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Die
Erfindung betrifft einen Leitapparat für eine Turbine eines
Abgasturboladers mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
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Sie
geht von der europäischen Patentschrift
EP 1 642 009 B1 aus. Aus
dieser ist ein Leitapparat für eine Turbine eines Abgasturboladers
bekannt, mit zwei ringförmigen, parallel zueinander angeordneten Seitenwänden.
Zwischen den Seitenwänden sind über den Umfang
verteilt Leitschaufeln angeordnet, die senkrecht zu den Seitenwänden
verschwenkbar sind. Damit ein Verklemmen der Leitschaufeln beim Verstellen
des Leitapparates vermieden ist, sind die Seitenwände über
mehrere, über den Umfang verteilte Distanzbolzen voneinander
beabstandet. Einerseits werden die Distanzbolzen in eine Seitenwand eingeschraubt
und andererseits wird der Distanzbolzen mit der zweiten Seitenwand
vernietet. Damit die Vernietung möglich ist, ragen die
Distanzbolzen auf der zu vernietenden Seite durch Bohrungen in der Seitenwand
hindurch.
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Nachteilig
bei der beschriebenen Ausgestaltung ist der relativ hohe Aufwand,
um die Vernietung durchzuführen. Darüber hinaus
kann es verfahrensbedingt durch den Fügevorgang des Nietens
zwischen den Distanzbolzen und der Seitenwand, bzw. Gleitplatte,
zu einer Verformung der Seitenwand kommen. Dies kann bei hoher thermischer
Be- und Entlastung zum Verklemmen der Verstelleinheit führen.
Durch den Fügevorgang des Nietens kommt es zu einer plastischen
Verformung des Nietkopfes. Dies führt zu einer starken
Versprödung des Nietes. Aufgrund der hohen thermischen
Be- und Entlastung der Verstelleinheit kann es zum Versagen (Zerstörung)
der Nietverbindung kommen, was schwerwiegende Funktionsnachteile
bei der Regelung und der Verwendung des Abgasturboladers nach sich
zieht. Eine ungenügende Fertigungsgenauigkeit und Positionierung
der Nietverbindung führt weiter zu einer starken Herabsetzung
der Festigkeit der Fügeverbindung. Daraus kann die Zerstörung
der Nietverbindung resultieren, was weiter zu einer starken Einschränkung
der Funktionsfähigkeit der Verstelleinheit führt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Fügeverbindung
aufzuzeigen, die gegenüber dem Nieten wesentlich einfacher
herstellbar ist und darüber hinaus die o. g. Nachteile
vermeidet.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs
1 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Fügeverbindung führt
in vorteilhafter Weise zu einer Reduzierung der Fertigungs- und
Montageschritte. Darüber hinaus wird die Robustheit der
Verstelleinheit des Leitapparates erhöht und damit eine
längere Lebensdauer erzielt. Ein weiterer Vorteil ergibt
sich durch die Reduzierung der verwendeten Bauteile, da eine Unterlegscheibe,
wie sie für die Vernietung benötigt wird, entfallen
kann. Dies führt in vorteilhafter Weise insgesamt zu einer
deutlichen Kostenreduzierung
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Durch
die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 übernimmt
das Fixierelement die Federfunktion einer sonst üblicher
Weise verwendeten Profildichtung. Die Federkraft ist dabei eine
Funktion von Verpressung, Wandstärke und Durchmesserverhältnis
der Tellerfeder. Die Tellerfeder ist dabei so kon struiert, dass
sie eine abdichtende Funktion übernimmt. Dies erfolgt durch
eine mit einem kleinen Winkel α abgeschrägte Fläche
zur Seitenwand und zum Turbinengehäuse im unverpressten
Zustand. Um eine hohe Temperaturbeständigkeit der Tellerfeder zu
erzielen, muss ein Werkstoff gewählt werden, der über
ein weites Temperaturband (bis 700°C) eine gute Zeitstandfestigkeit
aufweist. Daher wird bevorzugt der Werkstoff Inconel 718 (Nickel-Chrom-Legierung)
ausgewählt.
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Bevorzugte
Winkelmaße für das Fixierelement sind in Patentanspruch
3 beschrieben.
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Im
Folgenden ist die Erfindung anhand des Standes der Technik und eines
besonders bevorzugten Ausführungsbeispieles in acht Figuren
näher erläutert.
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1 zeigt
eine Aufsicht auf einen Leitapparat einer Turbine eines Abgasturboladers
gemäß dem Stand der Technik.
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2 zeigt
die gleiche Aufsicht wie 1, jedoch mit einem erfindungsgemäß ausgestalteten Leitapparat.
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3 zeigt
eine dreidimensionale Aufsicht auf einen erfindungsgemäß ausgestalteten
Leitapparat.
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4 zeigt
eine Aufsicht auf ein erfindungsgemäßes Fixierelement.
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4a zeigt
einen Schnitt A-A aus 4 durch das Fixierelement.
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4b zeigt
eine Vergrößerung des Schnittes durch das Fixierelement
aus 4a.
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5 zeigt
einen Schnitt durch einen Distanzbolzen.
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6 zeigt
einen Schnitt durch ein Turbinengehäuse mit einem erfindungsgemäß ausgestalteten Leitapparat.
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1 zeigt
eine dreidimensionale Aufsicht auf einen Leitapparat eines geschnitten
dargestellten Turbinengehäuses, entsprechend dem Stand
der Technik. Beim Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader
werden die heißen Abgase in einen Turbineneinlauf 11 und
weiter in einen Spiralkanal eines Turbinengehäuses 9 geleitet,
anschließend durch einen Leitapparat 1, der die
Abgase weiter auf ein Turbinenrad 10 des Abgasturboladers
ablenkt. Nach dem Turbinenrad 10 werden die Abgase weiter
in einer nicht dargestellten Abgasanlage abgeführt. Mit
Hilfe des Leitapparates 1 ist es möglich, die Strömungsrichtung
des Abgases zu variieren, um somit den Wirkungsgrad der Turbine
zu vergrößern. Der Leitapparat 1 besteht
im Wesentlichen aus zwei Seitenwänden 3, 3',
die weitgehend ringförmig und parallel zueinander ausgerichtet
sind. Zwischen den Seitenwänden 3, 3' befinden
sich in 3 erkennbare, schwenkbar angeordnete
Leitschaufeln 4. Durch ein Verschwenken der Leitschaufeln 4 ist – wie
bereits erwähnt – eine Strömungsrichtungsänderung des
heißen Abgases möglich. Damit die Leitschaufeln 4 nicht
an den Seitenwänden 3, 3' reiben, sind Distanzbolzen 2 vorgesehen,
die über den Umfang der Seitenwände 3, 3' verteilt
angeordnet sind. In dem Ausführungsbeispiel aus dem Stand
der Technik sind vier Distanzbolzen 2 vorgesehen. Einerseits sind
die Distanzbolzen 2 in die Seitenwand 3' geschraubt
und ragen andererseits durch eine Bohrung in der zweiten Seitenwand 3 hindurch.
Damit der Leitapparat 1 eine einzige Baueinheit bildet,
werden die Distanzbolzen 2 mit der Seitenwand 3,
auf der der Schraubseite gegenüberliegenden Seite vernietet.
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Durch
den Fügevorgang des Nietens zwischen den Distanzbolzen 2 und
der Seitenwand 3 kann es verfahrensbedingt zu einer Verformung
der Seiten wand 3 kommen. Dies kann zum Verklemmen der Verstelleinheit
bei hoher thermischer Be- und Entlastung führen. Durch
den Fügevorgang des Nietens kommt es ferner zu einer plastischen
Verformung des Nietkopfes. Dies führt zu einer starken
Versprödung des Nietkopfes. Aufgrund der hohen thermischen
Be- und Entlastung der Verstelleinheit kann es somit zum Versagen
(Zerstörung) der Nietverbindung kommen, was schwerwiegende
Funktionsnachteile bei der Regelung und der Verwendung des Abgasturboladers
nach sich zieht. Eine ungenügende Fertigungsgenauigkeit
und Positionierung der Nietverbindung führt weiter zu einer
starken Herabsetzung der Festigkeit der Fügeverbindung.
Daraus kann eine Zerstörung der Nietverbindung resultieren und
eine starke Einschränkung der Funktionsfähigkeit
der Verstelleinheit.
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Um
die Nachteile aus dem Stand der Technik zu vermeiden, wird in den
folgenden 2 bis 6 die erfindungsgemäße
Ausgestaltung anhand eines besonders bevorzugten Ausführungsbeispieles
beschrieben. Hierbei gelten für gleiche Bauteile in allen Figuren
die gleichen Bezugsziffern.
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2 zeigt
die gleiche Aufsicht wie 1, jedoch mit einem erfindungsgemäß ausgestalteten Leitapparat 1.
Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung weisen
die Distanzbolzen 2, die aus der der Schraubverbindung
gegenüberliegenden Seitenwand 3 herausstehen,
einen vergrößerten, in 5 erkennbaren
Kopf 6 auf. Anstelle der Nietverbindungen ist ein Fixierelement 7 vorgesehen,
welches seinerseits Bajonettöffnungen 8 aufweist,
die zu den aus der Seitenwand 2 heraus stehenden Köpfen 6 der Distanzbolzen 2 korrespondieren.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind vier Distanzbolzen 2 sowie vier
korrespondierende Bajonettöffnungen 8 vorgesehen,
wobei die Anzahl in weiteren Ausführungsbeispielen abweichen
kann.
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Erfindungsgemäß werden
die vier Distanzbolzen 2 gleichzeitig mit dem Fixierelement 7 derart fixiert,
dass die Seitenwände zueinander feststehen.
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3 zeigt
die dreidimensionale Aufsicht auf den Leitapparat 1 aus 2.
Deutlich erkennbar sind in 3 die zwischen
den Seitenwänden 3, 3' schwenkbar angeordneten
Leitschaufeln 4 des Leitapparates 1. Mit Hilfe
eines radial zu der Seitenwand 3' angeordneten Verdrehpins 12 ist
es möglich, die Leitschaufeln 4 zwischen den Seitenwänden 3, 3' zu verschwenken
und somit die Strömungsrichtung des Abgases zu verändern.
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4 zeigt
die Aufsicht auf das erfindungsgemäß ausgestaltete
Fixierelement 7 mit vier äquidistant über
den Umfang verteilt angeordneten Bajonettöffnungen 8,
die im Wesentlichen aus einem Langloch mit einer einseitig anschließenden
vergrößerten Bohrung gebildet sind.
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Wie
aus 4a, die einen Schnitt entlang der Schnittlinie
A-A aus 4 darstellt, ersichtlich ist, ist
das Fixierelement 7 als eine Tellerfeder ausgebildet. Somit übernimmt
das Fixierelement 7 gleichzeitig die Federfunktion einer
sonst üblichen Profildichtung, erkennbar in 6.
Die Federkraft ist dabei eine Funktion von Verpressung, Wandstärke
und Durchmesserverhältnis der Tellerfeder. Die Tellerfeder
ist dabei so konstruiert, dass sie eine abdichtende Funktion übernimmt.
Dies erfolgt durch eine mit einem kleinen Winkel α abgeschrägte
Fläche zur Seitenwand 3 und zum Turbinengehäuse 9 im
unverpressten Zustand. Um eine hohe Temperaturbeständigkeit
des Fixierelementes 7 zu erzielen muss ein Werkstoff gewählt
werden, der über ein weites Temperaturband (bis 700°C)
eine gute Zeitstandfestigkeit aufweist. Bevorzugt wird der Werkstoff
Inconel 718 (Nickel-Chrom-Legierung) ausgewählt. Bevorzugt weist
das Fixierelement 7 in dieser Ausgestaltung von radial
außen nach radial innen in axialer Richtung bis über
die Bajonettöffnungen 8 einen Federwinkel α zwischen
0,5° und 10° auf, der sich anschließend
bis auf maximal 45° vergrößert.
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Dargestellt
ist der Federwinkel α in 4b, einer
Ausschnittsvergrößerung der 4a.
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5 zeigt
einen Schnitt durch einen Distanzbolzen 2. Der Distanzbolzen 2 weist
zwei, den Abstand der Seitenwände 3, 3' bestimmende
radial umlaufende Anschläge 13 auf. Auf einer
Seite weist der Distanzbolzen 2 ein Gewinde 14 auf,
mit dem der Distanzbolzen 2 in die Seitenwand 3' einschraubbar ist.
Nach einer Montage der Seitenwand 3 wird auf der dem Gewinde
gegenüber liegenden Seite des Gewindebolzens 2 das
Fixierelement 7 mit seinen Bajonettöffnungen 8 über
die aus der Seitenwand 3 herausstehenden Köpfe 6 geschoben.
Anschließend wird das Fixierelement 7 so weit
verdreht, dass die Seitenwand 3 gegenüber der
Seitenwand 3' lagefixiert ist.
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6 zeigt
einen Schnitt durch ein Turbinengehäuse 9 mit
einem erfindungsgemäßen Leitapparat 1.
In 6 ist erkennbar, wie das Fixierelement 7 einerseits
gegen die Seitenwand 3 und andererseits gegen das Turbinengehäuse 9 abgestützt
ist. Durch diese Ausgestaltung übernimmt das Fixierelement 7 die
Federfunktion einer sonst üblichen Profildichtung. Weiter
ist in 6 das radial innen im Leitapparat 1 liegende
Turbinenrad 10 ersichtlich.
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Durch
die erfindungsgemäße Ausgestaltung werden die
Fertigungs- und Montageschritte deutlich reduziert, die Robustheit
der Verstelleinheit und damit die Lebensdauer des Leitapparates 1 gesteigert. Weiter
wird die Anzahl der benötigten Bauteile reduziert, da die
sonst üblich benötigten Unterlegscheiben für
die Vernietung entfallen. Somit wird insgesamt eine deutliche Kostenreduzierung
erzielt.
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- 1
- Leitapparat
- 2
- Distanzbolzen
- 3,
3'
- Seitenwand
- 4
- Leitschaufel
- 5
- Bohrung
- 6
- Kopf
- 7
- Fixierelement
- 8
- Bajonettöffnungen
- 9
- Turbinengehäuse
- 10
- Turbinenrad
- 11
- Turbineneinlauf
- 12
- Verdrehpin
- 13
- Anschlag
- 14
- Gewinde
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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