außenring
18, 19: Kugel
20, 21: Lauffläche
22, 23: Kühlrippe

Claims

Abgasturbolader für einen Verbrennungsmotor, mit einem im Abgasstrom des Motors angeordneten Turbinenrad aus einer hochwarmfesten Leichtmetalllegierung, mit einem im Ansaugluftstrom des Motors angeordneten Verdichterrad, mit einer Welle aus Stahl, wobei das Verdichterrad auf der Welle sitzt und das Turbinenrad durch Schweißen mit der Welle verbunden ist, und mit einer Lagerung für die Welle, dadurch gekennzeichnet, dass am Turbinenrad (1) eine dem Wellendurchmesser (5) angepasste Nabe (4) ausgebildet ist, und dass die Verbindungsstelle (3) zwischen der Nabe (4) des Turbinenrades (1) und der Welle (2) in der Umgebung der Lagerung (6, 7, 14, 15) angeordnet ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Nabe (4) und Welle (2) durch Reibschweißen direkt verbunden sind.
Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstelle zwischen Nabe (4) und Welle (2) turbinenseitig, verdichterseitig oder zwischen der radialen Lagerung (6, 7, 14, 15) angeordnet ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerung aus zwei in Richtung der Wellenachse (8) voneinander beabstandeten Wälzlagern (14, 15) besteht.
Abgasturbolader nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzlager (14, 15) als Hybrid- oder Vollkeramiklager ausgeführt sind.
Abgasturbolader nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Wälzlager (14, 15) auf einem Wellenansatz (13) der Nabe (4) angeordnet ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Laufbahn (20, 21) des Wälzlagers (14, 15) direkt am Wellenansatz (13) angearbeitet ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der Nabe (4) Ausnehmungen (11, 12) für mindestens eine Dichtung vorhanden sind.
Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der Nabe (4) Mittel (22, 23) zur Kühlung der Welle (2) vorgesehen sind.
Abgasturbolader nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass an der Nabe (4) Kühlrippen (22, 23) ausgebildet sind.
Abgasturbolader nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Kühlrippen (22, 23) ein Kühlmedium fließt.
Abgasturbolader nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass an der Nabe (4) beidseitig der Kühlrippen (22, 23) Dichtungen angeordnet sind.
Abgasturbolader nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad (1) einschließlich der Nabe (4) aus Titanaluminid besteht.