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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Momente übertragenden, lösbaren Festlegung eines Verdichterrads an einer Antriebswelle einer Strömungsmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft auch ein Verdichterrad mit einer Antriebswelle und einer Vorrichtung zu deren Anordnung an der Antriebswelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7.
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Bei der Strömungsmaschine kann es sich beispielsweise um einen Turbolader einer Brennkraftmaschine handeln, der vom Abgas der Brennkraftmaschine beaufschlagt wird und ein Laufzeug mit einem auf einer Antriebswelle befestigten Turbinenrad sowie Verdichterrad aufweist. Da das Laufzeug mit hoher Drehzahl arbeitet, ist es von wesentlicher Bedeutung, Drehungleichförmigkeiten oder Unwuchten zu vermeiden, da anderenfalls aufgrund der davon ausgehenden Schwingungsbelastung die Lebensdauer der Strömungsmaschine verkürzt wird. Mit dem Verdichterrad wird die axial eintretende Verbrennungsluft in radialer Richtung umgelenkt und beschleunigt. Das dabei auftretende Reaktionsmoment stützt sich über die Nabe des Verdichterrads an der Antriebswelle ab.
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Zur Vermeidung der unerwünschten Drehungleichförmigkeiten muss das Verdichterrad an der Antriebswelle exakt zentriert festgelegt werden und diese zentrierte Anordnung darf auch bei den sich im Betrieb einstellenden hohen Drehzahlen nicht verloren gehen. Andernfalls kommt es nämlich zu einem unrunden Lauf des Verdichterrads und einhergehend damit zu der angesprochenen Verkürzung der Lebensdauer der Strömungsmaschine.
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Zur zentrierenden Befestigung des Verdichterrads an der Antriebswelle sind von der Anmelderin bereits Vorschläge gemacht worden. So ist es anhand der
DE 197 36 333 C1 bekannt geworden, das Verdichterrad an der Antriebswelle mittels eines Presssitzes festzulegen. Zu diesem Zweck wird eine Hülse zwischen der Nabe und der Antriebswelle angeordnet, die in einem ersten Teilbereich einen Preßsitz zwischen der Hülse und der Nabe schafft und in einem davon im Abstand angeordneten zweiten Teilbereich einen Preßsitz zwischen der Antriebswelle und der Hülse bereitstellt und zwischen diesen beiden Teilbereichen einen Bereich ohne Preßsitz aufweist. Damit wird erreicht, dass auch bei der größten auftretenden Dehnung der Nabe eine Vorspannung zwischen Nabe und Hülse erhalten bleibt.
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Anhand der
DE 101 01 165 C2 ist eine Befestigungsvorrichtung für ein Verdichterrad an der Antriebswelle einer Strömungsmaschine bekannt geworden, die einen Mitnehmer aufweist, der einen Pressverbund zwischen der Nabe des Verdichterrads und dem Mitnehmer ausbildet. Das Verdichterrad weist eine, einen Schwanenhals ausbildende Verjüngung auf und zwar an der vom Mitnehmer abgewandten Seite, dem sich ein Zentrierstück anschließt, welches dann, wenn bei zunehmender Drehzahl des Verdichterrads die Verjüngung für einen radiales Aufweiten des Verbundes sorgt, mit zunehmender Flächenpressung an der Antriebswelle festliegt und somit auch bei hoher Drehzahl der Antriebswelle für eine gute Zentrierung des Verdichterrads an der Antriebswelle sorgt.
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Nach einer weiteren, auf die Anmelderin zurückgehenden Ausführungsform ist es bekannt geworden, zwischen der Stirnfläche des Verdichterrads und einer Stirnfläche des hülsenförmigen Mitnehmers Zentrierstifte anzuordnen, die auch bei hohen Drehzahlen der Antriebswelle für eine saubere Zentrierung des Verdichterrads relativ zum Mitnehmer sorgen. Zwischen dem Mitnehmer und der Nabe des Verdichterrads ist auch bei dieser Ausführungsform ein Preßsitz vorgesehen. Die Momentenübertragung findet bei dieser Ausführungsform über eine Keilwellenverbindung zwischen der Antriebswelle und dem Mitnehmer statt. Dies macht deutlich, dass bei dieser Konfiguration eine kostenintensive und aufwändige Bearbeitung der Keilwellenverbindung erforderlich ist und zudem über die für die Anordnung der Zentrierstifte notwendigen Bohrungen an der Stirnfläche des Verdichterrads und des Mitnehmers Kerbspannungen in den Verbund eingeleitet werden, die negative Auswirkungen auf die Lebensdauer des Verbunds besitzen und zudem für eine Verringerung der Festigkeit des Verdichterrads im Bereich der Stirnfläche sorgen.
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Dadurch wiederum steigt die Gefahr einer Aufweitung des Verdichterrads im Bereich der Stirnfläche an und damit die Gefahr, dass das Verdichterrad vom Mitnehmer abhebt und dadurch Drehungleichförmigkeiten hervorgerufen werden. Zudem können gerade die Zentrierstifte für das Entstehen von Drehungleichförmigkeiten verantwortlich sein, wenn sie voneinander abweichende Eigenmassen aufweisen.
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Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur lösbaren Befestigung des Verdichterrads an der Antriebswelle zu schaffen; die eine sichere Momentenübertragung zwischen dem Verdichterrad und der Antriebswelle ermöglicht und die Einleitung von Kerbspannungen in das Verdichterrad verringert. Zudem soll ein Verbund aus Verdichterrad, Antriebswelle und der Vorrichtung geschaffen werden.
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Die Erfindung weist zur Lösung dieser Aufgabe hinsichtlich der Vorrichtung die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale auf. Vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben. Darüber hinaus weist die Erfindung hinsichtlich des Verbunds die im Anspruch 7 angegebenen Merkmale auf, wobei eine vorteilhafte Ausgestaltung hiervon im Anspruch 8 angegeben ist.
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Die Erfindung sieht eine Vorrichtung vor zur Momente übertragenden, lösbaren Festlegung eines Verdichterrads an einer Antriebswelle einer Strömungsmaschine, mit einem zwischen Antriebswelle und Verdichterrad vorgesehenen und zumindest abschnittsweise rohrstückförmigen Mitnehmer, der mit zur Momentenübertragung relativ zur Antriebswelle ausgebildeten radial inneren Flächen und mit zur Momentenübertragung relativ zum Verdichterrad ausgebildeten radial äußeren Flächen versehen ist, wobei die inneren und äußeren Flächen in einem jeweiligen Schnitt quer zur Längsmittelachse der Antriebswelle eine von einer kreisförmigen Konfiguration abweichende Konfiguration besitzen und in Umfangsrichtung mit jeweils stetiger Krümmung ausgebildet sind.
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Die am Mitnehmer vorgesehenen inneren und äußeren Flächen weisen also eine Krümmung auf, die stetig verläuft, also keine Unstetigkeitsstellen aufweist, also keine sich sprunghaft verändernde Krümmungen besitzen, wie dies beispielsweise bei einem Keilwellenprofil der Fall ist. Bei einem außen liegenden Keilwellenprofil nämlich verändert sich dort, wo vom inneren Grundkreis aus das Keilprofil ansteigt, die Krümmung der äußeren Fläche sprunghaft, was bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht der Fall ist. In ähnlicher Weise verändert sich bei einem innenliegenden Keilwellenprofil die Krümmung dort, wo vom äußeren Grundkreis aus das Keilprofil ansteigt, sprunghaft, was bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ebenfalls nicht der Fall ist.
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Die vom jeweiligen Grundkreis ausgehenden Keilprofile führen nämlich zu dem Eintrag von Kerbspannungen in die Antriebswelle beziehungsweise den Mitnehmer oder die Nabe des Verdichterrads, was nach der Erfindung eben gerade vermieden werden soll.
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Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der inneren und äußeren Flächen mit einer von einer kreisförmigen Konfiguration abweichenden Konfiguration wird erreicht, dass zwischen der Antriebswelle und dem Mitnehmer beziehungsweise dem Mitnehmer und der Nabe des Verdichterrads ein formschlüssiges Profil zur Momentenübertragung vorhanden ist, welches keine Kerbspannungen in den Verbund aus Antriebswelle, Mitnehmer und Verdichterrad einträgt und darüber hinaus im Vergleich beispielsweise zu einem Keilwellenprofil kostengünstiger hergestellt werden kann.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird darüber hinaus auch erreicht, dass der Mitnehmer auf der Antriebswelle selbsttätig zentrierend angeordnet ist und das Verdichterrad wiederum selbsttätig zentrierend auf dem Mitnehmer und die zentrierte Anordnung auch bei hohen Drehzahlen des Laufzeugs der Strömungsmaschine erhalten bleibt, was bei einem einfachen Preßsitz mit kreisförmigen Konfiguration der beteiligten Fügepartner zwischen dem Mitnehmer und dem Verdichterrad nicht sicher gewährleistet ist. Durch die von einer Kreisform abweichende Konfiguration der inneren und äußeren Flächen wird eine Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen den Fügepartnern und damit eine sichere Momentenübertragung bei vorbestimmter Flächenpressung zwischen den Fügepartnern erreicht und auch die für die Zentrierung zur Verfügung stehende Fläche zwischen den Fügepartnern wird damit vergrößert.
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Die Erfindung sieht dabei nach einer Weiterbildung vor, dass die Innenfläche einer Nabe des Verdichterrads form- und flächenkomplementär zur radial äußeren Fläche des Mitnehmers und eine Außenfläche der Antriebswelle form- und flächenkomplementär zur radial inneren Fläche des Mitnehmers ausgebildet sind. Auf diese Weise. wird eine sehr gute Zentrierung zwischen den Fügepartnern erreicht, die auch bei hoher Drehzahl des Laufzeugs erhalten bleibt, ohne dass dazu Zentriermittel erforderlich sind, die zum Eintrag von Kerbspannungen in den Verbund führen, wie dies bei der oben genannten bekannten Ausführungsform der Fall ist.
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Es ist nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die inneren und äußeren Flächen relativ zueinander derart angeordnet sind, dass eine Wandstärke des rohrstückförmigen Bereichs des Mitnehmers zwischen den Flächen weitgehend gleich bleibend ausgebildet ist. Die inneren und äußeren Flächen sind also beispielsweise nicht winkelig zueinander versetzt angeordnet, sondern so, dass sich zwischen ihnen eine für die Momentenübertragung erforderliche gleich bleibende Wandstärke des Mitnehmers einstellt. Aufgrund der gleich bleibenden Wandstärke und der wesentlichen Reduzierung der Wirkungen der Kerbspannungen auf den Mitnehmer kann der Mitnehmer insgesamt schwächer dimensioniert ausgebildet werden als der Mitnehmer bei der vorstehend beschriebenen bekannten Konfiguration mit den Zentrierstifte, bei trotzdem vergleichbarer Momentenübertragungskapazität.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform ist es vorgesehen, dass ein Bereich des Mitnehmers zwischen der Antriebswelle und dem Verdichterrad in einer Schnittansicht quer zur Längsmittelachse der Antriebswelle ähnlich einem gleichseitigen Dreieck mit konvex gekrümmten Seiten und abgerundeten Ecken ausgebildet ist. Durch die abgerundeten Ecken wird erreicht, dass in das Gegenprofil, also die innere Kontur der Nabe des Verdichterrads keine Kerbspannungen eingetragen werden, wie dies bei einer scharfen Kante im Innenprofil der Nabe der Fall wäre.
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Schließlich ist es auch vorgesehen, dass der Mitnehmer eine Flanschfläche aufweist, die sich radial über die äußeren Flächen hinaus erstreckt und zur Anlage an einer Stirnfläche des Verdichterrads ausgebildet ist. Dadurch wird eine Kontaktfläche zwischen der Flanschfläche und der Stirnfläche erreicht, die ebenfalls zur Momentenübertragung zwischen dem Mitnehmer und dem Verdichterrad auf der Basis einer reibschlüssigen Kraftübertragung verwendet werden kann, wodurch die Momentenübertragungskapazität zwischen dem Mitnehmer und dem Verdichterrad weiter erhöht werden kann.
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Um etwaige Drehungleichförmigkeiten des Verbundes zwischen dem Verdichterrad, dem Mitnehmer und der Antriebswelle verringern oder beseitigen zu können, sieht die Erfindung auch einen Bereich zwischen einer Stirnfläche des Verdichterrads und einer Flanschfläche des Mitnehmers vor, an dem Materialausnehmungen in der Form beispielsweise von kleinen Bohrungen angebracht werden können, mit dem Material zur Beseitigung etwaiger Unwuchten entfernt werden kann.
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Schließlich sieht die Erfindung auch ein Spannelement vor, welches mittels einer Dehnschraube, die in einer in der Antriebswelle axial verlaufenden Gewindebohrung lösbar festgelegt werden kann, gegen den Mitnehmer vorgespannt werden kann, um die Flanschfläche des Mitnehmers mit einer vorbestimmten Flächenpressung gegen die Stirnfläche zur Momentenübertragung beaufschlagen zu können.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in:
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1 eine Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung in einer Längsschnittdarstellung; und
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2 eine Schnittansicht gemäß S1-S1 nach 1.
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1 der Zeichnung zeigt eine Schnittansicht eines Verdichterrads 1, welches an einer Antriebswelle 2 eines nicht näher dargestellten Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine vorgesehen ist. Der Abgasturbolader weist in bekannter Weise eine vom Abgas der Brennkraftmaschine beaufschlagte Turbine auf, die die Antriebswelle 2 in Drehung versetzt und damit das Verdichterrad 1 antreibt.
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Das Verdichterrad 1 weist eine in Achsrichtung ungleiche Massenverteilung auf und wird über einen rohrstückförmigen Mitnehmer 3 an einem einlaufseitigen Ende, welches mit einem, mit dem Schnittverlauf S1-S1 bezeichneten Ende übereinstimmt, festgelegt.
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Wie es ohne weiteres anhand der Zeichnung ersichtlich ist, wird das Verdichterrad 1 über eine Dehnschraube 4, welche in einer Gewindebohrung 8 lösbar festgelegt ist, axial fixiert und zwar unter Verwendung eines Spannelementes 5, welches gegen eine Stirnfläche 9 des Mitnehmers 3 drückt, der über eine Flanschfläche 10 an einer Stirnfläche 11 des Verdichterrads 1 anliegt.
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Als Widerlager dient dabei ein Laufring 13, der sich an einem Bund 14 der Antriebswelle 2 abstützt. Zwischen dem Laufring 13 und einem dem einlaufseitigen Ende des Verdichterrads 1 gegenüberliegenden Endbereich des Verdichterrads 1 ist ein Labyrinthring 16 angeordnet, der einen Zentrierabschnitt 17 übergreift, der sich an eine Verjüngung anschließt. Wird das Verdichterrad 1 in Drehung versetzt, sorgt die Verjüngung dafür, dass aufgrund der Zentrifugalwirkung des mit einer hohen Drehmasse versehenen Verdichterrads 1 der Zentrierabschnitt 17 eine in Richtung nach radial innen wirkende Klemmkraft an der Antriebswelle 2 ausübt und somit dafür sorgt, dass das Verdichterrad 1 von der Antriebswelle 2 nicht abhebt und auch bei hoher Drehzahl weiterhin sauber zentriert daran anliegt.
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Zur Momentenübertragung und zur zentrierten Anordnung des Verdichterrads 1 an der Antriebswelle 2 weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zwischen der Antriebswelle 2 und einer Nabe 19 des Verdichterrads 1, mit der es an dem Mitnehmer 3 drehfest festgelegt werden kann, innere und äußere Flächen 6, 7 auf, die jeweils zu einer formschlüssigen Momentenübertragung ausgebildet sind und eine von einer kreisförmigen Konfiguration abweichende Ausbildung besitzen und in Umfangsrichtung mit jeweils stetiger Krümmung ausgebildet sind.
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Bei der dargestellten Ausführungsform sind diese Funktionsflächen am Mitnehmer 3 ausgebildet worden. Wie es näher anhand von 2 der Zeichnung ersichtlich ist, weist der Mitnehmer 3 in einer Schnittansicht quer zur Längsmittelachse 12 der Antriebswelle 2 eine Ausbildung ähnlich einem gleichseitigen Dreieck mit konvex gekrümmten Seiten 20 auf, wobei die jeweiligen Ecken 21 zwischen den Seiten 20 nicht scharfkantig sondern abgerundet ausgebildet sind.
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Der Mitnehmer 3 weist innere Flächen 6 auf, die sich in Formschluss befinden mit äußeren Gegenflächen 22 des im Kontaktbereich mit den inneren Flächen 6 des Mitnehmers 3 form- und flächenkomplementär ausgebildeten Abschnitts der Antriebswelle 2, so dass der Mitnehmer 3 an der Antriebswelle 2 zentriert angeordnet ist und des von der Antriebswellen übertragene Drehmoment auf des Verdichterrad 1 übertragen kann.
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Zu diesem Zweck besitzt der Mitnehmer 3 äußere Flächen 7, an denen das Verdichterrad 1 mit seiner Nabe 19 zentriert angeordnet ist, wobei die Nabe 19 innere Gegenflächen 23 aufweist, die form- und flächenkomplementär zu dem äußeren Flächen 7 des Mitnehmers 3 ausgebildet sind. Damit befindet sich das Verdichterrad 1 über die Nabe 19 und dem Mitnehmer 3 an der Antriebswelle 2 zentriert angeordnet und die Zentrierung geht aufgrund der großen Kontaktfläche zwischen den äußeren Flächen 7 und den Gegenflächen 23 der Nabe 19 bei hohen Drehzahl des Laufzeugs des dargestellten Abgasturboladers auch nicht verloren.
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Aufgrund des Wegfalls der bei der bekannten Anordnung vorgesehenen Zylinderstifte ist ein Auswuchten des Verbunds deutlich einfacher zu bewerkstelligen als bei der bekannten Anordnung. Zu diesem Zweck kann der Bereich 24 zwischen dem Bund 25 des Mitnehmers 3 und der Stirnfläche 11 als Wuchtentnahme herangezogen werden. Aber auch der Bund 25 bzw. der Mitnehmer 3 selbst können als Wuchtentnahme dienen.
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Durch die Kombination von zwei formschlüssigen Verbindungen hintereinander in der Form der am Mitnehmer 3 ausgebildeten inneren und äußeren Flächen 6, 7 sowie der zugehörigen Gegenflächen 22, 23 an der Antriebswelle 2 und der Nabe 19 wird auch Bauraum eingespart, da diese Verbindung weniger Bauraum benötigt als der bekannte Verbund aus Keilwelle und Zylinderstift sowie Preßsitz.
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Mit dem verkleinerten Bauraum und den geringeren Belastungen kann der Durchmesser der Nabe 19 verkleinert werden und damit auch die Drehmasse des Verdichterrads 1 verringert werden. Dadurch kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch an Abgasturboladern mit kleinen Abmessungen verwendet werden und das Ansprechverhalten des Abgasturboladers aufgrund der Verringerung seines Rotationsträgheitsmoments ebenfalls verbessert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verdichterrad
- 2
- Antriebswelle
- 3
- Mitnehmer
- 4
- Dehnschraube
- 5
- Spannelement
- 6
- innere Flächen
- 7
- äußeren Flächen
- 8
- Gewindebohrung
- 9
- Stirnfläche
- 10
- Flanschfläche
- 11
- Stirnfläche
- 12
- Längsmittelachse
- 13
- Laufring
- 14
- Bund
- 15
-
- 16
- Labyrinthring
- 17
- Zentrierabschnitt
- 18
-
- 19
- Nabe
- 20
- Seite
- 21
- Ecke
- 22
- äußere Gegenfläche
- 23
- innere Gegenfläche
- 24
- Bereich
- 25
- Bund
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19736333 C1 [0004]
- DE 10101165 C2 [0005]
