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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung der Verbindung eines Laufrades mit einer Welle.
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Bekannt sind Abgasturbolader, die in Brennkraftmaschinen eingesetzt werden, um den Zylindern der Brennkraftmaschine unter erhöhtem Druck stehende Verbrennungsluft zuzuführen Derartige Abgasturbolader umfassen ein Turbinenrad im Abgasstrang der Brennkraftmaschine und ein mit dem Turbinenrad über eine Welle drehfest gekoppeltes Verdichterrad im Ansaugtrakt. Die Rotationsbewegung des Turbinenrades wird über die Welle auf das Verdichterrad übertragen, das Verbrennungsluft auf einen erhöhten Ladedruck komprimiert. Aus fertigungstechnischen Gründen sind das Turbinenrad, das Verdichterrad und die Welle zumeist jeweils als separate Bauteile ausgeführt, die durch mechanische oder thermische Fügeverfahren miteinander verbunden werden, insbesondere auf reib- und formschlüssige oder stoffschlüssige Weise. Hierbei wird beispielsweise das mit einer zentralen Ausnehmung versehene Verdichterrad auf die Welle aufgepresst und zusätzlich über eine Schraubverbindung auf der Welle gesichert. Das Turbinenrad wird zumeist mit der Welle verschweißt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, mit einfachen Maßnahmen eine dauerhafte, feste Verbindung zwischen einem Laufrad und einer Welle herzustellen.
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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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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine Verbindung eines Laufrads mit einer Welle hergestellt werden, wobei eines der Bauteile – Laufrad oder Welle – mit einer zentralen Ausnehmung versehen ist, in die ein Verbindungsabschnitt des jeweils anderen Bauteils eingeführt wird. Zur Durchführung des Verfahrens wird ein Magnetfeld an das Laufrad bzw. die Welle angelegt, wodurch ein physikalischer Effekt erzeugt wird, der zu einer form-, stoff- und/oder kraft- bzw. reibschlüssigen Verbindung zwischen den Bauteilen führt. Vorzugsweise erfolgt die Verbindung ausschließlich durch das Anlegen des Magnetfelds, so dass darüber hinaus keine Verbindungsmaßnahmen erforderlich sind, um eine dauerhafte Verbindung zwischen dem Laufrad und der Welle herzustellen.
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Ein Laufrad ist ein von einem Fluid durchströmtes Rad in radialer Bauweise, wobei Zu- und Abgang um ca. 90° versetzt liegen, bzw. in axialer Bauweise, wobei Zu- und Abgang koaxial angeordnet sind, bzw. in diagonaler Bauweise, wobei Zu- und Abgang in einem Winkelbereich von 0° bis 180° liegen.
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Es können grundsätzlich verschiedene physikalische Effekte erzeugt werden, die für die Verbindung zwischen dem Laufrad und der Welle verantwortlich sind. Gemäß eines ersten Aspektes der Erfindung wird durch das Anlegen des Magnetfeldes im Wege des elektromagnetischen Umformens das den Verbindungsabschnitt umgreifende Bauteil radial geschrumpft, wodurch eine Klemmkraft zwischen dem Laufrad und der Welle erzeugt wird. Es handelt sich hierbei um eine kraft- bzw. reibschlüssige Verbindung zwischen dem Laufrad und der Welle, wobei ggf. auch ein Formschluss in Betracht kommt, insbesondere in der Ausführung, dass durch den Schrumpfungsprozess Abschnitte der Bauteile in Formschluss miteinander gelangen. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass in die Welle bzw. den Verbindungsabschnitt des Laufrades radiale, diagonale oder axiale Erhöhungen bzw. Vertiefungen eingebracht sind, in die der jeweils andere Verbindungspartner auf Grund des Schrumpfungsprozesses in radialen Eingriff gelangt.
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Verantwortlich für den Schrumpfungsprozess ist die Lorenz-Kraft, welche die Wechselwirkung des magnetischen Feldes, das an die Bauteile angelegt wird, mit den durch das magnetische Feld induzierten Wirbelströmen bezeichnet. Die Höhe der Wechselwirkung hängt hierbei von verschiedenen Systemparametern bzw. -einflussgrößen ab, insbesondere der magnetischen Feldstärke, der elektrischen Leitfähigkeit und der Wandstärke des Bauteils, an das das Magnetfeld angelegt wird, dem Abstand zwischen einer das Magnetfeld erzeugenden Spule zu dem Bauteil etc. Dieses Umform- bzw. Fügeverfahren wird auch als elektromagnetische Umformung bezeichnet.
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Die Verbindung durch radiale Schrumpfung über Anlegen eines Magnetfeldes kann auch dadurch erzeugt werden, dass ein Ring um das den Verbindungsabschnitt umgreifende Bauteil gelegt wird und mit dem Magnetfeld beaufschlagt wird, woraufhin der Durchmesser des Rings reduziert wird und eine radial nach innen gerichtete Kraft auf das den Verbindungsabschnitt umgreifende Bauteil erzeugt wird. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass nur der verhältnismäßig kleinvolumige Ring im Wege des elektromagnetischen Umformens geschrumpft werden muss, um die Klemmverbindung bzw. formschlüssige Verbindung zwischen Laufrad und Welle herzustellen. Weiterhin ist es durch die Verwendung eines Ringes aus einem elektrisch gut leitfähigen Material möglich, Bauteile miteinander zu verbinden, die aufgrund ihrer schlechten elektrischen Leitfähigkeit nicht oder nur bedingt mit dem Verfahren der elektromagnetischen Umformung verbunden werden können. Je nach Ausführung verbleibt der Ring an der Verbindungsstelle oder wird nach der Umformung wieder entfernt, dies ist insbesondere dann der Fall, wenn das vom Ring umschlossene Bauteil durch die radial nach innen gerichtete Kraft ebenfalls dauerhaft geschrumpft wurde.
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Gemäß eines weiteren Aspektes der Erfindung wird durch das Anlegen des Magnetfelds bzw. durch die daraus resultierende Umformung ein Diffusionsschweißvorgang zwischen den auf Kontakt liegenden Oberflächen der die Ausnehmung begrenzenden Wandung und des eingeführten Verbindungsabschnitts erzeugt. Beim Diffusionsschweißen wird eine stoffschlüssige Verbindung durch Diffusionsvorgänge in den Kontaktflächen erzeugt, wobei sowohl stofflich gleiche als auch stofflich ungleiche Werkstoffe miteinander verschweißt werden können. Hierbei werden auch ohne Verwendung von Zusatzstoffen, wie z. B. Lote, feste Verbindungen mit einer entsprechend hohen Belastbarkeit erzielt.
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Die für das Diffusionsschweißen benötigte Anpresskraft im Fügeverband wird durch das elektromagnetische Umformen erzeugt. Eine entsprechende Oberflächengestaltung, beispielsweise durch Erhöhen des Traganteils der Kontaktflächen mittels Polieren, oder eine Auslagerung bei erhöhter Temperatur begünstigen den Vorgang des Diffusionsschweißens.
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Über das Diffusionsschweißen werden metallische Werkstoffe miteinander stoffschlüssig verbunden, die entweder aus gleichem Material oder aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Zweckmäßigerweise besteht eines der miteinander zu verbindenden Bauteile aus einer Aluminium- oder Titanlegierung, beispielsweise aus Titanaluminid; hierbei handelt es sich vorzugsweise um das Laufrad. Das andere Bauteil, insbesondere die Welle, welche mit dem Laufrad verbunden wird, besteht vorzugsweise aus Stahl.
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Es können allgemein verschiedenartige Laufräder mit einer Welle verbunden werden, beispielsweise Laufräder von Ventilatoren, Laufräder von Kompressoren oder Laufräder von Turbinen.
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Gemäß noch einer weiteren, bevorzugten Ausführung ist vorgesehen, dass zwei Laufräder mit einer gemeinsamen Welle verbunden werden, wobei die Verbindung zwischen einem ersten Laufrad und der Welle form- oder kraftschlüssig im Wege des elektromagnetischen Umformens und die Verbindung zwischen dem zweiten Laufrad und der Welle im Wege des elektromagnetischen Umformens stoffschlüssig, durch einen mit der Umformung eingeleiteten Diffusionsschweißvorgang, hergestellt wird. Diese Ausführung eignet sich insbesondere für eine Anwendung auf Turbolader, beispielsweise Abgasturbolader, die ein Verdichterrad und ein Turbinenrad mit einer gemeinsamen Welle aufweisen. Verdichterrad und Turbinenrad können beide durch Anlegen eines Magnetfelds mit der Welle verbunden werden, wobei vorzugsweise das Verdichterrad über eine Schrumpfung und das Turbinenrad über einen durch die Schrumpfung eingeleiteten Diffusionsschweißvorgang mit der Welle verbunden wird.
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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 Turbolader im Schnitt, mit einem in einem Gehäuse drehbar gelagerten Läufer, welcher aus einem Verdichterrad, einem Turbinenrad und einer das Verdichterrad und das Turbinenrad verbindende Welle besteht,
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2 in Einzeldarstellung ein Laufrad auf einer Welle, wobei das Laufrad und die Welle im Wege des elektromagnetischen Umformens durch Anlegen eines Magnetfelds miteinander verbunden werden,
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3 ein Laufrad mit Welle in einer weiteren Ausführung,
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4 ein Laufrad mit Welle in einer weiteren Ausführung,
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5 ein Laufrad mit Welle in noch einer Ausführung mit einem Ring,
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6 eine Ansicht auf die Stirnseite der Verbindung zwischen Laufrad und Welle gemäß 5,
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7 ein Laufrad mit Welle in einer weiteren Ausführung mit einer Kappe,
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8 in Perspektivischer Darstellung eine stirnseitige Kappe zum Überdecken des Laufraden des sowie der stirnseitige Abschnitt des Laufrades, welcher die Kappe gemäß 7 aufnimmt,
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9 ein Laufrad mit Welle in einer weiteren Ausführung,
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10 ein Laufrad mit Welle in einer weiteren Ausführung.
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In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Bei dem in der 1 dargestellten Turbolader 1 handelt es sich beispielsweise um einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine. Der Turbolader 1 weist in einem Gehäuse 2 eine Turbine 3 mit einem Turbinenrad 4 und einen Verdichter 5 mit einem Verdichterrad 6 auf. Das Turbinenrad 4 und das Verdichterrad 6 weisen eine gemeinsame Drehachse 8 auf und sind über eine Welle 7 drehfest miteinander gekoppelt, Turbinenrad 4, Verdichterrad 6 und die Welle 7 bilden gemeinsam den Läufer 22. Das Turbinenrad 4 in der Turbine 3 wird wie mit den Pfeilen dargestellt von einem Fluidmassenstrom radial beaufschlagt, der in der Turbine entspannt wird und diese axial wieder verlässt. Auf Seiten des Verdichters 5 wird das Verdichterrad 6 axial von einem zweiten Fluidmassenstrom angeströmt, der das Verdichterrad radial verlässt und auf einen erhöhten Druck komprimiert wird. Bei den Fluidmassenströmen handelt es sich entweder um gasförmige oder um flüssige Medien. Im Falle eines Einsatzes als Abgasturbolader wird das Turbinenrad 4 von den Abgasen der Brennkraftmaschine angetrieben, wobei das Verdichterrad 6 angesaugte Umgebungsluft auf einen erhöhten Ladedruck verdichtet.
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Der Läufer 22 ist im Gehäuse 2 des Turboladers 1 über ein Luftlager 9 drehbar gelagert, wobei zwischen der Mantelfläche des Läufers 22 und der Mantelfläche des Luftlagers 9 ein oder mehrere Luftspalte bestehen. Das Luftlager 9 ist je nach Auslegung und Lagerstelle als aerostatisches oder aerodynamisches Lager oder einer Kombination beider Möglichkeiten ausgeführt, bei der Luft über einen Strömungskanal 11 im Gehäuse 2 von außen unter erhöhtem Druck in das Lager eingeführt wird. Im Betrieb des Turboladers 1 wird damit eine weitgehend reibungsfreie Drehung des Läufers möglich.
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In 2 ist ein Laufrad 23 mit einer Welle 7 im Schnitt dargestellt. Das Laufrad 23 weist eine zentrale Ausnehmung 12 auf, die das Laufrad 23 vollständig durchsetzt und in die ein Abschnitt der Welle 7 mit reduziertem Radius eingeführt ist, wobei die Rückwand des Laufrades 23 an einer Ringschulter 15 der Welle abgestützt ist, welche sich durch eine Radiusvergrößerung der Welle 7 ergibt.
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Die Welle 7 und das Laufrad 23 werden im Wege des elektromagnetischen Umformens durch Anlegen eines Magnetfeldes miteinander verbunden. Hierbei wird an das Laufrad 23 ein Magnetfeld angelegt, welches ein radiales Schrumpfen des Laufrades im Bereich des Verbindungsabschnitts 14 der die zentrale Ausnehmung 12 begrenzenden Wandung bewirkt, wodurch eine radial gerichtete Klemmkraft auf die Mantelfläche der Welle 7 erzeugt wird.
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Im Ausführungsbeispiel nach 3 ist in die Mantelfläche des Verbindungsabschnittes der Welle 7 eine umlaufende Ringnut 16 eingebracht, welche von dem Verbindungsabschnitt 14 des Laufrades 23 umschlossen ist. Bei einem radialen Schrumpfen des Verbindungsabschnittes 14 des Laufrades 23 gelangt ein Teil des Verbindungsabschnitts 14 radial in die Ringnut 16, wodurch in Achsrichtung ein Formschluss zwischen Laufrad 23 und Welle 7 gegeben ist.
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Im Ausführungsbeispiel nach der 4 erfolgt die Verbindung zwischen dem Laufrad 23 und der Welle 7, die keine Schulter aufweist, wodurch das Laufrad frei positionierbar ist, durch Anlegen eines Magnetfeldes und ein dadurch hervorgerufenes Schrumpfen des die zentrale Ausnehmung 12 unmittelbar umgebenden Materials des Verbindungsabschnittes 14 des Laufrades.
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Im Ausführungsbeispiel nach 5 und 7 ist eine indirekte Verbindung dargestellt, welche ebenfalls durch Anlegen eines Magnetfeldes erzeugt wird. Im Unterschied zu den vorangegangenen Ausführungsbeispielen wird die Verbindung in indirekter Weise dadurch hergestellt, dass ein zusätzlicher Ring 17 oder eine Kappe 13 (7 und 8), welcher bzw. welche als separates Bauteil ausgeführt ist und der bzw. die den Verbindungsabschnitt 14 des Laufrades 23 umgreift, einem Magnetfeld ausgesetzt wird und zu einer Schrumpfung in Radialrichtung veranlasst wird. Hierdurch übt der Ring 17 bzw. die Kappe 13 eine radial nach innen gerichtete Kraft auf den Verbindungsabschnitt 14 am Laufrad 23 und eine Klemmkraft auf die Mantelfläche der Welle 7 aus.
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In den 9 und 10 ist jeweils ein Laufrad 23 mit einer Verbindung zur Welle 7 dargestellt. In beiden Ausführungsbeispielen erfolgt die Verbindung mittels Diffusionsschweißens, initialisiert durch Anlegen eines Magnetfelds im Wege der elektromagnetischen Umformung.
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Gemäß 9 ist auf der der Beschaufelung abgewandten Seite in das Laufrad 23 eine zentrale Ausnehmung 18 eingebracht, in die ein Stirnzapfen 19 an der Welle 7 mit reduziertem Radius einragt. Die Kontaktflächen zwischen der zentralen Ausnehmung 18 und dem Stirnzapfen 19 sind über das Diffusionsschweißen stoffschlüssig miteinander verbunden. Der Stirnzapfen 19 bildet hierbei den Verbindungsabschnitt, der in der zentralen Ausnehmung 18 des Laufrades 23 aufgenommen ist.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß 10 weist das Laufrad 23 auf der der Beschaufelung abgewandten Seite einen axial überstehenden Stirnzapfen 21 auf, der einen Verbindungsabschnitt bildet und in eine zentrale stirnseitige Ausnehmung 20 in der Welle 7 einragt, wobei die Kontaktflächen von Stirnzapfen 21 und zentraler Ausnehmung 20 im Wege des Diffusionsschweißens stoffschlüssig miteihander verbunden sind.
