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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ladevorrichtung, insbesondere einen Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Aus der
DE 196 53 217 C2 ist ein Turbolader für Verbrennungsmotoren bekannt. Dabei wird bei Temperaturschwankungen auf der Verdichterseite sowohl eine Wärmeausdehnung der Welle sowie eines auf der Welle angeordneten Verdickterrades als auch eine Wärmeausdehnung von Teilbereichen des umgebenden Gehäuses berücksichtigt. Durch zumindest die Ausbildung eines an dem Verdichtergehäuse angeordneten und dem Verdichterrad zugewandten Wandelementes aus einem Werkstoff, der weicher als der Werkstoff des Verdichterrads ist, kann im Falle einer Wärmeausdehnung das Verdichterrad bei Kontakt mit dem Wandelement dieses soweit abraspeln, bis zwischen Verdichterrad und Wandelement gerade kein Kontakt mehr auftritt. Dadurch ist zusätzlich der Spalt zwischen einer Gehäuseinnenwand und dem Verdichterrad minimiert und der Verdichterwirkungsgrad verbessert.
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Auch Bauteile, die verdichterseitig auf der Welle angeordnet sind, unterliegen, wie die Welle selbst, im Falle einer Temperaturerhöhung einer Wärmeausdehnung. Dabei ist es derzeit üblich, zumindest einige auf der Welle angeordnete Bauteile aus einer mit der Welle einheitlichen Stahlsorte herzustellen. Für das Verdichterrad kann zur Gewichtsreduzierung aber auch ein Aluminium- oder Titanwerkstoff eingesetzt werden. Um einer Unwucht des Verdichterrads vorzubeugen, werden die auf der Welle angeordneten Bauteile durch eine Fixiereinrichtung mit einer dementsprechenden, anfänglichen Spannkraft auf der Welle fixiert. Im Falle einer Temperaturerhöhung dehnt sich jedoch aufgrund des höheren Ausdehnungskoeffizienten das Verdichterrad aus z. B. einem Aluminium- oder Titanwerkstoff stärker aus, als die Welle. Dadurch erhöht sich die Spannkraft mit der die Bauteile auf der Welle fixiert werden zusätzlich um eine durch die stärkere Wärmeausdehnung des Verdichterrades hervorgerufene Ausdehnungskraft. Dementsprechend ist diese durch die Wärmeausdehnung auftretende Ausdehnungskraft bei der anfänglichen Spannkraft zu berücksichtigen, da sonst die zulässige Flächenpressung der verspannten Bauteile überschritten werden kann und es im schlimmsten Fall zu einem Abreißen der Welle kommen kann. Es ist allerdings denkbar, dass die maximal zulässige anfängliche Spannkraft nicht immer für alle Temperatureinsatzbereiche der auf der Welle angeordneten Bauteile ausreichend ist. Aufgrund einer zu geringen anfänglichen Spannkraft, die im Falle einer absinkenden Temperatur, z. B. im Winter, durch den großen Ausdehnungskoeffizienten des Verdichterrades zusätzlich noch abgeschwächt werden kann, kann es zu einem Verrutschen, Verdrehen oder Verkippen des Verdichterrades kommen. Daraus kann wiederum eine negative Unwuchtänderung des Verdichterrades resultieren, die als akustische Störung vom Kunden beanstandet werden könnte.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Fixiereinrichtung zum Fixieren eines Verdichterrades auf einer Welle einer Ladevorrichtung bzw. für eine Ladevorrichtung eine verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine Vergrößerung des Temperatureinsatzbereiches auszeichnet.
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Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, zwischen einer Fixiereinrichtung zum Fixieren eines Verdichterrades auf einer Welle einer Ladevorrichtung, insbesondere eines Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug, und der Welle selbst einen Fixierbereich zu schaffen, in welchem die Fixiereinrichtung und die Welle nicht miteinander in Kontakt stehen und in welchem eventuell auftretende Temperaturdehnung aufgenommen werden können. Durch den Freibereich ist ein Dehnlängenbereich der Welle vorteilhaft gegenüber dem Verdichterrad vergrößert. Dadurch kann der Ausdehnungslängenunterschied zwischen Welle und Verdichterrad verkleinert werden und die im vorbestimmten Temperaturbereich auftretenden Spannungen sind bei Temperaturerhöhung vermindert. Dies macht den Wellenverband unempfindlicher gegenüber Temperaturänderungen schon allein durch Ersetzen der vorhandenen Fixiereinrichtung durch eine erfindungsgemäße, ohne dass geometrische Änderungen des Wellenverbandes nötig sind. Somit eignet sich eine derartige Fixiereinrichtung auch als Nachrüstsatz zur Verbesserung der Ladeeinrichtung. Dies ist vom Prinzip her bei allen Ladeeinrichtungen mit verspanntem Verdichterrad anwendbar.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist in dem vorbestimmten Temperaturbereich der Ausdehnungskoeffizient zumindest des Freibereiches nicht nur bevorzugt kleiner als der Ausdehnungskoeffizient des Verdichterrades sondern besonders bevorzugt sogar kleiner als der Ausdehnungskoeffizient der Welle. Dadurch lässt sich oben beschriebener Effekt vergrößern und demgemäß kann auch die anfängliche Spannkraft weiter erhöht werden und/oder der Temperatureinsatzbereich ist vorteilhaft vergrößert.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Ladevorrichtung, insbesondere ein Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug, mit einer ein Verdichterrad tragenden Welle, mit einer Fixiereinrichtung zum Fixieren des Verdichterrades auf der Welle, wobei die Fixiereinrichtung einen Fixierbereich aufweist, mittels dem sie mit der Welle fest verbunden ist. Zumindest an der Welle und/oder an der Fixiereinrichtung sind/ist ein Freibereich zur Temperaturdehnung vorgesehen, in welchem die Welle und die Fixiereinrichtung nicht miteinander in Kontakt stehen.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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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.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
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1 ein auf einer Welle fixiertes Verdichterrad,
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2 eine Fixiereinrichtung mit einem Freibereich.
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Wie in 1 dargestellt ist, kann bei einer Ladevorrichtung 1 ein Verdichterrad 2 auf einer Welle 3 mittels einer Fixiereinrichtung 4 fixiert werden. Zusätzlich zu dem Verdichterrad 2 kann des Weiteren auch zumindest ein weiteres Bauteil, wie z. B. eine Dichtungsbuchse 5, ein vorgelagerter, zwischen Dichtungsbuchse 5 und Verdichterrad 2, angeordneter Teilbereich 6 der Dichtungsbuchse 5 und/oder eine Anlaufscheibe 7 durch die Fixiereinrichtung 4 zusammen mit dem Verdichterrad 2 auf der Welle 3 positioniert werden. Um in einem vorbestimmten Temperaturbereich eine Wärmeausdehnung des Verdichterrades 2, das bevorzugt aufgrund des geringen Gewichts aus einem Aluminium- und/oder Titanwerkstoff hergestellt ist, zumindest teilweise zu kompensieren, wird eine erfindungsgemäße Fixiereinrichtung 4 verwendet, die einen Fixierbereich 8 und einen Freibereich 9 aufweist. Selbstverständlich kann der zur Aufnahme von Temperaturdehnungen dienende Freibereich 9 dabei an der Welle 3 und/oder an der Fixiereinrichtung 4 angeordnet sein.
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Mit dem Fixierbereich 8 ist die Fixiereinrichtung 4 an der Welle 3 fest angebunden, während in dem Freibereich 9 die Welle 3 und die Fixiereinrichtung 4 nicht miteinander in Kontakt stehen. Dadurch ist der ursprüngliche Dehnlängenbereich l01 der Welle 3 um die Länge l04 des Freibereichs 9 vergrößert. Vorzugsweise kann am Freibereich 9 der Fixiereinrichtung 4 eine Aussparung 10 angeordnet sein. Es kann der Freibereich 9 aber auch zumindest teilweise an der Welle 3 liegen. Dabei ist unter einem ursprünglichen Dehnlängenbereiches l01 diejenige Dehnlänge der Welle 3 zu verstehen, wenn die Fixiereinrichtung 4 nicht mit einem Freibereich 9 ausgestattet ist bzw. der Freibereich 9 ebenfalls als Fixierbereich 8 ausgebildet ist.
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Durch die Vergrößerung des ursprünglichen Dehnlängenbereiches l01 um die Länge l04 kann bei Temperaturanstieg die stärkere Ausdehnung des Verdichterrades 2 zumindest teilweise durch den Freibereich 9 kompensiert werden. Eine Vergrößerung des Dehnlängenbereiches l01 tritt letztlich auch durch die Verwendung der Bauteile 5, 6, 7 ein.
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Des Weiteren kann zumindest ein ebenfalls auf der Welle 3 angeordnetes und zusammen mit dem Verdichterrad 2 durch die Fixiereinrichtung 4 positioniertes Bauteil 5, 6, 7 aus einem Material hergestellt sein, dessen Ausdehnungskoeffizient α3 kleiner ist als der Ausdehnungskoeffizient α1 des Verdichterrades 2. Aufgrund einer solchen Materialpaarung dehnt sich eine Kombination aus Verdichterrad 2 mit einem Ausdehnungskoeffizienten α1 und zumindest einem Bauteil 5, 6, 7 mit einem kleineren Ausdehnungskoeffizienten α3 (α1 > α3) relativ gesehen zur Welle 3 weniger stark aus als das Verdichterrad 2 für sich allein genommen. Dies hat zur Folge, dass die aus der Wärmeausdehnung resultierende und auf die Welle 3 wirkende Kraft geringer ist, als im Fall eines Verdichterrades 2 aus einem Aluminium- und/oder Titanwerkstoff und ebenfalls auf der Welle angeordneten Bauteilen 5, 6, 7, die aus einem gleichen Material wie die Welle 3 hergestellt sind oder einen ähnlichen Ausdehnungskoeffizienten α2 wie die Welle 3 aufweisen. Dies gilt analog zu den Bauteilen 5, 6, 7 auch für den Freibereich 9 und seinen zugehörigen Ausdehnungskoeffizienten α4.
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Üblicherweise werden durch die Fixiereinrichtung 4 das Verdichterrad 2 sowie weitere Bauteile 5, 6, 7 auf der Welle durch Verspannung fixiert. Dabei ist eine anfängliche Spannkraft so zu wählen, dass im Falle einer durch eine Temperaturerhöhung eintretenden Wärmeausdehnung aller Komponenten durch die entstehende und auf die Welle wirkende Ausdehnungskraft die zulässige Flächenpressung der verspannten Bauteile 2, 4, 6, 5, 7 nicht überschritten wird. Wären sowohl die Fixiereinrichtung 4 als auch die Bauteile 5, 6, 7 aus einem gleichen Material hergestellt, wie die Welle 3, so würde ausschließlich die Wärmeausdehnung des Verdichterrades 2 zu einer zusätzlich zur Spannkraft auftretenden und auf die Welle 3 wirkenden Ausdehnungskraft im Falle einer Temperaturerhöhung führen. Dies kommt deshalb zustande, da der Ausdehnungskoeffizient α2 der Welle aufgrund der üblichen Materialpaarung kleiner ist, als der Ausdehnungskoeffizient α1 des Verdichterrades 2. Im Falle einer Temperaturerhöhung ist somit unter anderem die entlang der Welle 3 eintretende Ausdehnung des Verdichterrades 2 größer als die Längenausdehnung der Welle 3. Dadurch kommt es, da der axiale Platz des Verdichterrades 2 auf der Welle 3 durch die Fixiereinrichtung 4 beschränkt ist, zu einer aufgrund der Wärmeausdehnung resultierenden Krafteinwirkung auf die Welle 3. Deshalb muss die anfängliche Spannkraft, mit der die Bauteile 2, 5, 6, 7 auf der Welle positioniert werden, so gewählt werden, dass auch im Falle einer Wärmeausdehnung die maximal zulässige Flächenpressung der miteinander verspannten Bauteile 2, 4, 5, 6, 7 nicht überschritten wird.
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Nun ist es möglich, diese anfängliche Spannkraft zu erhöhen, wenn die Fixiereinrichtung 4 und/oder die Welle 3 mit einem Freibereich 9 ausgestattet werden/wird. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn keine Bauteile 5, 6, 7 vorhanden sind, die mit dem Verdichterrad 2 zusammen verspannt werden. Ebenfalls kann diese anfängliche Spannkraft erhöht werden, wenn zumindest eines der Bauteile 5, 6, 7 mit einem Ausdehnungskoeffizienten α3 ausgestattet wird, der zumindest kleiner ist als der Ausdehnungskoeffizient α1 des Verdichterrades 2. Dies gilt ebenfalls analog zu den Bauteilen 5, 6, 7 auch für den Freibereich 9 und seinen zugehörigen Ausdehnungskoeffizienten α4. Durch solche Maßnahmen lässt sich die aufgrund der Temperaturerhöhung einstellende Ausdehnungskraft verringern, wodurch es möglich wird, die anfängliche Spannkraft zu erhöhen. Dies hat wiederum den Vorteil, dass im gesamten, vorbestimmten und betrachteten Temperaturbereich, bzw. dem Betriebsbereich der Ladevorrichtung 1, die auf die Bauteile 2, 4, 6, 5, 7 wirkende Spannkraft in einem Bereich bleibt, in dem weder die zulässige Flächenpressung der verspannten Bauteile 2, 4, 5, 6, 7 überschritten wird, noch die auf die Bauteile 2, 5, 6, 7 wirkende Spannkraft, z. B. aufgrund einer Temperaturerniedrigung, soweit abfällt, dass es zu einem Verrutschen, Verdrehen oder Verkippen zumindest des Verdichterrades 2 kommt.
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Bevorzugt kann der Ausdehnungskoeffizient α3 und/oder α4 in einem vorbestimmten Temperaturbereich des zumindest einen Bauteils 5, 6, 7 oder zumindest des Freibereiches 9 der Fixiereinrichtung 4 so gewählt werden, dass er sogar kleiner als der Ausdehnungskoeffizient α2 der Welle 3 ist. In diesem Fall würde sich die Welle 3 gegenüber dem zumindest einen Bauteil 5, 6, 7 bzw. gegenüber dem Freibereich 9 stärker ausdehnen als das zumindest eine Bauteil 5, 6, 7 bzw. der Freibereich 9. Dadurch kommt es zu einem Platzgewinn im Falle einer Wärmeausdehnung bei einer Temperaturerhöhung, der der Wärmeausdehnung des Verdichterrades 2 zur Verfügung steht. Durch diese Materialverpaarung kann die aufgrund einer mit einer Temperaturerhöhung einhergehenden Wärmeausdehnung des Verdichterrades 2 stärker oder sogar bei dementsprechender Ausbildung, nahezu vollständig kompensiert werden. Dadurch ist eine weitere Verminderung der durch Temperaturerhöhung eintretenden Ausdehnungskraft ermöglicht. Dies ist im Prinzip bei allen Ladevorrichtungen 1 durchführbar, bei denen z. B. die Welle aus Stahl oder einer Stahllegierung hergestellt ist und das Verdichterrad aus Aluminium oder Titan oder einer Aluminiumlegierung und/oder einer Titanlegierung hergestellt ist. In diesem Fall ist der Ausdehnungskoeffizient α2 der Welle 3 in jedem Fall kleiner als der Ausdehnungskoeffizient α1 des Verdichterrades 2.
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Bevorzugt wird für zumindest ein solches Bauteil 5, 6, 7 bzw. für einen solchen Freibereich 9 eine Legierung verwendet, die aufgrund des Invar-Effektes der Legierung einen Ausdehnungskoeffizienten α3 bzw. α4 aufweist, der anormal niedrig ist. Solche Legierungen, die eine derartige Invarianz der Dehnung bzgl. einer Temperaturänderung aufweisen (Invar-Effekt) können sogar in bestimmten Temperaturbereichen negative Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Dadurch lassen sich Ausdehnungskoeffizienten α3 bzw. α4 von zumindest einem Bauteil 5, 6, 7 bzw. von einem solchen Freibereich 9 ausbilden, die nahezu null bzgl. negativ sind.
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Das Prinzip, die Wärmeausdehnung des Verdichterrades 2 durch zumindest ein Bauteil 5, 6, 7 mit einem geringeren Ausdehnungskoeffizienten zu kompensieren, kann für jedes zusammen mit dem Verdichterrad 2 auf der Welle 3 angeordneten und durch die Fixiereinrichtung 4 positionierten bzw. verspannten Bauteil angewendet werden. So lassen sich z. B. die Bauteile 5, 6, 7 mit einem im Vergleich zu dem Ausdehnungskoeffizienten α1 des Verdichterrades 2 geringeren Ausdehnungskoeffizienten α3 ausbilden. Ebenso ist es möglich, zumindest den Freibereich 9 so auszubilden, dass dieser einen Ausdehnungskoeffizienten α4 aufweist, der kleiner ist als der Ausdehnungskoeffizient α1 des Verdichterrades 2. Ebenso lässt sich zumindest der Freibereich 9 mit einem Ausdehnungskoeffizienten α4 ausstatten, der auch kleiner als der Ausdehnungskoeffizient α2 des Wellenabschnittes sein kann. Dies lässt sich, ebenso wie bei den Bauteilen 5, 6, 7 durch eine Legierung erreichen, die einen Invar-Effekt aufweist. Dadurch ist der Ausdehnungskoeffizient α4 der Legierung eines solchen Freibereiches 9 anomal niedrig und durch eine solche Ausbildung des Ausdehnungskoeffizienten αf lässt sich die oben beschriebene Kompensation der Wärmeausdehnung des Verdichterrades 2 bewerkstelligen.
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Dabei ist es möglich, dass eine solche Fixiereinrichtung 4 einstückig oder mehrteilig auszubilden. Bei einer mehrteiligen Ausbildung kann der Freibereich 9 als separates Bauteil, z. B. in Form einer Unterlagsscheibe, einer Distanzhülse oder dergleichen, ausgebildet sein. Bei einer einstückigen Ausbildung ist zumindest bzgl. des Fixierbereiches 8 und des Freibereichs 9 die Verwendung von unterschiedlichen Materialien denkbar. So können für die beiden Bereich 8, 9 unterschiedliche metallische Materialien verwendet werden oder man bildet den Fixierbereich 8 aus Metall und den Freibereich 9 aus Kunststoff aus. Dabei könnte der Freibereich 9 aus Kunststoff an den Fixierbereich 8 angespritzt werden. Des Weiteren kann zumindest für den Freibereich 9 ein Material verwendet werden, das eine hohe elastische Verformbarkeit aufweist, so dass durch elastische Verformung die starke Längenausdehnung des Verdichterrades 2 zumindest teilweise kompensiert wird.
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Vorteilhaft kann dabei der Freibereich 9 auch als Tellerfeder ausgebildet sein. Vorzugsweise nimmt der Freibereich 9 10% bis 75% der axialen Gesamtlänge der Fixiereinrichtung 4, besonders bevorzugt 20% bis 55% und ganz besonders bevorzugt 30% bis 45% aus.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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