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Die
Erfindung betrifft ein Laufrad der im Oberbegriff des Patentanspruchs
1 angegebenen Art für ein Laufzeug eines Abgasturboladers
einer Brennkraftmaschine. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren
zum Auswuchten eines derartigen Laufrads sowie ein Kraftfahrzeug
der im Oberbegriff des Patentanspruchs 13 angegebenen Art.
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Derartige
Laufräder sowie Verfahren zu ihrer Auswuchtung sind aus
dem Stand der Technik bekannt. Die Laufräder werden üblicherweise
mit einer Läuferwelle gekoppelt und bilden zusammen mit
dieser ein sogenanntes Laufzeug eines Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine.
Da es sich bei Abgasturboladern um radiale Strömungsmaschinen handelt,
umfassen die Laufräder eine Mehrzahl Laufradschaufeln,
die zwischen einer Vorderseite und einer Rückseite des
Laufrads angeordnet sind. Das Laufzeug und damit die Laufräder
erreichen während des Betriebs des Abgasturboladers üblicherweise Drehzahlen
von 180000 U/min und mehr, so dass es entscheidend ist, die Laufräder
möglichst weitgehend auszuwuchten, um Beschädigungen
zu vermeiden und hohe Lebensdauern sicherstellen zu können.
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Aus
der
JP 2002047944
A ist es hierzu beispielsweise bekannt, das Laufrad ausgehend
von seiner Drehachse radial nach außen hin verjüngt auszubilden
und zum Auswuchten Laufradmaterial von der Rückseite des
Laufrads abzutragen.
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Auch
die
US 4,170,528 offenbart
ein Laufrad sowie ein Verfahren zum Auswuchten des Laufrads, bei
welchem nach dem Ermitteln einer vorliegenden Unwucht des bereits
mit der Läuferwelle gekoppelten Laufrads mit Hilfe einer
elektro-chemischen Vorrichtung Laufradmaterial ebenfalls von dessen
Rückseite abgetragen wird.
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Als
nachteilig an den bekannten Laufrädern bzw. den Verfahren
zum Auswuchten ist der Umstand anzusehen, dass es während
des Auswuchtens zu Verletzungen der optimalen Bauteilgeometrie kommt, wodurch
die Lebensdauer des Laufrads und der Wirkungsgrad eines zugeordneten
Abgasturboladers abnehmen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Laufrad sowie ein Verfahren
zum Auswuchten eines derartigen Laufrads zu schaffen, welche eine
Erhöhung der Lebensdauer des Laufrads sowie eine Steigerung
des Wirkungsgrads des zugeordneten Abgasturboladers ermöglichen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Laufrad
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein Verfahren gemäß Patentanspruch
9 zum Auswuchten eines derartigen Laufrads sowie durch ein Kraftfahrzeug
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung mit zweckmäßigen
und nicht-trivialen Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben,
wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des Laufrads – soweit
anwendbar – als vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens
bzw. des Kraftfahrzeugs und umgekehrt anzusehen sind.
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Ein
Laufrad, welches eine erhöhte Lebensdauer besitzt und eine
Steigerung des Wirkungsgrads eines zugeordneten Abgasturboladers
ermöglicht, ist erfindungsgemäß dadurch
geschaffen, dass dieses zumindest ein Wuchtungsprofil umfasst, wobei
das Laufrad durch Bearbeiten des zumindest einen Wuchtungsprofils
auswuchtbar ist. Mit anderen Worten umfasst das erfindungsgemäße
Laufrad im Unterschied zum Stand der Technik ein oder mehrere Wuchtungsprofile
als gezielt erzeugte Bauteilkontur, das bzw. die zum Auswuchten
anstelle des Laufradmaterials bearbeitet werden kann bzw. können.
Hierdurch wird eine Vorschädigung des Laufrads beim Auswuchten
zuverlässig verhindert, wodurch dessen Lebensdauer und
Betriebsfestigkeit gesteigert und die Ausschussquote während
des Auswuchtens vorteilhaft reduziert wird. Das Laufradmaterial
bleibt somit unverletzt und kann auch bei Belastung hohe dynamische
Kräfte aufnehmen. Hierdurch verbessert sich das Ansprechverhalten
des zugeordneten Abgasturboladers bei gleichzeitig sinkendem Kraftstoffbedarf
und CO2-Ausstoß.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass das Wuchtungsprofil gegenüber einer Außenfläche
des Laufrads erhaben und/oder vertieft ausgebildet ist. Hierdurch
kann das Wuchtungsprofil optimal in Abhängigkeit der Geometrie
und des späteren Einsatzzwecks des Laufrads sowie des gewünschten
Verfahrens zum Auswuchten ausgebildet werden.
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Weitere
Vorteile ergeben sich, indem das Wuchtungsprofil ringförmig
um eine Drehachse des Laufrads ausgebildet ist. Hierdurch kann das
Laufrad besonders schnell und einfach ausgewuchtet werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass ein Verhältnis zwischen einem Radius des Wuchtungsprofils
und einem größten Laufradradius zwischen 0,7 und
0,9, insbesondere 0,8, und/oder eine Breite des Wuchtungsprofils
zwischen 5% des größten Laufradradius und 20%
des größten Laufradradius, insbesondere zwischen
10% und 15%, und/oder eine Höhe des Wuchtungsprofils zwischen
2% des größten Laufradradius und 8% des größten
Laufradradius, insbesondere etwa 5%, gewählt ist. Dabei
kann bei Laufrädern für Abgasturbolader von PKWs
ein Verhältnis zwischen dem Radius des Wuchtungsprofils
und dem größten Laufradradius von 0,8 vorgesehen
sein, um eine besonders vorteilhafte Auswuchtbarkeit zu erzielen.
Bei Laufrädern für Abgasturbolader von LKWs kann
vorgesehen sein, dass die Breite des Wuchtungsprofils etwa 15% bzw.
die eine Höhe des Wuchtungsprofils etwa 5% des größten
Laufradradius beträgt. Die jeweilige Ausgestaltung kann
jedoch grundsätzlich in Abhängigkeit der konstruktiven
Gegebenheiten und Anforderungen gewählt sein.
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Weitere
Vorteile ergeben sich, indem das Wuchtungsprofil im Bereich der
Vorderseite und/oder der Rückseite und/oder außerhalb
eines mit Gas zu beaufschlagenden Bereichs des Laufrads angeordnet
ist. Hierdurch ist einerseits eine einfache Bearbeitbarkeit und
andererseits eine besonders zuverlässige Bewahrung der
vorteilhaften aerodynamischen Eigenschaften des Laufrads ermöglicht.
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Dabei
kann in weiterer Ausgestaltung vorgesehen sein, dass das Wuchtungsprofil
einteilig mit dem Laufrad ausgebildet ist. Hierdurch kann das erfindungsgemäße
Laufrad besonders schnell, einfach und kostengünstig hergestellt
werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass das Laufrad zumindest überwiegend als Gussteil ausgebildet
ist. Auch hierdurch ist es möglich, das Laufrad besonders
schnell, einfach und kostengünstig herzustellen. Dabei
kann vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass das Wuchtungsprofil
zumindest teilweise mitgegossen oder angegossen ist.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass das Laufrad als Verdichterrad und/oder als Turbinenrad ausgebildet ist.
Auf diese Weise können die verschiedenen Vorteile des erfindungsgemäßen
Laufrads wahlweise in der Verdichter- und/oder in der Turbinenstufe
des Abgasturboladers zur Anwendung gebracht werden.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auswuchten
eines Laufrads gemäß einem der vorhergehenden
Ausführungsbeispiele, bei welchem zumindest ein Wuchtungsprofil
des Laufrads in Abhängigkeit einer zuvor ermittelten Unwucht
bearbeitet wird. Im Unterschied zum Stand der Technik wird somit
zumindest ein Wuchtungsprofil des vorstehend beschriebenen Laufrads
anstelle des Laufradmaterials zum Auswuchten bearbeitet. Hierdurch
wird eine Vorschädigung des Laufrads beim Auswuchten zuverlässig
verhindert, so dass dessen Lebensdauer, Betriebsfestigkeit und Gesamtqualität vorteilhaft
gesteigert wird. Zusätzlich wird die Ausschussquote reduziert.
Das Laufradmaterial bleibt beim Auswuchten unverletzt und kann daher
auch bei Belastung hohe dynamische Kräfte aufnehmen. Weiterhin
ermöglicht das Wuchtungsprofil eine Verbesserung der aerodynamischen
Eigenschaften des Laufrads, wodurch auch der Wirkungsgrad eines
zugeordneten Abgasturboladers entsprechend gesteigert wird. Das
Wuchtungsprofil kann beispielsweise mit Hilfe mechanischer oder
elektrochemischer Techniken bearbeitet werden. Weitere sich ergebende Vorteile
sind den vorhergehenden Beschreibungen zu entnehmen.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass das Laufrad statisch und/oder dynamisch ausgewuchtet wird.
Hierdurch kann das Auftreten von Vibrationen und Schwingungen sowie
von damit verbundenen Geräuschen zuverlässig verhindert
werden. Weiterhin kann der Verschleiß des Laufrads bzw.
des zugeordneten Abgasturboladers signifikant gesenkt und die Lebensdauer entsprechend
gesteigert werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass Wuchtungsprofilmaterial des Wuchtungsprofils insbesondere mittels
eines Spanverfahrens abgetragen wird. Dies ermöglicht ein
besonders schnelles, einfaches und betriebssicheres Bearbeiten und
Auswuchten des Laufrads, ohne dass dessen Vorderseite, Rückseite
oder Laufradschaufeln verletzt werden.
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Weiterhin
hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn das Laufrad im Bereich
des Wuchtungsprofils insbesondere mittels eines Laser-Pulver-Auftragschweißverfahrens
und/oder eines Mikroplasmaschweißverfahrens und/oder eines
induktiven Hochfrequenz-Pressschweißverfahrens mit Wuchtungsprofilmaterial
aufgepanzert wird. Dies stellt eine vorteilhafte Möglichkeit
dar, das Laufrad nicht bzw. nicht ausschließlich durch
Abtragen, sondern durch Auftragen von Wuchtungsprofilmaterial im
Bereich des Wuchtungsprofils auszuwuchten. Das geeignete Auftragverfahren
wird vorzugsweise in Abhängigkeit der jeweiligen Materialpaarung
gewählt.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer
Brennkraftmaschine, welche einen Abgasturbolader mit einem Laufzeug
umfasst, wobei eine erhöhte Lebensdauer wenigstens eines Laufrads
des Laufzeugs sowie eine Steigerung des Wirkungsgrads des Abgasturboladers
erfindungsgemäß dadurch ermöglicht ist,
dass zumindest ein Laufrad des Laufzeugs gemäß einem
der vorhergehenden Ausführungsbeispiele ausgebildet und/oder
mittels eines Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden
Ausführungsbeispiele ausgewuchtet ist.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand
der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische
seitliche Schnittansicht eines Abgasturboladers, welcher ein Laufzeug
mit zwei erfindungsgemäßen Laufrädern
umfasst.
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Die
einzige Figur zeigt eine schematische seitliche Schnittansicht eines
an sich bekannten Abgasturboladers 10 für eine
Brennkraftmaschine eines als Personenkraftwagen ausgebildeten Kraftfahrzeugs
(nicht gezeigt). Gleiche oder funktionsgleiche Elemente sind im
Folgenden mit identischen Bezugszeichen versehen. Der Abgasturbolader 10 umfasst ein
in einem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine anordenbares Verdichtergehäuse 12,
ein in einem Abgastrakt der Brennkraftmaschine anordenbares, vorliegend
mehrflutig ausgebildetes Turbinengehäuse 14 sowie
ein Laufzeug 16, welches seinerseits ein innerhalb des
Verdichtergehäuses 12 angeordnetes und als Verdichterrad
ausgebildetes Laufrad 18a und ein innerhalb des Turbinengehäuses 14 angeordnetes
und als Turbinenrad ausgebildetes Laufrad 18b umfasst.
Die Laufräder 18a, 18b umfassen jeweils eine
Mehrzahl von Laufradschaufeln 19a, 19b und sind über
eine Läuferwelle 20 des Laufzeugs 16 drehfest
miteinander gekoppelt und um eine Drehachse A drehbar. Die Läuferwelle 20 ist
hierzu in einem Lagergehäuse 22 gelagert, über
welches das Verdichtergehäuse 12 und das Turbinengehäuse 14 miteinander
gekoppelt sind.
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Um
eine erhöhte Lebensdauer der Laufräder 18a, 18b bzw.
des gesamten Laufzeugs 16 sowie eine Steigerung des Wirkungsgrads
des Abgasturboladers 10 zu ermöglichen, umfasst
jedes Laufrad 18a, 18b jeweils zwei Wuchtungsprofile 24,
wobei die Laufräder 18a, 18b durch Bearbeiten
der Wuchtungsprofile 24 statisch und dynamisch ausgewuchtet
werden können. Von den Wuchtungsprofilen 24 ist jeweils
eines im Bereich einer Vorderseite 26a bzw. 26b und
das andere im Bereich einer Rückseite 28a bzw. 28b angeordnet
und mittels eines Gussverfahrens einteilig mit dem jeweiligen Laufrad 18a, 18b ausgebildet.
Hierzu kann vorgesehen sein, dass Gussformen für die Laufräder 18a, 18b derart
modifiziert werden, dass die ringförmig um die Drehachse A
ausgebildeten Wuchtungsprofile 24 schnell, einfach und
kostengünstig mitgegossen werden. Grundsätzlich
können die Wuchtungsprofile 24 erhaben und/oder
vertieft gegenüber einer Außenfläche
des jeweiligen Laufrads 18a, 18b ausgebildet sein.
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Die
Wuchtungsprofile 24 sind somit zumindest im Wesentlichen
außerhalb des mit Gas zu beaufschlagenden Bereichs der
Laufradschaufeln 19a, 19b angeordnet, wodurch
die aerodynamischen Eigenschaften der Laufräder 18a, 18b optimal
ausgelegt werden können. Die an den Rückseiten 28a, 28b der
Laufräder 18a, 18b ausgebildeten Wuchtungsprofile 24 besitzen
im vorliegenden Ausführungsbeispiel vor dem Auswuchten
jeweils einen Radius, der etwa das 0,8-fache des größten
Laufradradius beträgt. Insbesondere bei Abgasturboladern 10 für Last-
und Nutzkraftwagen können abweichende Ausgestaltungsformen
vorgesehen sein.
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Zum
Auswuchten der Laufräder 18a, 18b wird
zunächst in geeigneter und an sich bekannter Weise eine
vorliegende Unwucht ermittelt. Anschließend werden die
Wuchtungsprofile 24 in Abhängigkeit der ermittelten
Unwucht bearbeitet und die Laufräder 18a, 18b hierdurch
ausgewuchtet. Beim Bearbeiten wird dabei Wuchtungsprofilmaterial
im Bereich des betreffenden Wuchtungsprofils 24 abgetragen und/oder
aufgetragen. Das Abtragen von Wuchtungsprofilmaterial wird vorzugsweise
mit Hilfe mechanischen, beispielsweise spanenden, oder elektrochemischen
Verfahren durchgeführt. Das Auftragen des Wuchtungsprofilmaterials
(Aufpanzern) wird beispielsweise mittels Laser-Pulver-Auftragschweißverfahren,
Mikroplasmaschweißverfahren oder induktiven Hochfrequenz-Pressschweißverfahren
durchgeführt. Grundsätzlich können jedoch
auch andere geeignete Verfahren verwendet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2002047944
A [0003]
- - US 4170528 [0004]