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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Abgasturbolader-Verstellrings nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Bei
Abgasturboladern kann es zu einem sogenannten Turboloch kommen,
d. h. zu einer Verzögerung
zwischen einer erhöhten
Drehmomentanforderung und der Bereitstellung des erhöhten Drehmoments
durch den Verbrennungsmotor. Gerade bei Dieselmotoren ist es bekannt,
dieses Turboloch durch Verwendung von Turboladern mit variabler
Turbinengeometrie (VTG) zu reduzieren oder zu eliminieren, indem
der Turbinenströmungsquerschnitt durch
Verschwenken von Leitschaufeln verkleinert wird. Das Druckgefälle zwischen
dem Turbineneintritt und dem Turbinenaustritt wird damit erhöht. Mit
zunehmender Drehzahl wird der Querschnitt durch Verschwenken der
Schaufeln erhöht,
sodass der Querschnitt dem jeweiligen Betriebspunkt angepasst werden
kann.
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Das
Turboloch ist nicht nur auf Dieselmotoren beschränkt, sondern kommt auch bei
durch einen Turbolader aufgeladenen Ottomotoren vor. Bei Ottomotoren
jedoch besteht zudem das Problem, dass die Abgastemperaturen noch
höher als
bei Dieselmotoren sind, was die Anforderungen in Bezug auf Materialauswahl
und Festigkeit erhöht.
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Die
Leitschaufeln sind schwenkbar an einem ringförmigen Leitschaufelträger angebracht
und besitzen Leitschaufel-Verstellhebel, die in Ausnehmungen eines
gemeinsamen Verstellrings angeordnet sind. Durch Verdrehen des Verstellrings werden
auch die Verstellhebel und damit die Leitschaufeln bewegt bzw. verschwenkt.
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Der
Verstellring ist aus einem extrem teuren und sehr temperaturstabilen
Werkstoff hergestellt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, die Herstellung eines solchen Leitschaufel-Verstellrings kostenmäßig deutlich
zu reduzieren.
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Dies
wird bei einem Verstellring, der als Ringscheibe mit einer schmalen
radialen Innenseite und einer schmalen radialen Außenseite
sowie axialen Flachseiten ausgeführt
ist, dadurch erreicht, dass
- a) ein Blechstreifen
hochkant zu einem Ring oder zu einem Ringsegment gebogen wird und
- b) vor oder nach Schritt a) der Blechstreifen randseitig bearbeitet
wird, zur Schaffung eines profilierten Innen- und/oder Außenrandes.
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Die
bisherigen Verstellringe wurden aus einem Blechstreifen gestanzt,
sodass durch das Ausstanzen ein hoher Verschnitt des sehr teuren
Materials erfolgte. Die Erfindung geht einen anderen Weg, um einen
solchen Verschnitt ganz zu vermeiden oder zumindest deutlich zu
reduzieren. Hierzu wird ein Blechstreifen hochkant gebogen, d. h.
quer zu seinen Flachseiten, sozusagen um seine Schmalseiten.
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Insbesondere
wird der Blechstreifen um einen innenliegenden Körper, z. B. eine drehbare Rolle,
gebogen.
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Andruckrollen
oder Andrückkörper können vorgesehen
sein, um den Blechstreifen beim Biegen außenseitig zu halten und/oder
anzutreiben.
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Der
Blechstreifen kann optional vor dem Biegen im Querschnitt trapezförmig sein,
z. B. trapezförmig
gewalzt worden sein, um einen Materialausgleich beim Umformen zu
ermöglichen.
Da außenseitig
mehr Material als innenseitig notwendig ist, würde der trapezförmige Blechstreifen
innenseitig eine geringere Höhe
als außenseitig
haben, bevor er umgeformt wird.
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Die
Stoßenden
des gebogenen Blechstreifens oder angrenzender Ringsegmente können formschlüssig und/oder
stoffschlüssig
miteinander verbunden sein.
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Formschlüssig wäre beispielsweise
das Vorsehen von Vorsprüngen
mit Hinterschnitt, die in entsprechenden Ausnehmungen auf der zu
verbindenden Stoßseite
eingreifen (klinkenartiger Verschluss möglich). Eine stoffschlüssige Verbindung
erfolgt insbesondere durch Schweißen, besonders bevorzugt durch
Laserschweißen.
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Eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung sieht vor, dass miteinander zu verbindende Ringsegmente
aus einem Blech geschnitten werden, die dann zu dem Ring verbunden
werden. Durch das Schneiden von Ringsegmenten aus einem Blech lässt sich
der Verschnitt extrem verringern, da keine großflächige Scheibe mehr als Abfall
herausgeschnitten wird.
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Das
entsprechende Stanzmuster kann sehr kompakt und eng ausgeführt sein.
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Auch
hier sind die Ringsegmente durch Formschluss und/oder Stoffschluss
miteinander zu verbinden.
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Die
Bearbeitung der Ringsegmente oder des zusammengesetzten Rings kann
vor und/oder nach dem Schneiden oder mit dem Schneiden oder auch nach
dem Verbinden der Segmente erfolgen. Durch dieses Schneiden wird
der profilierte Innen- und/oder Außenrand erzeugt, der zur Zentrierung
des Verstellrings und/oder zur Erfassung der Leitschaufel-Verstellhebel
dient.
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Eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung sieht vor, Materialverschnitt dadurch zu sparen, dass der
Verstellring aus einem Rohrstück
hergestellt wird. Dieses Rohrstück
wird nämlich
zu einer insbesondere umfangsmäßig geschlossenen
Ringscheibe umgeformt. Diese Ringscheibe oder das Rohrstück wird randseitig
bearbeitet, zur Schaffung eines profilierten Innen- und/oder Außenrandes.
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Für alle Ausführungsformen,
die zuvor erwähnt
wurden, gilt gleichermaßen,
dass die randseitige Bearbeitung durch Stanzen und/oder Feinschneiden
erfolgen kann. Dabei kann es sinnvoll sein, dass nur ein Rand gestanzt
und/oder feingeschnitten wird und der andere lediglich feingeschnitten
bzw. gestanzt wird, um Bearbeitungskosten zu reduzieren und nur
dort einen hohen Bearbeitungsaufwand zu treiben, wo es für die Funktion
unbedingt erforderlich ist.
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Der
Verstellring muss auch nicht unbedingt umfangsmäßig geschlossen sein, beispielsweise könnte er
an den Stoßenden
offen bleiben, wenn die Zentrierung des Rings am Außenumfang
erfolgt.
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Das
Blech bzw. das Rohrstück
besteht insbesondere aus einem Nickel-Basiswerkstoff.
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Weitere
bevorzugte Ausführungsformen
für den
Werkstoff des Blechs bzw. des Rohrstücks sind hochlegierte Stähle mit
Legierungsbestandteilen von Nickel > 10% und/oder Chrom > 10%.
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Weitere
Merkmale und Ausführungsformen der
Erfindung sind in den beigefügten
Zeichnungen zu erkennen, wobei zu betonen ist, dass die einzelnen
Ausführungsformen
auch beliebig miteinander kombiniert werden können.
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
schematische Querschnittansicht im Halbschnitt durch einen Abgasturbolader,
der mit einem erfindungsgemäßen Abgasturbolader-Verstellring
ausgestattet ist, wobei in diesem Schnitt nur die Turbinenseite
zu sehen ist,
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2 eine
Ansicht auf die Einheit aus Leitschaufelträger, Leitschaufeln und erfindungsgemäßen Verstellring,
wobei diese Ansicht die Leitschaufelseite zeigt,
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3 eine
Rückansicht
der Einheit nach 2, die den erfindungsgemäßen Verstellring
gut erkennen lässt,
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4 bis 6 verschiedene
Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens
zum Herstellen des erfindungsgemäßen Verstellrings,
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7 und 8 verschiedene
Ansichten einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verstellrings,
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9 und 10 verschiedene
Schritte, die ein zweites erfindungsgemäßes Verfahrens zeigen, und
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11 und 12 verschiedene
Schritte, die ein drittes erfindungsgemäßes Verfahrens zeigen.
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1 zeigt
eine schematische, vereinfachte Schnittdarstellung durch einen antriebsseitigen
Teil eines Abgasturboladers für
eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Ottomotor.
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Dargestellt
ist der sogenannte Turbinenabschnitt, mit einem Gehäuse 10,
in dem ein Turbinenlaufrad 12 mit Turbinenschaufeln 14 vorgesehen
ist. Mit 16 ist der Einlass und mit 18 ist der
Auslass des Abgases bezeichnet. Das Turbinenlaufrad 12 treibt ein
Verdichterrad an (nicht gezeigt), in dem Frischluft verdichtet wird,
die dann zu den Brennräumen
geführt
wird.
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Über den
Einlass 16 strömt
Abgas in einen bekannten spiralförmigen
Strömungskanal 20 und von
dort durch einen Ringspalt 22 zum Auslass 18.
In dem Ringspalt 22 sind am Umfang mehrere gleichmäßig verteilte
Leitschaufeln 24 angeordnet. Jede Leitschaufel 24 ist über eine
zugeordnete Welle 26 mit einem Leitschaufelverstellhebel 28 gekoppelt.
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3 zeigt
diese Leitschaufelverstellhebel 28 und 2 die
Leitschaufeln 24. Die Wellen 26 sind in einem
sogenannten Leitschaufelträger 30 gelagert,
der ringförmig
ausgeführt
ist und den Strömungskanal 20 sowie
den Ringkanal 22 auf einer Seite mit definiert.
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Die
Verstellhebel 28 sind auf der Rückseite des Leitschaufelträgers 30 platziert
und haben vorzugsweise seitlich abstehende Mitnehmer 32 (siehe 3),
die in vorzugsweise radiale Ausnehmungen 34 eines Leitschaufelverstellrings 36 hineinragen.
Alternativ kann der Verstellring 36 radial außerhalb
der Verstellhebel 28 angeordnet sein, sodass die Verstellhebel 28 ohne
zusätzliche
Mitnehmer 32 in den Verstellring 36 eingreifen
können.
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Der
Verstellring 36 kann um die zentrische Achse A geringfügig verdreht
werden, so dass die Hebel 28 gleichförmig zusammen mit den Leitschaufeln 24 verschwenkt
werden. Durch Verschwenken der Leitschaufeln 24 lässt sich
der Strömungsquerschnitt
stufenlos verändern
(s. 2, durch Pfeile angedeutet).
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Der
Verstellring 36 kann durch verschiedene Verfahren hergestellt
werden, die im folgenden erläutert
werden und sich durch einen besonders geringen Verschnitt auszeichnen.
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Das
erste Verfahren wird anhand der 4 bis 8 beschrieben.
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Zuerst
wird ein dünner
Blechstreifen 40 hergestellt oder von einem Coil bereitgestellt,
wobei der Blechstreifen 40 vorzugsweise eben ist. Der Blechstreifen 40 hat
zwei entgegengesetzte Flachseiten 42, 44 sowie
schmale Stirnseiten 46 und schmale Längsseiten 50.
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Der
Blechstreifen 40 wird hochkant, das heißt quer zu seinen Flachseiten 42, 44 zu
einem Ring oder einem Ringsegment gebogen (s. 5). Das
bedeutet, die eine Längsseite 50 wird
zur schmalen, radialen Innenseite 52 und die entgegengesetzte
Längsseite 50 wird
zur schmalen, radialen Außenseite 54.
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Das
Verformen erfolgt vorzugsweise mittels eines innenliegenden Körpers, beispielsweise
einer sogenannten Formrolle 56, die auch drehbar oder angetrieben
ausgeführt
sein kann.
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Optionale
Andruckrollen 58 auf der Außenseite 54 dienen
der Positionierung, des Antriebs und/oder der Verformung des Blechstreifens 40.
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Natürlich können zur
besseren Lagefixierung des Blechstreifens 40 auch oben
und unten liegende, das heißt
auf den Flachseiten 42, 44 anliegende Körper vorgesehen
sein. Dies kann notwendig werden, damit der Blechstreifen nicht
aus der Ebene auswandert, deformiert oder kippt.
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Der
Verstellring 36 kann aus einem einstückig durchgehenden Blechstreifen 40 hergestellt
sein (s. 6) oder aus Ringsegmenten zusammengesetzt
werden. Die Verwendung von Ringsegmenten kann zu einer Vereinfachung
des Umformprozesses führen.
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Vorzugsweise
ist das Blech vor dem Verformen im Querschnitt trapezförmig (s.
linkes Stoßende des
Blechstreifens in 5), damit im Bereich des Außenrandes
mehr Material zur Verfügung
steht.
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Der
sich durch das Umformen des Blechstreifens ergebende Stoß 60 oder
die Stöße, die
sich bei Herstellung von Ringsegmenten ergeben, werden formschlüssig und/oder
stoffschlüssig
miteinander verbunden, wie in den beiden Ausführungsformen nach 6 gezeigt.
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Ein
Formschluss ist insbesondere durch eine „puzzleschlossartige” Verklinkung
möglich.
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Nach
dem Verbinden der Segmente oder der Stöße wird der Ring vorzugsweise
plangeschliffen. Es sind aber auch andere Verfahren denkbar, um
die Ebenheit des Rings einzustellen.
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Damit
der Ring die notwendigen Ausnehmungen 34 oder außenseitigen
Vorsprünge 62 (s. 8)
erhält,
wird er noch bearbeitet.
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Diese
Bearbeitung kann vor und/oder nach dem Biegen erfolgen. Beispielsweise
könnte
der Blechstreifen nach 4 bereits seitlich beschnitten sein,
zum Beispiel durch Feinschneiden oder Stanzen. Das Umformen um den
Körper 56 kann
in diesem Zusammenhang durch Einsatz einer profilierten Mantelfläche am Körper 56 stattfinden.
Natürlich
können
auch die Andruckrollen 58 entsprechend profiliert sein.
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Die
möglicherweise
einfachste Ausführung zur
Erzielung der profilierten radialen Innen- und Außenränder besteht
darin, den fertig gebogenen Verstellring 36 zu stanzen
und/oder feinzuschneiden und gegebenenfalls vorher oder nachher
plan zu schleifen.
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Werden
nur Segmente erzeugt, sind insbesondere 120°- oder 180°-Segmente denkbar.
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Bei
der Ausführungsform
nach den 9 und 10 werden
Ringsegmente 70 in einem eng gepackten Stanzmuster aus
einem Blechstreifen geschnitten, insbesondere feingeschnitten oder
gestanzt. Anschließend
werden diese Segmente 70 miteinander zu einem Ring verbunden
(s. 10), insbesondere durch Formschluss und/oder Stoffschluss.
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Der
Verschnitt ist auch hier extrem gering. Natürlich lässt sich auch bei diesem Verfahren
die Profilierung des Innen- und Außenrandes vor dem, durch das
oder nach dem Herausschneiden der Ringsegmente 70 erzielen.
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Bei
der Ausführungsform
nach den 11 und 12 wird
ein Rohrstück 72,
das insbesondere durch Schneiden eines dünnwandigen Rohres gebildet
ist, plastisch zu einer insbesondere umfangsmäßig geschlossenen Ringscheibe
umgeformt. Diese Ringscheibe bildet dann den Verstellring 36.
Die verschiedenen Verfahrensschritte sind in 12 schematisch
dargestellt.
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Die
Ringscheibe wird natürlich
randseitig bearbeitet zur Schaffung des profilierten Innen- und/oder
Außenrandes.
Alternativ ist es natürlich auch
hier möglich,
den Innen- und/oder Außenrand vor
dem Umformen zur Ringscheibe mit der gewünschten Kontur zu versehen.
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Bei
allen Ausführungsformen
ist das verwendete Blech bzw. Rohrstück vorzugsweise aus einer Nickel-Basis-Legierung
oder einem hochlegierten Stahl mit einem Nickelgehalt von > 10% und/oder Chromgehalt
von > 10%.