DE102009004881A1

DE102009004881A1 - Ladeeinrichtung

Info

Publication number: DE102009004881A1
Application number: DE102009004881A
Authority: DE
Inventors: Klaus Czerwinski; Stefan Dr. Münz; Martin Rauscher; Martin Dr. Schlegl
Original assignee: Bosch Mahle Turbo Systems GmbH and Co KG
Current assignee: BMTS Technology GmbH and Co KG
Priority date: 2009-01-16
Filing date: 2009-01-16
Publication date: 2010-07-29

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ladeeinrichtung, insbesondere einen Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug, mit einer ein Turbinenrad (1) und ein Verdichterrad (3) tragenden Welle (2). Erfindungswesentlich ist dabei, dass zumindest das Turbinenrad (1) und die Welle (2) als einstückiges metallisches Pulverspritzgussteil ausgebildet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ladeeinrichtung, insbesondere einen Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In modernen Kraftfahrzeugen werden zunehmend Abgasturbolader eingesetzt, mit welchen insbesondere die Leistung eines Verbrennungsmotors gesteigert werden soll. Bekannte Abgasturbolader weisen dabei üblicherweise eine, ein Verdichterrad und ein Turbinenrad tragende Welle auf, wobei das Turbinenrad und die Welle aufgrund unterschiedlicher Anforderungen aus unterschiedlichen Werkstoffen ausgebildet und anschließend miteinander gefügt, insbesondere miteinander verschweißt, werden. Die Fügestellen stellen dabei üblicherweise Schwachstellen dar, welche insbesondere bei einem, an eine Welle gefügten, bspw. geschweißten, Turbinenrad zu dem einer hohen Temperaturbelastung ausgesetzt sind und dadurch grundsätzlich eine Schwachstelle bilden.
Aus der EP 1 507 063 A2 ist ein gattungsgemäßer Abgasturbolader bekannt, bei welchem ein Turbinenrad aus einer Titan-Aluminium-Legierung ausgebildet und mit einer Stahlwelle gefügt ist.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Ladeeinrichtung der gattungsgemäßen Art, eine bessere Ausführungsform anzugeben, mit welcher die Zuverlässigkeit der Ladeeinrichtung gesteigert und gleichzeitig höhere Nenndrehzahlen realisiert werden können.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine ein Turbinenrad und ein Verdichterrad tragende Welle in einem Verbindungsbereich zwischen dem Turbinenrad und der Welle nicht mehr zu fügen, sondern das Turbinenrad und die Welle als einstückiges metallisches Pulverspritzgussteil auszubilden, um dadurch einerseits ein aufwendiges Fügen des Turbinenrads an der Welle zu vermeiden und andererseits eine dort häufig auftretende Schwachstelle zu eliminieren. Durch die einstückig ausgebildete Welle samt Turbinenrad lassen sich insbesondere höhere Nenndrehzahlen erreichen und zudem die Zuverlässigkeit der Ladeeinrichtung steigern, da – wie eingangs erwähnt – die bisher im Verbindungsbereich zwischen der Welle und dem Turbinenrad vorhandene Schwachstelle nun nicht mehr vorhanden ist. Mit der Ausbildung des Turbinenrads und der Welle als einteiliges Metallpulverspritzgussteil, ist es möglich, diese mit ausgezeichneter Toleranzeinhaltung zu produzieren, wodurch eine äußerst hohe Qualität erzielt werden kann. Selbstverständlich können dabei die in Metallpulverspritzgussverfahren hergestellten Teile nach Fertigstellung weiter- bzw. nachbearbeitet werden, bspw. durch ein Oberflächenfinish, eine Beschichtung, eine Wärmebehandlung oder eine spanende Bearbeitung. Das Pulverspritzgießen bedient sich dabei der Pulvermetallurgie als Grundlage, bei welcher Metallpulver mechanisch stark verdichtet und optional anschließend gesintert werden. Die Verdichtung des Pulvers erfolgt dabei in Presswerkzeugen, wobei die gepressten Werkstücke als so genannte „Grünlinge” bezeichnet werden. Bei einem optionalen anschließenden Sintern werden die einzelnen Pulverkörnchen an ihren Berührungsflächen durch Diffusion der Metallatome in eine feste Verbindung gebracht, wobei eine Sintertemperatur bei einphasigen Metallpulvern zwischen 65 und 80% der Solidustemperatur liegt. Bei mehrphasigen Pulvern wird dagegen allgemein in der Nähe oder oberhalb der Solidustemperatur der am niedrigst schmelzenden Phase gesintert. Generell erlaubt diese bei der Welle und dem Turbinenrad verwendete neue Technologie eine kostengünstige und qualitativ äußerst hochwertige Herstellung der aus Turbinenrad und Welle bestehenden Einheit, wobei insbesondere die beim bisher erforderlichen Fügen des Turbinenrads an der Welle auftretende Schwachstelle vermieden werden kann. Hierdurch lassen sich einerseits die Zuverlässigkeit und andererseits die Nenndrehzahlen der Ladeeinrichtungen erhöhen, wobei durch letzteres auch deren Leistung verbessert werden kann.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung, sind das Turbinenrad, das Verdichterrad und die Welle als einstückiges metallisches Pulverspritzgussteil ausgebildet. Demgemäß ist es somit möglich, auch die zwischen der Welle und dem Verdichterrad bisher vorgesehene Fügestelle zu eliminieren, so dass nunmehr eine Einheit, bestehend aus Verdichterrad, Welle und Turbinenrad, mittels pulvermetallurgischem Verfahren hergestellt werden kann. Dies bietet den Vorteil, auch die bisher zwischen Welle und Verdichterrad vorhandene Schwachstelle im Bereich der Fügestelle zu vermeiden, wodurch ebenfalls die Qualität und die Zuverlässigkeit der Ladeeinrichtung gesteigert werden können.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung, sind die Welle und das Turbinenrad als einstückiges Zweikomponentenpulverspritzgussteil ausgebildet, wobei die Welle eine im Vergleich zum Turbinenrad geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist. Hierdurch kann insbesondere ein hoher und oftmals schädlicher Wärmeeintrag von der heißen Abgasseite über das Turbinenrad in die Welle vermieden werden, wodurch die Lagereigenschaften und die Zuverlässigkeit der Lagerung gesteigert werden können. Alternativ ist hierzu auch denkbar, dass zwischen der Welle und dem Turbinenrad eine Wärmedrossel vorgesehen ist, die einen integralen Bestandteil des einstückigen Zweikomponentenpulverspritzgussteils bildet. Die Wärmedrossel kann dabei während des Spritzgießvorgangs mit eingegossen werden und stellt keine im üblichen Sinne verstandene Schwachstelle dar, sondern lediglich eine Unterbrechung bzw. Verringerung der Wärmeleitfähigkeit an besagter Stelle. Auch mit einer derartigen Wärmedrossel kann ein unerwünscht hoher Wärmeeintrag in die Welle und verbunden damit ein Heißlaufen der Wellenlager zuverlässig vermieden werden, wodurch die Zuverlässigkeit der Ladeeinrichtung ebenfalls gesteigert werden kann.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Dabei zeigen jeweils schematisch,
1 ein Turbinenrad und eine Welle, die als erfindungsgemäß einstückig metallisches Pulverspritzgussteil ausgebildet sind,
2 eine Darstellung wie in 1, wobei jedoch die Welle und das Turbinenrad als Zweikomponentenspritzgussteil ausgebildet sind und optional zusätzlich ein Verdichterrad vorgesehen ist.
Entsprechend der 1, sind ein Turbinenrad 1 und eine zugehörige Welle 2 als einstückiges, metallisches Pulverspritzgussteil ausgebildet. Das Turbinenrad 1 und die Welle 2 sind dabei üblicherweise in einer nicht gezeigten Ladeeinrichtung, bspw. in einem Abgasturbolader eines Kraftfahrzeugs, eingebaut, wobei an einem, in dem Turbinenrad 1 abgewandten Ende der Welle 2 ein Verdichterrad 3 (vgl. 2) vorgesehen sein kann. Erfindungsgemäß sind somit zumindest das Turbinenrad 1 und die Welle 2 als einstückiges pulvermetallurgisches Spritzgussteil ausgebildet, wodurch insbesondere eine bisher zwischen dem Turbinenrad 1 und der Welle 2 vorhandene Fügestelle, die üblicherweise eine Schwachstelle bildet, vermieden werden kann. Das erfindungsgemäße metallische Pulverspritzgussteil kann bspw. als Grünling ausgebildet sein oder aber nach dem Verpressen gesintert werden, wodurch eine festigkeitssteigernde Diffusion einzelner Metall-Ionen an deren Grenzschichten erreicht wird. Generell läuft dabei das Sintern des Grünlings, bei welchem sich die Porosität und das Volumen desselben deutlich verringert, prinzipiell in drei unterschiedlichen Stadien ab. Im ersten Stadium erfolgt lediglich eine Verdichtung des Grünlings, wohingegen im zweiten Stadium die offene Porosität deutlich verringert wird. Die Festigkeit der gesinterten Körper beruht auf den im dritten Stadium gebildeten Sinterhälsen, die durch oben erwähnte Oberflächendiffusion zwischen den einzelnen Pulverpartikeln entstehen.
Generell können das Turbinenrad 1, die Welle 2 und das Verdichterrad 3 auch als gemeinsames, einstückiges metallisches Pulverspritzgussteil ausgebildet sein, wodurch sich darüber hinaus eine Fügestelle zwischen der Welle 2 und dem Verdichterrad 3 eliminieren lässt. Das Pulverspritzgussteil kann dabei als Einkomponenten- oder als Zweikomponentenspritzgussteil ausgebildet sein, so dass bspw. bei einem aus zwei Komponenten bestehenden Spritzgussteil die Welle 2 in einem Werkstoff mit schlechter Wärmeleitfähigkeit ausgeführt werden kann, wogegen bspw. das Turbinenrad 1 eine im Vergleich dazu höhere Wärmeleitfähigkeit aufweisen kann. Dies bietet den großen Vorteil, dass die auf der Abgasseite der Ladeeinrichtung auftretenden hohen Temperaturen nicht oder nur in geringem Umfang vom Turbinenrad 1 auf die Welle 2 und damit insbesondere damit auf Wellenlager der Welle 2 übertragen werden und dort unter Umständen Schaden anrichten können. Ein Schaden ist hierbei insbesondere bei einer hohen thermischen Belastung zu befürchten, bei welcher ein Lagerfluid, bspw. Öl, verkokt und dadurch seine Schmiereigenschaften verliert. Alternativ kann zwischen der Welle 2 und dem Turbinenrad 1 auch eine nicht gezeigte Wärmedrossel vorgesehen sein, die einen integralen Bestandteil des einstückigen und das Turbinenrad 1 und die Welle 2 umfassenden Zweikomponentenspritzgussteils bilden. Selbstverständlich ist auch denkbar, dass ein Verbindungsbereich zwischen der Welle 2 und dem Turbinenrad 1 verstärkt, insbesondere durch einen Hinterschnitt verstärkt, ausgebildet ist.
Als weitere Variante kommt in Betracht, dass das Turbinenrad 1, die Welle 2 und das Verdichterrad 3 als Dreikomponentenpulverspritzgussteil ausgebildet und anschließend gesintert sind.
Als Werkstoffe für das Turbinenrad 1, die Welle 2 und optional auch das Verdichterrad 3 kommen bspw. Aluminium, Titan, Eisen oder Nickel-Basiswerkstoffe in Betracht.
Generell ermöglicht die Herstellung des Turbinenrads 1 und der Welle 2 mittels pulvermetallurgischem Verfahren, bspw. dem so genannten „Metal-Inject-Molding” (MIM) die Darstellung der beiden Komponenten als einstückiges zusammengehörendes Bauteil. Durch die Vermeidung der Fügestelle zwischen dem Turbinenrad 1 und der Welle 2 wird darüber hinaus die Zuverlässigkeit, insbesondere bei thermoszyklischer Belastung, deutlich erhöht. Ein Wärmeübertrag von dem Turbinenrad 1 auf die Welle 2 kann bspw. geometrisch mittels einer klassischen Wärmedrossel erreicht werden oder aber durch das Verwenden eines Werkstoffs für die Welle 2, welcher eine deutlich geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist als der für das Turbinenrad 1 verwendete Werkstoff. Durch eine zusätzliche stoffliche Fügung des Verdichterrads 3 an die Welle 2 entfällt zudem eine Verdichterradbohrung, die bei konventionellen Ladeeinrichtungen die dynamische Bauteilfestigkeit deutlich schwächt. Bei konventionellen Ladeeinrichtungen bestimmen bzw. limitieren nämlich der Grad der Presspassung der gebohrten Verdichterrads auf die Welle und die Vorspannung in der Verschraubung die radiale und axiale Anpresskraft des Verdichterrads auf die Welle und somit die maximale Nenndrehzahl. Ohne Bohrung des Verdichterrads wird die Ladeeinrichtung somit zuverlässiger und darüber hinaus können höhere Nenndrehzahlen realisiert werden.
Bei einer Ausführung des Verbundes Turbinenrad-Welle aus Titan-Aluminium bietet die pulvermetallurgische Herstellung den großen Vorteil, dass das Fügen eines Titan-Aluminium Turbinenrads und einer bisher üblichen Stahlwelle entfällt, wodurch die normalerweise üblichen Sprödphasen sowie die üblicherweise deutliche Absenkung der Festigkeit vermieden werden können.
Durch einen als Zweikomponentenpulverspritzgussteil ausgebildeten Verbund des Turbinenrads 1 und der Welle 2 können darüber hinaus den einzelnen Komponenten 1 und 2 unterschiedliche Eigenschaften zugeordnet werden. Die Welle 2 sollte üblicherweise eine hohe mechanische Festigkeit sowie einen geringen tribologischen Verschleiß aufweisen, was üblicherweise durch einen Eisen-Basiswerkstoff erreicht werden kann. Demgegenüber soll das Turbinenrad 1 eine hohe Temperaturstabilität, eine geringe HT-Oxidation, Korrosion aufweisen, was bspw. durch Nickel-Basiswerkstoffe oder Titan-Aluminium-Legierungen erreicht werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1507063 A2 [0003]

Claims

Ladeeinrichtung, insbesondere ein Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug, mit einer ein Turbinenrad (1) und ein Verdichterrad (3) tragenden Welle (2), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das Turbinenrad (1) und die Welle (2) als einstückiges metallisches Pulverspritzgussteil ausgebildet sind.
Ladeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad (1), das Verdichterrad (3) und die Welle (2) als einstückiges metallisches Pulverspritzgussteil ausgebildet sind.
Ladeeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulverspritzgussteil als Einkomponenten- oder als Zweikomponentenspritzgussteil ausgebildet ist.
Ladeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, – dass die Welle (2) und das Turbinenrad (1) als einstückiges Zweikomponentenpulverspritzgussteil ausgebildet sind, wobei die Welle (2) eine im Vergleich zum Turbinenrad (1) geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist, oder – dass zwischen der Welle (2) und dem Turbinenrad (1) eine Wärmedrossel vorgesehen ist, die einen integralen Bestandteil des einstückigen Zweikomponentenpulverspritzgussteils bildet.
Ladeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Welle (2) und das Turbinenrad (1) gesintert sind.
Ladeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verbindungsbereich zwischen der Welle (2) und dem Turbinenrad (1) verstärkt, insbesondere durch einen Hinterschnitt verstärkt, ausgebildet ist.
Ladeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass – die Welle (2) und das Turbinenrad (1) als Einkomponenten- oder Zweikomponentenpulverspritzgussteil und das Verdichterrad (3) als Einlegeteil ausgebildet sind, oder – die Welle (2), das Turbinenrad (1) und das Verdichterrad (3) als Dreikomponentenpulverspritzgussteil ausgebildet und gesintert sind.
Ladeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1, 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad (1) als metallisches Pulverspritzgussteil und die Welle (2) und das Verdichterrad (3) als Einlegeteil ausgebildet ist, wobei – die Welle (2) und das Verdichterrad (3) als Einkomponenten- oder Zweikomponentenpulverspritzgussteil ausgebildet und gesintert sind, oder – die Welle (2) und das Verdichterrad (3) als Einkomponenten- oder Zweikomponentenpulverspritzgussteil ausgebildet und grün sind, oder – das Verdichterrad (3) als Pulverspritzgussteil und die Welle (2) als Einlegeteil ausgebildet und gesintert sind, oder – die Welle (2) und das Verdichterrad (3) gefügt, insbesondere geschweißt sind.
Ladeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das Turbinenrad (1) und die Welle (2) zumindest eines der folgenden Metalle aufweist, Aluminium, Titan, Eisen, Nickel.