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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Gehäuse für einen
Radialverdichter nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Stand der Technik
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In
der
DE 103 14 209
B3 wird ein Radialverdichter als Teil eines Abgasturboladers
beschrieben, der aus zwei schalenförmigen Gehäuseteilen
zusammengesetzt ist, welche aus einem Duroplast-Werkstoff gespritzt
sind.
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Dieser
Werkstoff weist eine hohe Dichte auf, so dass im Vergleich zu sonst üblichen
Ladergehäusen aus Metall kein Gewichtsvorteil besteht.
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Dem
großen Gewicht wird in der
DE 103 14 209 B3 versucht entgegenzuwirken,
indem in eines der Gehäuseteile kammerförmige
Aussparungen eingebracht sind, die durch Trennwände voneinander separiert
sind und sich im wesentlichen konzentrisch um eine Lufteintrittsachse
erstrecken.
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Bei
Radialverdichtern muss eine ausreichende Betriebssicherheit gewährleistet
sein. Aufgrund der hohen Raddrehzahlen von Turboladern besteht die
Gefahr, dass bei einer Beschädigung des Verdichterrades
Metallsplitter das Gehäuse des Verdichters durchdringen
und Bauteile im Motorraum der Brennkraftmaschine beschädigen.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein leicht bauendes Gehäuse
für einen Radialverdichter zu schaffen, bei dem im Falle
der Beschädigung des Verdichterrades die Gefahr von umher
fliegenden Metallsplittern reduziert ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen
des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben
zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Das
erfindungsgemäße Gehäuse für
einen Radialverdichter besteht aus mindestens zwei aus Kunststoff
gefertigten Gehäuseteilen, die einerseits zur Aufnahme
eines Verdichterrades ausgebildet sind und zwischen denen andererseits
ein spiralförmiger Verdichterkanal gebildet ist. Des Weiteren weist
das Gehäuse ein das Verdichterrad zumindest teilweise ringförmig
umschließendes und Versteifungselemente aufweisendes Stabilisierungselement auf,
das einteilig mit einem Gehäuseteil ausgebildet ist. Das
Stabilisierungselement bewirkt eine erheblich größere
Steifigkeit und Festigkeit des Gehäuses, wodurch die Sicherheit
im Falle eines Bruchs des Verdichterrades signifikant gesteigert
ist. Absplitternde Radteile, die aufgrund der hohen Umdrehungsgeschwindigkeit
des Verdichterrades tangential nach außen geschleudert
werden, treffen auf das Stabilisierungselement auf, welches die
Wandungen des Gehäuses verstärkt und einer Verformung
bzw. einem Bruch aufgrund der kinetischen Energie der Radteile entgegenwirkt.
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Gemäß einer
ersten vorteilhaften Ausführung befindet sich das Stabilisierungselement
in einem als Ringraum ausgeführten Hohlraum, der zwischen
einem Verdichterradaufnahmeraum und dem spiralförmigen
Ver dichterkanal angeordnet ist. Dieser Ringraum schließt
sich somit unmittelbar in Radialrichtung an das Verdichterrad an,
wobei das im Ringraum befindliche Stabilisierungselement bei einem Unfall
Bruchstücke des Verdichterrades abfängt.
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Der
Ringraum ist vorzugsweise von zwei Gehäuseteilen begrenzt,
bei denen es sich insbesondere um eine innen liegende, den Verdichterradaufnahmeraum
bildende Laufschale und ein Verdichterfrontteil handelt, welches
auf die Laufschale aufgesetzt wird. Das Stabilisierungselement ist
vorzugsweise einteilig mit der Laufschale ausgebildet, wobei grundsätzlich
zusätzlich oder alternativ auch eine einteilige Ausführung
des Stabilisierungselements mit dem Verdichterfrontteil in Betracht
kommt. Bei einer einteiligen Ausbildung mit der Laufschale erstreckt
sich das Stabilisierungselement von der Laufschalenwandung aus radial
nach außen in den Ringraum hinein.
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Gemäß einer
zweiten vorteilhaften Ausführung ist das Stabilisierungselement
einteilig mit einer Verdichterrückwand des Gehäuses
ausgebildet. In diesem Fall ist es vorteilhaft, dass sich das Stabilisierungselement
entlang der radialen Außenseite der Verdichterrückwand
erstreckt. Somit umschließt das Stabilisierungselement
das Gehäuse und damit auch das Verdichterrad entlang der
Gehäuseaußenwand, wobei absplitternde Radteile
zunächst von Wandungen gebremst werden, die sich im Gehäuseinneren befinden,
und erst nach dem Durchschlagen dieser radial innen liegenden Wandungen
auf das Stabilisierungselement treffen, welches dem gesamten Gehäuse
zusätzlich Stabilität verleiht und insbesondere für
eine ausreichende Sicherheit gegen ein Durchschlagen des Gehäuses
von abgesplitterten Radteilen sorgt. Da die Radteile von den weiter
innen liegenden Wandungen abgebremst werden, genügt es grundsätzlich,
das Stabilisierungselement mit geringerer Stärke auszuführen.
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Grundsätzlich
ist es auch möglich, sowohl ein innen liegendes Stabilisierungselement
vorzusehen, welches zweckmäßigerweise in dem das
Verdichterrad umschließenden Ringraum angeordnet ist, als
auch das zusätzliche, radial außen liegende Stabilisierungselement
auf der Gehäuseaußenseite anzuordnen.
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Die
Versteifungselemente des Stabilisierungselements sind vorzugsweise
als radiale Versteifungsrippen ausgebildet, die sich in regelmäßigem oder
unregelmäßigem Abstand entlang der Länge des
Stabilisierungselementes in Radialrichtung erstrecken. Über
die Länge des Stabilisierungselementes gesehen, welches
sich in Umfangsrichtung des Gehäuses erstreckt, können
die Versteifungsrippen eine wechselnde radiale Ausdehnung aufweisen,
die an die Gegebenheiten im bzw. am Gehäuse des Radialverdichters
angepasst ist, insbesondere im Falle des innen liegenden Stabilisierungselementes
an die Form des aufnehmenden Hohlraumes.
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Zur
weiteren Verbesserung der Stabilität kann im Stabilisierungselement
ein Verbindungssteg vorgesehen sein, der die einzelnen Versteifungs rippen
miteinander verbindet und sich in Längsrichtung des Stabilisierungselementes
erstreckt. Der Verbindungssteg hat eine erhebliche Steigerung der
Festigkeit und der Stabilität zur Folge, insbesondere in Richtung
der Längsachse des Stabilisierungselementes und damit auch
quer zur Ebene der einzelnen Versteifungsrippen.
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Die
Gehäuseteile sind vorzugsweise aus Kunststoff gefertigt,
insbesondere aus einem thermoplastischen Kunststoff, der zum Einsatz
im Spritzgussverfahren geeignet ist, beispielsweise Polyphenylensulfid
(PPS).
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Über
den Umfang verteilt können auch mehrere einzelne Stabilisierungselemente
vorhanden sein, die jeweils mit Versteifungselementen versehen sind.
Sowohl in dem Ringraum, welcher unmittelbar das Verdichterrad umschließt,
als auch auf der Außenseite des Gehäuses können
jeweils nur ein oder auch mehrere Stabilisierungselemente angeordnet sein.
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In
Achsrichtung erstreckt sich der Ringraum vorteilhafterweise zumindest über
die Achslänge des Verdichterrades, wobei ggf. auch eine
Erstreckung im Wesentlichen über die Länge eines
der Gehäuseteile in Betracht kommt, welches den Ringraum
begrenzt.
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In
Radialrichtung weist der Ringraum eine Erstreckung auf, die das
Einsetzen des Stabilisierungselementes erlaubt. Bezogen auf die
Wandstärke der begrenzenden Wandung liegt die radiale Erstreckung
bevorzugt bei einem Mehrfachen der Wandstärke, beispielsweise
beim Drei- bis Fünffachen der Wandstärke. Des
Weiteren kann es zweckmäßig sein, die ra diale
Erstreckung des Ringraumes über den Umfang gesehen an die
Form des spiralförmigen Verdichterkanals anzupassen. Da
der Verdichterkanal in Umfangsrichtung einen veränderlichen Durchmesser
aufweist, steht in Abschnitten kleineren Durchmessers des Verdichterkanals
eine größere radiale Erstreckung für
den Ringraum zur Verfügung als in Abschnitten mit größerem
Durchmesser.
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Die
Herstellung des Verdichtergehäuses aus dem thermoplastischen
Kunststoff, insbesondere aus PPS, weist den Vorteil der leichten
Herstellbarkeit sowie der guten Recycelbarkeit auf. Bei der Herstellung im
Spritzgussverfahren kann auf eine Kernschmelztechnik verzichtet
werden, es erfolgt lediglich eine Herstellung im Spritzgussverfahren
mittels einfach aufgebauter, auf- und zuklappbarer Werkzeuge. Ein weiterer
Vorteil liegt in der Herstellung komplexer Geometrien des Gehäuses,
beispielsweise einem Spiralkanal mit mehreren Hinterschnitten. Schließlich lassen
sich thermoplastische Kunststoffe mit hoher Maßgenauigkeit
herstellen, so dass auf eine Nacharbeit verzichtet werden kann bzw.
sich diese in Grenzen hält. Außerdem ist der thermoplastische
Kunststoff hitzebeständig, druckdicht und weist bei einem geringen
Gewicht gute Schall isolierende Eigenschaften auf.
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Ein
weiterer Vorteil liegt in der Möglichkeit, Gehäuseteile
mit konstanten Wandstärken auszubilden, so dass Materialanhäufungen
vermieden werden und das Risiko von Lunkerbildung reduziert ist.
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Die
Gehäuseteile können zusammengeschweißt
werden, insbesondere im Wege des Ultraschallschweißens.
Um die für den Schweißvorgang erforderliche Ultraschallsonde
(Sonotrode) in einfacher Weise an der vorgesehenen Schweißnaht
positionieren zu können, befindet sich vorteilhafterweise der
Kontaktbereich zwischen den zu verschweißenden Gehäuseteilen
benachbart zu einer axialen Stirnseite des Gehäuses, insbesondere
benachbart zur Anströmseite. Außerdem liegen die
Kontaktbereiche zwischen den Gehäuseteilen vorzugsweise
mit Abstand zum spiralförmigen Verdichterkanal, sie sind damit
aus dem kritischen Spiralbereich herausgenommen, so dass die Luftführung
an der Innenseite der Spirale nicht durch einen unerwünschten,
durch das Schweißen erzeugten Austrieb in der Wandung beeinträchtigt
wird.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführung besteht das Gehäuse
insgesamt aus drei Gehäuseteilen, bei denen es sich um
das Verdichterfrontteil, die Verdichterrückwand und die
innen liegende Laufschale handelt. Verdichterfrontteil und Verdichterrückwand
bilden die äußeren Gehäuseteile, zwischen
denen die Laufschale positioniert ist, welche zur Aufnahme des Verdichterrades
dient. Der Ringraum ist vorzugsweise zwischen der Laufschale und
dem Verdichterfrontteil gebildet. Sowohl im Ringraum als auch an
der Verdichterrückwand können jeweils einteilige
ausgebildete Stabilisierungselemente vorgesehen sein.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Vorteile und zweckmäßige Ausführungen
sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und
den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 einen
Schnitt durch ein Gehäuse für einen Radialverdichter,
bestehend aus drei einzelnen Gehäuseteilen aus thermoplastischem
Kunststoff, wobei zwischen einer innen liegenden Laufschale und
einem Verdichterfrontteil ein den Verdichterradaufnahmeraum umgreifender
Ringraum mit darin aufgenommenen Stabilisierungselement mit Versteifungsrippen
gebildet und das Stabilisierungselement einteilig mit der Laufschale
ausgebildet ist,
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2 eine
perspektivische Ansicht auf das Gehäuse, jedoch ohne Verdichterfrontteil,
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3 eine
perspektivische Ansicht des fertig montierten Gehäuses
einschließlich Verdichterfrontteil,
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4 eine
perspektivische Ansicht auf die Laufschale mit dem Stabilisierungselement
mit Versteifungsrippen,
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5 eine
perspektivische Ansicht auf die Verdichterrückwand mit
einteiligem Stabilisierungselement einschließlich Versteifungsrippen
auf der radialen Außenseite.
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In
den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Das
in 1 dargestellte Gehäuse 1 für
einen Radialverdichter ist Bestandteil eines Abgasturboladers einer
Brennkraftmaschine, bei der die Abgase einer Brennkraftmaschine
ein Turbinenrad antreiben, welches drehfest mit einem Verdichterrad verbunden
ist, das im Gehäuse 1 drehbar gelagert ist. Durch
die Rotation des Verdichterrades wird Verbrennungsluft im Ansaugtrakt
angesaugt und auf einen erhöhten Ladedruck verdichtet,
unter dem die Verbrennungsluft den Zylindern der Brennkraftmaschine
zugeführt wird.
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Das
Gehäuse 1 ist dreiteilig aufgebaut und umfasst
eine Verdichterrückwand 2, ein Verdichterfrontteil 3 und
eine innen liegende Laufschale 4, die einen Verdichterradaufnahmeraum 5 zur
Aufnahme und Lagerung des Verdichterrades begrenzt, das im Ausführungsbeispiel
mit Bezugszeichen 7 versehen und nur andeutungsweise mit
gestrichelter Linie dargestellt ist. Die Verbrennungsluft wird dem
Verdichterrad 7 über einen Ansaugstutzen 6 axial
zugeführt, der im Verdichterfrontteil 3 gebildet
ist. Die komprimierte Verbrennungsluft wird radial über
einen Diffusor 9 in einen spiralförmigen Verdichterkanal 8 geleitet,
der von dem Verdichterfrontteil 3 und der Verdichterrückwand 2 begrenzt
ist und in einen Auslassstutzen mündet, über den
die komprimierte Verbrennungsluft schließlich den Zylindern
der Brennkraftmaschine zugeführt wird.
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Zwischen
dem Verdichterfrontteil 3 und der Laufschale 4 ist
ein umlaufender Ringraum 10 gebildet, der den Verdichterradaufnahmeraum 5 radial umschließt
und von dem Verdichterradaufnahmeraum 5 über die
Wandung der Laufschale 4 strömungsdicht separiert
ist. Der Ringraum 10 weist im Wesentlichen die gleiche
axiale Erstreckung auf wie die Laufschale 4 und damit auch
der Verdichterradaufnahmeraum 5.
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Im
Ringraum 10 befindet sich ein Stabilisierungselement 11,
das einteilig mit der Laufschale 4 ausgebildet ist und
auf der radialen Außenseite der stutzenförmigen
Wandung der Laufschale angeordnet ist. Das Stabilisierungselement 11 besteht
aus einer Vielzahl einzelner Versteifungsrippen 12, die
sich jeweils in Radialrichtung ausgehend von der Außenseite
der stutzenförmigen Wandung erstrecken und gegebenenfalls
eine zusätzliche Komponente in Umfangsrichtung aufweisen.
Die Versteifungsrippen 12 befinden sich innerhalb des Ringraumes 10 und
verteilen sich in Umfangsrichtung über die Länge
des Ringraumes. In Radialrichtung füllen die Versteifungsrippen 12 den
Ringraum 10 vollständig aus, so dass die radial
außen liegende, freie Stirnseite der Versteifungsrippen
an der Innenseite der radial außen liegenden Begrenzungswand
des Ringraumes 10 anliegt. Das Stabilisierungselement 11 schließt das
Verdichterrad 7 ein und übernimmt zusätzlich
zur Stärkung des Gehäuses 1 auch eine
Sicherheitsfunktion bei einem Unfall, indem absplitternde Radteile des
Verdichterrades 7, die tangential nach außen geschleudert
werden, von dem Stabilisierungselement 11 aufgefangen werden.
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Die
Gehäuseteile 2, 3, 4 bestehen
aus thermoplastischem Kunststoff und werden im Wege des Ultraschallschweißens
zusammengefügt. Dies erfolgt in der Weise, dass eine Sonotrode
an die Kontaktbereiche 14 zwischen Verdichterrückwand 2 und Verdichterfrontteil 3 bzw. 15 zwischen
Laufschale 4 und Verdichterfrontteil 3 gesetzt
wird, um den Prozess des Ultraschallschweißens durchzuführen.
Der erste Kontaktbereich 14 zwischen Verdichterrückwand 2 und
Verdichterfrontteil 3 befindet sich im radial außen
liegenden Bereich, benachbart zur Stirnseite, die die Anströmseite
des Gehäuses bildet. Der Kontaktbereich 15 liegt
demgegenüber radial nach innen versetzt zwischen der Laufschale 4 und
dem Verdichterfrontteil 3 unmittelbar benachbart zum Verdichterradaufnahmeraum 5,
jedoch ebenfalls auf der der Anströmseite zugewandten Seite
des Gehäuses. In allen Ausführungsbeispielen bestehen
die Gehäuseteile aus einem thermoplastischen Kunststoff,
der spritzgießfähig ist, beispielsweise aus Polyphenylensulfid
(PPS).
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Die
Laufschale 4 ist in der Weise geformt, dass im Bereich
des Ringraumes 10 in der Laufschale 4 eine Ringnut 16 gebildet
ist, die von dem aufzusetzenden Verdichterfrontteil 3 zu
dem Ringraum 10 ergänzt wird. In 1 ist
des Weiteren ein Auslassstutzen 13 eingezeichnet, über
den die im spiralförmigen Verdichterkanal 8 gesammelte,
verdichtete Verbrennungsluft abgeleitet wird.
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In 2 ist
das Gehäuse 1 mit noch nicht aufgesetztem Verdichterfrontteil
dargestellt. Zu erkennen ist die Verdichterrückwand 2 und
die Laufschale 4 mit der Mehrzahl von Versteifungsrippen 12, die
das Stabilisierungselement 11 bilden, einteilig mit der
Laufschale 4 ausgebildet sind und sich radial nach außen
erstrecken. Die Versteifungsrippen 12 erstrecken sich über
den gesamten Umfang um den Verdichteraufnahmeraum 5 begrenzenden
Stutzen der Laufschale 4.
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Ein
weiteres Stabilisierungselement 11 befindet sich auf der
radialen Außenseite der Wandung der Verdichterrückwand 2.
Dieses Stabilisierungselement besteht ebenso wie das innen liegende,
an der Laufschale 4 ausgebildete Stabilisierungselement aus
einzelnen Versteifungsrippen 12, die sich an der Wandung
radial nach außen erstrecken. Die Versteifungsrippen 12 sind
von einem durchgehend ausgebildeten Verbindungssteg 17 verbunden,
der sich in Umfangsrichtung erstreckt und eine erhebliche Steigerung
der Stabilität und Steifigkeit zur Folge hat. Insgesamt
erstreckt sich das Stabilisierungselement einschließlich
der Versteifungsrippen und dem Verbindungssteg nur über
einen Teilumfang der Verdichterrückwand.
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In 3 ist
eine Gesamtansicht des fertig montierten Gehäuses 1 mit
Verdichterrückwand 2, Verdichterfrontteil 3 und
innen liegender Laufschale 4 dargestellt.
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In
den 4 und 5 sind die Laufschale 4 bzw.
die Verdichterrückwand 2 jeweils in perspektivischer
Einzeldarstellung gezeigt. Aus beiden Darstellungen ist zu entnehmen,
dass die radiale Erstreckung der Versteifungsrippen 12 sich
in Umfangsrichtung ändert, so dass Versteifungsrippen 12 an
einer Umfangsposition eine andere radiale Erstreckung haben verglichen
mit Versteifungsrippen an einer anderen Umfangsposition. Außerdem
ist zu erkennen, dass die Versteifungsrippen 12 an der
Laufschale 4 eine konkav geformte Oberseite aufweisen, wohingegen
die Versteifungsrippen 12 an der Verdichterrückwand 2 eine
konvex-gekrümmte Form aufweisen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10314209
B3 [0002, 0004]