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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft ein Verdichterrad eines Radialverdichters insbesondere
eines Turboladers für Kraftfahrzeuge
mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein
Verfahren zur Herstellung eines solchen Verdichterrades.
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Stand der Technik
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Strömungsmaschinen,
die mechanisch, elektrisch oder über
Abgas angetrieben sind, werden in der Motorentechnik insbesondere
bei Kraftfahrzeugen zur Leistungs- und Wirkungsgradsteuerung eingesetzt,
indem sie angesaugte Frischluft auf ein gegenüber dem Umgebungsdruck erhöhtes Druckniveau
verdichten.
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Üblicherweise
werden derartige Strömungsmaschinen
als Turbolader mit einem Radialverdichter ausgeführt. Das Verdichterrad eines
solchen Radialverdichters weist einen etwa konischen, um eine Drehachse
drehbaren Grundkörper
auf, an dessen Mantelfläche
Verdichterschaufeln einteilig angeformt sind. Solche Verdichterräder werden
bei Abgasturboladern im Regelfall aus Metall gefertigt, da hier
sehr hohe Temperaturen und Drücke
vorherrschen. Es werden aber auch mechanisch bzw. elektrisch angetriebene
Verdichter eingesetzt, bei denen das Verdichterrad geringeren Belastungen
ausgesetzt ist. Dennoch werden auch hier metallische Werkstoffe für das Verdichterrad
bevorzugt.
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In
allen Fällen
ist als Nachteil zu beobachten, dass die hohe Masse des metallischen
Verdichterrades bei den typischerweise sehr hohen Drehzahlen schwierig
zu handhaben ist. Insbesondere ist das Auftreten einer Unwucht unbedingt
zu vermeiden.
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Wirkungsgradstarke
Verdichter im Hochleistungsbereich, wie sie insbesondere in Abgasturboladern
zum Einsatz kommen, weisen eine sehr komplexe dreidimensionale Geometrie
auf. Diese erzeugt aus fertigungs- bzw. gießtechnischer Sicht Hinterschnitte,
die nur mit vielen beweglichen Werkzeugelementen oder sogar mit
verlorenen Kernen entformbar sind. Die metallischen Verdichterräder werden mittels
Wachsausschmelzverfahren hergestellt, anschließend einer Wärmebehandlung
unterzogen und danach auf Maß mechanisch
nachbearbeitet. Abschließend
erfolgt eine Auswuchtung. Das vorstehend beschriebene Fertigungsverfahren
ist mit hohen Herstellkosten verbunden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verdichterrad
derart weiterzubilden, dass eine hochpräzise Herstellung mit einfachen
Mitteln möglich
ist.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verdichterrad mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
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Der
Erfindung liegt des Weiteren die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
anzugeben, mit dem ein Verdichterrad mit verringertem Aufwand unter
Einhaltung geringer Maß-
und Massetoleranzen hergestellt werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
8 gelöst.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
wird ein Verdichterrad eines Radialverdichters vorgeschlagen, dessen
Grundkörper
zweiteilig ausgeführt
ist. Ein erstes Grundkörperteil
trägt einen
ersten Satz von ersten Verdichterschaufeln, während ein zweites Grundkörperteil
einen zweiten Satz von zweiten Verdichterschaufeln trägt. Das
erste und das zweite Grundkörperteil
werden in einem entsprechenden Verfahrensschritt derart koaxial
zusammengefügt
und insbesondere miteinander verrastet, dass in Umfangsrichtung
auf je eine erste Verdichterschaufel je eine zweite Verdichterschaufel folgt.
Hierdurch ist die Möglichkeit
eröffnet,
die beiden Grundkörperteile
als separate Einzelteile vorzufertigen. Hierbei fehlen die Schaufeln
des jeweils einen Schaufelsatzes in Umfangsrichtung zwischen den
Verdichterschaufeln des anderen Schaufelsatzes. In Umfangsrichtung
ist der Abstand zwischen den einzelnen Verdichterschaufeln eines
einzelnen Grundkörperteils
deutlich vergrößert. Es
können
erheblich vereinfachte Formwerkzeuge mit kleinen oder nur geringen
Hinterschnitten eingesetzt werden. Dies vereinfacht einerseits den
Werkzeug- und Fertigungsaufwand. Andererseits entstehen geringe Maßtoleranzen,
was der Fertigungspräzision
bzw. der Bauteilgenauigkeit zugute kommt. Systembedingt verlaufen
die Trennlinien zwischen den beiden Grundkörperteilen etwa parallel zur
Durchströmungsrichtung
entlang der Schaufelwurzeln bzw. um diese herum. Fugen in diesem
Bereich haben keinen nachteiligen oder allenfalls nur einen vernachlässigbaren Einfluss
auf die durch das Verdichterrad durchgeführte Luftströmung. Der
Aufwand für
die Nachbearbeitung und insbesondere für das Auswuchten ist verringert.
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In
vorteilhafter Weiterbildung weist das erste Grundkörperteil
auf der Abströmseite
für jede
Verdichterschaufel mindestens je eine radiale Stützrippe auf. Das zweite Grundkörperteil
weist auf der Abströmseite
eine senkrecht zur Drehachse liegende, die Verdichterschaufel stützende Bodenplatte
auf. Dabei sind die Stützrippen
des ersten Grundkörperteils
an der Bodenplatte des zweiten Grundkörperteils gehalten. Insbesondere
ist die Bodenplatte mit Aufnahmevertiefungen für die Stützrippen versehen. Im montierten
Zustand sind die Stützrippen
und damit die Fußpunkte
der ersten Verdichterschaufel insbesondere formschlüssig an
der Bodenplatte fixiert. Die Stützrippen
und die Bodenplatte versteifen sich gegenseitig, wodurch eine hochbelastbare
und dauerhaft formstabile Baugruppe entsteht, die trotz der auftretenden
Betriebslasten dünnwandig
und damit leichtgewichtig ausgeführt
sein kann. Das Auftreten von Kreiselmomenten, Unwuchten oder dergleichen ist
verringert.
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Das
erste und das zweite Grundkörperteil sind
bevorzugt axial ineinander gesteckt. Durch das axiale Ineinanderstecken
kann beim fertigen Verdichterrad eine Rotationssymmetrie sichergestellt
werden, wodurch die Gefahr einer Unwuchtbildung weiter verringert
ist. Zur Verringerung des Fertigungsaufwandes kann eine Verrastung
der beiden Grundkörperteile
miteinander zweckmäßig sein.
Alternativ oder zusätzlich
führt eine
unlösbare
Verbindung insbesondere in Form einer Verklebung oder einer Verschweißung zu
einer formgenauen, hochbelastbaren und dauerhaften Fügung der
beiden Grundkörperteile,
die ohne oder allenfalls mit nur geringen Nacharbeiten im Bereich
der Fuge auskommt. Die koaxiale und axial ineinandergesteckte Bauweise
führt zu großflächigen,
geschwungenen Trennlinien bzw. Stoßflächen, die eine innige, hochbelastbare
Verbindung der beiden Grundkörperteile
begünstigt.
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Grundsätzlich kann
das erfindungsgemäße Verdichterrad
aus einem metallischen Werkstoff gefertigt werden. Bevorzugt sind
der Grundkörper
des Verdichterrades bzw. dessen beiden Grundkörperteile einschließlich der
Verdichterschaufeln aus Kunststoff und insbesondere aus Polyetheretherketon (PEEK)
spritzgegossen. Die erfindungsgemäße Bauweise des Verdichterrades
erlaubt trotz der komplexen Geometrie eine wirtschaftliche und hochgenaue Fertigung
auf dem Wege des Kunststoffspritzgießens. Das Gesamtgewicht des
Verdichterrades ist dabei gegenüber
einer metallischen Bauweise deutlich verringert, womit auch die
Gefahr einer Unwuchtbildung verringert ist. Gegebenenfalls kann
auf eine anschließende
Auswuchtung vollständig
verzichtet werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeichnung näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 in
perspektivischer Darstellung ein erfindungsgemäß ausgeführtes Verdichterrad mit axial ineinandergesteckten
Grundkörperteilen,
die in Umfangsrichtung abwechselnd aufeinander folgende erste und
zweite Verdichterschaufeln tragen,
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2 eine
Explosionsdarstellung des Verdichterrades nach 1 mit
Einzelheiten zur Ausgestaltung der beiden Grundkörperteile,
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3 eine
perspektivische Bodenansicht des Verdichterrades nach 1 mit
Details im Bereich der Bodenplatte.
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Ausführungsform(en)
der Erfindung
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1 zeigt
in perspektivischer Darstellung ein erfindungsgemäß ausgeführtes Verdichterrad 1 eines
nicht näher
dargestellten Radialverdichters. Der Radialverdichter ist Teil eines
Abgasturboladers für
ein Kraftfahrzeug. Es können
jedoch auch andere Bauformen und Anwendungsfälle zweckmäßig sein.
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Das
Verdichterrad 1 umfasst einen um eine Drehachse 4 drehbaren
Grundkörper 5 mit
einer äußeren Mantelfläche 6.
Auf der Mantelfläche 6 sind
in Umfangsrichtung verteilt Verdichterschaufeln 7, 8 angeordnet
bzw. am Grundkörper 5 angeformt.
Im Betrieb dreht sich das Verdichterrad 1 um die Drehachse 4 in
Richtung eines Pfeiles 20. Infolge der Drehung saugen die
Verdichterschaufeln 7, 8 Luft von einer Anströmseite 2 des Verdichterrades 1 an
und blasen diese mit erhöhtem
Druck an einer Abströmseite 3 des
Verdichterrades 1 aus. Die Mantelfläche 6 des Grundkörpers 5 ist
näherungsweise
konisch ausgebildet und dabei konkav gewölbt. Dies führt in Verbindung mit der geometrischen
Formgebung der Verdichterschaufeln 7, 8 dazu,
dass der durch einen Pfeil 21 angegebene Luftstrom axial
auf die Anströmseite 3 auftrifft
und in etwa radial die Abströmseite 3 verlässt.
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Im
Bereich der Anströmseite 2 weist
die Mantelfläche 6 einen
bestimmten Minimaldurchmesser auf. In diesem Bereich ist eine eingangsseitige Stirnfläche 26 des
Grundkörpers 5 gebildet,
die für eine
gute Anströmung
im fertig montierten Zustand mit einer etwa sphärischen, nicht dargestellten
Nasenkappe abgedeckt ist. Gegenüberliegend
ist der Grundkörper 5 durch
eine abströmseitige
Bodenplatte 12 begrenzt.
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Für einen
hohen Wirkungsgrad bei geringer Geräuschentwicklung sind mindestens
zwei verschiedene Verdichterschaufeln 7, 8 in
Gruppen angeordnet, wobei bezogen auf die Umfangsrichtung erste
Verdichterschaufeln 7 und zweite Verdichterschaufeln 8 abwechselnd
aufeinander folgen. Es kann aber auch zweckmäßig sein, dass die Verdichterschaufeln 7, 8 identisch
sind, oder aber dass mehr als zwei solcher wechselseitig aufeinander
folgenden Sorten vorgesehen sind.
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Die
ersten Verdichterschaufeln 7 weisen auf ihrer der Anströmseite 2 zugewandten
Seite eine Anströmkante 14 auf.
Stromab der Anströmkante 14 sind
die Verdichterschaufeln 7 mit einem bezogen auf die Drehrichtung 20 konkav
gewölbten
Anströmabschnitt 15 versehen.
Die konkave Seite des Anströmabschnittes 15 liegt
also in der durch den Pfeil 20 angegebenen Drehrichtung.
In der durch den Pfeil 21 angegebenen Durchströmungsrichtung
folgt auf den Anströmabschnitt 15 ein
im Wesentlichen nicht gewölbter,
nicht bezeichneter Übergangsabschnitt,
auf den wiederum ein bis zur Abströmseite 3 reichender
Abströmabschnitt 16 folgt.
Der Abströmabschnitt 16 ist
bezogen auf die Drehrichtung 20 entgegengesetzt zum Anströmabschnitt 15 gewölbt.
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Die
jeweils zweiten Verdichterschaufeln 8 weisen ihrerseits
Anströmkanten 17 auf,
die in der durch den Pfeil 21 angegebenen Strömungsrichtung und
damit auch in Axialrichtung gegenüber den Anströmkanten 14 der
ersten Verdichterschaufeln 7 zurückversetzt angeordnet sind.
Hierbei liegt je eine zweite Verdichterschaufel 8 zwischen
je zwei Verdichterschaufeln 7 im Bereich von deren Übergangsabschnitt
beziehungsweise Abströmabschnitt 16.
Im Bereich der Anströmabschnitte 15 liegen
jedoch in der Drehrichtung 20 keine zweiten Verdichterschaufeln 8 zwischen
benachbarten ersten Verdichterschaufeln 7.
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Der
in 1 gezeigte Grundkörper 5 ist zweiteilig
ausgeführt
und umfasst ein erstes Grundkörperteil 9 sowie
ein zweites Grundkörperteil 10.
Am ersten Grundkörperteil 9 sind
sämtliche
erste Verdichterschaufeln 7 einteilig und materialeinheitlich angeformt,
während
am zweiten Grundkörperteil 10 sämtliche
zweite Verdichterschaufeln 8 einteilig und materialeinheitlich
angeformt sind. Das erste Grundkörperteil 9 und
das zweite Grundkörperteil 10 sind
in weiter unten näher
beschriebener Weise derart koaxial zur Drehachse 4 zusammengefügt, dass
in Umfangsrichtung auf je eine erste Verdichterschaufel 7 je
eine zweite Verdichterschaufel 8 folgt. Es kann aber auch
zweckmäßig sein,
drei oder mehr Grundkörperteile
mit je einem eigenen Satz von Verdichterschaufeln vorzusehen und
diese in vorgenannter Weise koaxial zu fügen.
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2 zeigt
eine Explosionsdarstellung des Grundkörpers 5 nach 1 mit
Einzelheiten zur Ausgestaltung seiner beiden Grundkörperteile 9, 10.
Das erste Grundkörperteil 9 weist
mittig eine Nabe 19 auf, auf deren radialen Außenseite
die Verdichterschaufeln 7 mit in Umfangsrichtung gleichmäßigem Abstand
zueinander angeordnet sind. Zwischen den einzelnen Verdichterschaufeln 7 sind
in der Nabe 19 jeweils Aussparungen 22 gebildet,
die zur Aufnahme je einer Verdichterschaufel 8 des zweiten
Grundkörperteiles 10 vorgesehen
sind.
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Das
erste Grundkörperteil 9 weist
ferner auf seiner der Abströmseite 3 zugewandten
Seite für jede
Verdichterschaufel 7 mindestens je eine radiale Stützrippe 11 auf.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist
jede Verdichterschaufel 7 auf ihrer der Bodenplatte 12 zugewandten
Stirnseite mit je zwei Stützrippen 11 ausgesteift,
die radial außenseitig
durch eine Umfangswand etwa U-förmig
miteinander verbunden sind, und die radial innenseitig fest mit
der Nabe 19 verbunden sind. Zur Gewichtsersparnis ist zwischen den
Stützrippen 11 ein
Hohlraum 27 vorgesehen. Radial innenseitig ist noch auf
der der Bodenplatte 12 zugewandten Stirnfläche ein
zentrischer Ringbund 28 vorgesehen.
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Das
zweite Grundkörperteil 10 trägt auf der Abströmseite 3 die
senkrecht zur Drehachse 4 (1) liegende
Bodenplatte 12 sowie die in Umfangsrichtung in gleichmäßigem Abstand
zueinander angeordneten Verdichterschaufeln 8. Die Verdichterschaufeln 8 sind
radial innenseitig der Mantelfläche 6 durch
Seitenwände 23 gegen
die Bodenplatte 12 abgestützt. Zwischen je zwei Verdichterschaufeln 8 weist
die Bodenplatte 12 je eine Aufnahmevertiefung 13 für die Stützrippen 11 der
jeweils zugeordneten Verdichterschaufel 7 auf. Die Aufnahmevertiefungen 13 sind
dabei in Umfangsrichtung durch die Seitenwände 23 begrenzt. Des
Weiteren ist die Bodenplatte 12 noch mit einer zentrischen
Kreisöffnung 29 versehen.
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Die
beiden vorstehend beschriebenen Grundkörperteile 9, 10 werden
als Einzelteile separat gefertigt. Anschließend wird das zweite Grundkörperteil 10 entsprechend
einem Pfeil 24 axial in das erste Grundkörperteil 9 eingesteckt.
Die Seitenwände 23 des
zweiten Grundkörperteils 10 liegen
dabei spaltfrei an den Innenwänden
der jeweiligen Aussparung 22 an, wodurch, wie in 1 dargestellt,
um die jeweilige Wurzel der zweiten Verdichterschaufel 8 bogenförmig umlaufende
Trennlinien 18 entstehen.
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3 zeigt
eine perspektivische Bodenansicht des Grundkörpers 5 nach den 1 und 2 mit
Details im Bereich der Bodenplatte 12, wobei die beiden
Grundkörperteile 9, 10 nach 2 fertig
montiert sind. Es ist zu erkennen, dass beide jeweils einer Verdichterschaufel 7 des
ersten Grundkörperteils 9 zugeordnete
Stützrippen 11 in
Umfangsrichtung spaltfrei an der jeweils benachbarten Seitenwand 23 der
Aufnahmevertiefung 13 in der Bodenplatte 12 anliegen.
Die Stützrippen 11 stehen
innerhalb der Aufnahmevertiefung 13 in Axialrichtung auf
der Bodenplatte 12 auf. Des Weiteren greift der zentrische Ringbund 28 des
ersten Grundkörperteils 9 in
die zentrische Kreisöffnung 29 des
zweiten Grundkörperteils 10 ein.
Hierdurch ist eine formschlüssige,
sich gegenseitig stützende
Verbindung der beiden Grundkörperteile 9, 10 im
Bereich der Bodenplatte 12 gegeben.
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Des
weiteren ist in 3 noch zu erkennen, dass die
Bodenplatte 12 zwischen den Aufnahmevertiefungen 13 unterbrochen
ist. An diesen Stellen sind Hohlräume 25 gebildet, die
in Umfangsrichtung von jeweils zwei einer einzelnen Verdichterschaufel 8 zugeordneten
Seitenwänden 23 begrenzt
sind. Hierdurch ist eine dünnwandige,
leichtgewichtige Bauweise des zweiten Grundkörperteils 10 vergleichbar zum
ersten Grundkörperteil 9 mit
den Hohlräumen 27 (2)
gegeben.
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Die
beiden Grundkörperteile 9, 10 entsprechend
der Detaildarstellung nach 2 können aus einem
metallischen Werkstoff, beispielsweise aus Leichtmetallguss hergestellt
sein. Im gezeigten Ausführungsbeispiel
handelt es sich in beiden Fällen
um Spritzgussbauteile aus Kunststoff, wobei bevorzugt ein thermoplastischer
Kunststoff, hier PEEK (Polyetheretherketon) gewählt ist. Es kann auch PPS (Polyphenylsulfid)
oder PA (Polyamid) zweckmäßig sein, wobei
die Kunststoffe mit einem hohen Anteil an Zusatzstoffen gefüllt sein
können.
Die beiden als separate Einzelteile hergestellten Grundkörperteile 9, 10 sind
miteinander beispielsweise durch Eingriff der Stützrippen 11 in die
jeweilige Aufnahmevertiefung 13 sowie durch Eingriff des
Ringbundes 28 in die Kreisöffnung 29 formschlüssig verrastet.
Alternativ oder zusätzlich
sind sie an ihren aneinander angrenzenden, durch die Trennlinie 18 nach 1 angegebenen
Stoßflächen miteinander
verklebt oder verschweißt.