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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Aus der
DE 10 2004 039 477 A1 ist ein Abgasturbolader bekannt, der ein Lagergehäuse zur Lagerung eines Turbinenrads, ein Spiralgehäuse, das einen das Turbinenrad in Umfangsrichtung umschließenden Spiralraum axial beiderseits und radial begrenzt, sowie einen Haltering aufweist, der bezüglich des Lagergehäuses fest angeordnet ist und an dem das Spiralgehäuse befestigt ist. Beim bekannten Abgasturbolader erstreckt sich das Spiralgehäuse mit einem dem Lagergehäuse zugewandten Wandabschnitt radial nach innen bis zu einem Lagerring einer variablen Turbinengeometrie, an dem der Wandabschnitt radial abgestützt ist. Der Haltering ist in radialer Richtung etwa mittig an besagtem Wandabschnitt befestigt und mittels einer Schelle am Lagergehäuse fixiert.
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Im Betrieb des Abgasturboladers ist insbesondere das Spiralgehäuse hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Dies erschwert eine preiswerte Bauweise, die sich insbesondere durch die Verwendung von Blechformteilen zur Realisierung des Spiralgehäuses auszeichnet. Denn eine hohe thermische Belastung führt auch zu entsprechend großen thermisch bedingten Dehnungseffekten, die gerade bei Blechteilen an Befestigungsstellen zu hohen Spannungen führen. Große Bauteilspannungen in Verbindung mit Wechselbelastungen erhöhen die Gefahr einer Rissbildung sowie eines Versagens.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Abgasturbolader der eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine erhöhte Dauerfestigkeit auszeichnet.
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Die Erfindung löst dieses Problem insbesondere durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, das Spiralgehäuse mit einem radial innenliegenden Rand am Haltering zu befestigen. Demnach erstreckt sich das Spiralgehäuse auf der Seite des Halterings ausgehend vom Haltering nur noch radial nach außen, wodurch für das Spiralgehäuse die Möglichkeit verbessert ist, sich thermisch bedingt auszudehnen bzw. zu verformen. Die Erfindung schlägt mit anderen Worten vor, den Haltering bezüglich des Lagergehäuses so anzuordnen, dass das Spiralgehäuse mit seinem radial innenliegenden Rand am Haltering befestigt werden kann. Dies bedeutet, dass der Haltering vergleichsweise nahe an einem Einlassquerschnitt des Turbinenrads bzw. an einem Auslassquerschnitt des Spiralgehäuses angeordnet ist, so dass das Spiralgehäuse keine über den Haltering hinausgehende Führungsfunktion für die Abgaszuführung zum Turbinenrad erbringen muss. Die vorgeschlagene Bauweise lässt somit elastische Deformationen aufgrund thermischer Dehnungseffekte für das Spiralgehäuse zu, ohne dabei Befestigungsstellen des Spiralgehäuses übermäßig zu beanspruchen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann das Spiralgehäuse außen an einer radial nach außen beabstandet zum innenliegenden Rand angeordneten Stützstelle axial abgestützt sein. Durch die Stützstelle kann die thermisch bedingte Deformation des Spiralgehäuses in eine bestimmte Richtung gelenkt bzw. gezwungen werden, wodurch die Belastung der betroffenen Befestigungsstellen reduziert ist. Beispielsweise kann durch besagte Stützstelle die Belastung der Befestigungsstelle zwischen Spiralgehäuse und Haltering, die sich am innenliegenden Rand des Spiralgehäuses befindet, reduziert werden.
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Zweckmäßig kann besagte Stützstelle an einer dem Lagergehäuse zugewandten Axialseite des Spiralgehäuses angeordnet sein. Hierdurch wird erreicht, dass sich das Spiralgehäuse thermisch bedingt stärker vom Lagergehäuse weg ausdehnt als zum Lagergehäuse hin. Insbesondere kann dadurch eine Kollision mit dem Lagergehäuse oder mit daran angebrachten Komponenten des Abgasturboladers vermieden werden.
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Besonders vorteilhaft ist eine Weiterbildung, bei welcher das Spiralgehäuse relativ zur Stützstelle radial beweglich ist. Somit erfolgt an der Stützstelle ausschließlich eine axiale Kraftübertragung, während radial bestenfalls Reibungskräfte übertragen werden. Die Stützstelle kann somit thermische bedingte Ausdehnungen des Spiralgehäuses in Radialrichtung zulassen.
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Zweckmäßig kann das Spiralgehäuse an der Stützstelle lose anliegen, also nicht daran befestigt sein, sondern nur daran axial abgestützt sein.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform kann sich die Stützstelle in der Umfangsrichtung ringförmig erstrecken. Hierdurch wird eine quasi symmetrische Abstützung des Spiralgehäuses an der Stützstelle realisiert.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung kann die Stützstelle an einem Stützkragen ausgebildet sein, der am Lagergehäuse befestigt ist. Bei diesem Stützkragen handelt es sich somit um ein zusätzliches Bauteil, das zusätzlich zum Haltering vorgesehen ist und am Lagergehäuse befestigt ist. Dieser Stützkragen kann dabei axial beabstandet vom Spiralgehäuse und/oder vom Haltering am Lagergehäuse befestigt sein. Ferner kann der Stützkragen trichterförmig konzipiert sein, wobei er einen sich zum Spiralgehäuse hin aufweitenden Querschnitt besitzt. Insbesondere kann die Anordnung des Stützkragens so erfolgen, dass der Haltering axial zwischen Stützkragen und Spiralgehäuse am Lagergehäuse fixiert ist. Insgesamt lässt sich mit Hilfe eines derartigen Stützkragens eine intensive Abstützung des Spiralgehäuses am Lagergehäuse realisieren.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann die Stützstelle unmittelbar am Haltering ausgebildet sein. Bei dieser Ausführungsform wird somit kein zusätzliches Bauteil, wie ein Stützkragen, benötigt, um einerseits die Befestigung und andererseits die Abstützung des Spiralgehäuses zu realisieren. Der Haltering erhält dadurch eine Doppelfunktion, was eine kompakte und preiswerte Bauform unterstützt.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann der Haltering ein C-förmiges Profil aufweisen, das einen radial innenliegenden Schenkel und einen radial außenliegenden Schenkel sowie eine Basis aufweist. Der innenliegende Schenkel ist am innenliegenden Rand des Spiralgehäuses befestigt. Der außenliegende Schenkel ist über die Stützstelle am Spiralgehäuse abgestützt. Die Basis verbindet die beiden Schenkel miteinander. Ferner ist der Haltering über die Basis relativ zum Lagergehäuse ortsfest angeordnet.
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Entsprechend einer zweckmäßigen Ausführungsform kann der Haltering an einem vom innenliegenden Rand entfernten Ende am Lagergehäuse befestigt sein und an einem am innenliegenden Rand befestigten Ende relativ zum Lagergehäuse freistehend angeordnet sein. Hierdurch lässt sich der Haltering im Bereich des Rands radial elastisch verformen, ohne dass es dabei zu einer übermäßigen Beanspruchung der Befestigungsstelle zwischen Haltering und Lagergehäuse kommt.
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Bei einer alternativen Ausführungsform kann der Haltering an einem Haltekragen befestigt sein, der vom Lagergehäuse radial absteht und am Lagergehäuse befestigt ist. Der Haltekragen kann insbesondere ringförmig ausgestaltet sein. In diesem Fall ist der Haltering über den Haltekragen indirekt am Lagergehäuse befestigt, insbesondere lässt sich dadurch der C-förmige Haltering radial beabstandet zum Lagergehäuse fixieren, so dass über den innenliegenden Schenkel eine radiale Beweglichkeit im Rahmen der Federelastizität des Halterings gegeben ist.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann der Haltering in einem Bereich von +/– 20%, vorzugsweise von +/– 10%, die gleiche Wandstärke aufweisen wie das Spiralgehäuse. Somit sind die thermisch bedingten Dehnungskräfte im Haltering und im Spiralgehäuse etwa gleichwertig. Zweckmäßig können das Spiralgehäuse und der Haltering, und insbesondere auch der Stützkragen, Blechformteile oder Kunststoffteile sein, wodurch sich der Turbolader besonders preiswert herstellen lässt. Vorteilhaft ist auch eine Ausführungsform, bei welcher das Spiralgehäuse integral aus einem Stück hergestellt ist. Durch die Integralbauweise lassen sich insbesondere innenliegende Befestigungsstellen vermeiden, so dass auch thermisch bedingte Dehnungseffekte diesbezüglich unkritisch sind. Zweckmäßig kann am Spiralgehäuse ein axial an das Turbinenrad anschließendes Auslassrohr integral angeformt sein. Somit erstreckt sich das Spiralgehäuse auch über das Turbinenrad hinaus bis zum Auslassrohr, was den Integrationsgrad des Spiralgehäuses erhöht.
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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 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.
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Es zeigen, jeweils schematisch
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1 bis 3 jeweils einen stark vereinfachten Längsschnitt durch einen Abgasturbolader im Bereich eines Spiralgehäuses, bei verschiedenen Ausführungsformen.
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Entsprechend den 1 bis 3 umfasst ein nur teilweise dargestellter Abgasturbolader 1, der bei einer Brennkraftmaschine zur Aufladung der Frischluft verwendet werden kann, ein Lagergehäuse 2, ein Turbinenrad 3, ein Spiralgehäuse 4 und einen Haltering 5. Das Lagergehäuse 2 dient zur Lagerung des Turbinenrads 3, so dass das Turbinenrad 3 im Betrieb des Abgasturboladers 1 um eine Rotationsachse 6 rotieren kann. Die Rotationsachse 6 definiert dabei die Axialrichtung des Turboladers 1. Das Spiralgehäuse 4 umschließt einen Spiralraum 7, der seinerseits das Turbinenrad 3 umschließt. Demnach begrenzt das Spiralgehäuse 4 den Spiralraum 7 radial nach außen und axial beiderseits. Ferner definiert das Spiralgehäuse 4 einen Gehäuseauslaß 8, der unmittelbar in einen Turbinenradeinlass 9 übergeht.
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Der Turbolader 1 kann außerdem in üblicher Weise einen Verdichter aufweisen, dessen Verdichterrad mit dem Turbinenrad 3 antriebsverbunden ist.
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Der Haltering 5 ist bezüglich des Lagergehäuses 2 fest angeordnet. Ferner ist am Haltering 5 das Spiralgehäuse 4 befestigt. Eine entsprechende Befestigungsstelle ist dabei mit 10 bezeichnet. Diese Befestigungsstelle 10 kann beispielsweise durch eine Schweißverbindung oder durch eine Lötverbindung oder auf sonstige geeignete Weise realisiert sein. Bei allen Ausführungsformen der 1 bis 3 besitzt das Spiralgehäuse 4 an einer dem Lagergehäuse 2 zugewandten Axialseite 11 einen radial innenliegenden Rand 12, mit dem das Spiralgehäuse 4 am Haltering 5 befestigt ist, nämlich über besagte Befestigungsstelle 10.
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Bei den Ausführungsformen der 1 und 2 ist der Haltering 5 zylindrisch oder hülsenförmig ausgestaltet. Der Haltering 5 weist ein am innenliegenden Rand 12 des Spiralgehäuses 4 befestigtes Ende 13 auf, das relativ zum Lagergehäuse 2 freistehend angeordnet ist. Entfernt zum innenliegenden Rand 12 weist der Haltering 5 ein Ende 14 auf, das am Lagergehäuse 2 befestigt ist. Eine entsprechende Befestigungsstelle ist hierbei mit 15 bezeichnet. Auch diese Befestigungsstelle 15 kann beispielsweise durch eine Schweißverbindung oder Lötverbindung oder eine sonstige geeignete Verbindung gebildet sein. Durch diese Konfiguration ist der Haltering 5 im Bereich seines freistehenden Endes 13 gegenüber dem Lagergehäuse 2 radial elastisch beweglich.
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Die in 2 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der in 1 gezeigten Ausführungsform durch eine Stützstelle 16. Eine derartige Stützstelle 16 ist auch bei der in 3 gezeigten Ausführungsform erkennbar. Gemäß den 2 und 3 ist das Spiralgehäuse 4 außen, also an einer vom Spiralraum 7 abgewandten Seite an besagter Stützstelle 16 axial abgestützt. Dabei ist die Stützstelle 16 an der dem Lagergehäuse 2 zugewandten Axialseite 11 des Spiralgehäuses 4 radial nach außen beabstandet zum innenliegenden Rand 12 angeordnet. Somit greift die Stützstelle 16 bezüglich der Befestigungsstelle 10 zwischen Spiralgehäuse 4 und Haltering 5 radial beabstandet am Spiralgehäuse 4 an, so dass unter Berücksichtigung der Hebelgesetze vergleichsweise große Axialkräfte abgestützt werden können. Durch die axiale Abstützung des Spiralgehäuses 4 in Richtung zum Lagergehäuse 2, wird erzwungen, dass sich das Spiralgehäuse 4 stärker vom Lagergehäuse 2 weggerichtet ausdehnt, sofern es zu einer thermischen Belastung des Spiralgehäuses 4 kommt.
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Zweckmäßig ist die Stützstelle 16 so konzipiert, dass das Spiralgehäuse 4 bezüglich der Stützstelle 16 radial beweglich ist. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass das Spiralgehäuse 4 an der Stützstelle 16 lose anliegt. Insbesondere können die im Bereich der Stützstelle 16 miteinander zusammenwirkenden Oberflächen reibungsreduziert sein, insbesondere eine reibungsreduzierende Beschichtung aufweisen. Dementsprechend wird in den 2 und 3 im Bereich der Stützstelle 16 das Symbol eines Gleit- oder Rollenlagers verwendet. Zweckmäßig erstreckt sich die jeweilige Stützstelle 16 in der Umfangsrichtung ringförmig, so dass das Spiralgehäuse 4 im wesentlich symmetrisch axial abgestützt ist.
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Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform ist die Stützstelle 16 an einem Stützkragen 17 ausgebildet, der bezüglich des Lagergehäuses 2, des Spiralgehäuses 4 und des Halterings 5 ein separates Bauteil repräsentiert, das am Lagergehäuse 2 befestigt ist. Eine entsprechende Befestigungsstelle ist hierbei mit 18 bezeichnet. Diese Befestigungsstelle 18 kann eine Schweißstelle oder Lötstelle oder eine sonstige geeignete Verbindungsstelle sein. Die Befestigungsstelle 18 befindet sich axial beabstandet vom Spiralgehäuse 4 sowie vom Haltering 5. Insbesondere ist besagte Befestigungsstelle 18 des Stützkragens 17 von der Befestigungsstelle 15 des Halterings 5 axial beabstandet. Vorteilhaft befindet sich somit der Haltering 5 axial zwischen dem Spiralgehäuse 4 und dem Stützkragen 17. Im Beispiel der 2 ist der Stützkragen 17 trichterförmig konzipiert, derart, dass sich sein Querschnitt entlang der Rotationsachse 6 in Richtung zum Spiralgehäuse 4 aufweitet. Hierdurch kann sich der Stützkragen 17 am Spiralgehäuse 4 über die jeweilige Stützstelle 16 vergleichweise weit entfernt vom innenliegenden Rand 12 des Spiralgehäuses 4 axial am Spiralgehäuse 4 abstützen.
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Während bei 2 ein zusätzliches Bauteil, nämlich der Stützkragen 17 vorgesehen wird, um die Stützstelle 16 zu realisieren, wird besagte Stützstelle 16 bei der in 3 gezeigten Ausführungsform am Haltering 5 ausgebildet. Hierzu besitzt der Haltering 5 bei der in 3 gezeigten Ausführungsform ein C-förmiges Profil. Dementsprechend besitzt der Haltering 5 im Profil einen radial innenliegenden Schenkel 19, einen radial außenliegenden Schenkel 20 und eine Basis 21, welche die beiden Schenkel 19, 20 miteinander verbindet. Der innenliegende Schenkel 19 ist über die Befestigungsstelle 10 am innenliegenden Rand 12 des Spiralgehäuses 4 befestigt. Am außenliegenden Schenkel 20 ist die Stützstelle 16 ausgebildet, über welche der Haltering 5 am Spiralgehäuse 4 axial abgestützt ist. Über die Basis 21 ist der Haltering 5 bezüglich des Lagergehäuses 2 ortsfest angeordnet. Im Beispiel der 3 wird hierzu ein Haltekragen 22 verwendet, der radial vom Lagergehäuse 2 absteht und der insbesondere als ringförmiger Kragen ausgestaltet sein kann und über eine Befestigungsstelle 23 auf geeignete Weise am Lagergehäuse 2 befestigt ist. Der Haltering 5 ist über eine Befestigungsstelle 24 am Haltekragen 22 befestigt. Somit ist bei dieser Ausführungsform der Haltering 5 mittelbar, nämlich über den Haltekragen 22 am Lagergehäuse 2 befestigt.
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Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform wird über den Haltering 5 zum Einen die Befestigung des Spiralgehäuses 4 nahe am Turbinenrad 3 realisiert, nämlich durch die Befestigung des Halterings 5 am innenliegenden Rand 12 des Spiralgehäuses 4. Zum Anderen wird über den Haltering 5 die axiale Abstützung des Spiralgehäuses 4 radial beabstandet zum inneren Rand 12 bewirkt. Die in 3 gezeigte Ausführungsform baut im Vergleich zu der in 2 gezeigten Variante in axialer Richtung kompakt.
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Zweckmäßig handelt es sich beim Spiralgehäuse 4 und beim Haltering 5 und – soweit vorhanden – beim Stützkragen 17 jeweils um ein Blechformteil, das jeweils aus einem einstückigen Blechteil durch Umformung hergestellt ist. Alternativ ist es grundsätzlich möglich, das Spiralgehäuse 4, den Haltering 5 und – soweit vorhanden – den Stützkragen 17 als Kunststoffteile zu konzipieren.
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Bemerkenswert ist bei den Ausführungsformen der 1 bis 3, dass der Haltering 5 im wesentlichen die gleiche Wandstärke besitzt wie das Spiralgehäuse 4. Insbesondere weicht die Wandstärke der Halterung 5 nur in einem Bereich von +/– 20% und vorzugsweise nur in einem Bereich von +/– 10% von der Wandstärke des Spiralgehäuses 4 ab.
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Bei den in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsformen ist ferner vorgesehen, das Spiralgehäuse 4 integral aus einem Stück herzustellen. Das heißt, das Spiralgehäuse 4 streckt sich einstückig, also ungebaut vom inneren Rand 12 entlang der dem Lagergehäuse 2 zugewandten Axialseite 11 über eine radial außenliegende Außenseite 25 bis zu einer vom Lagergehäuse 2 abgewandten Axialseite 26, die zumindest bis zum Gehäuseauslass 8 reicht. In den gezeigten Beispielen ist am Spiralgehäuse 4 außerdem ein Auslassrohr 27 integral ausgeformt, in welches ein Auslass 28 des Turbinenrads 3 einmündet und der sich koaxial zur Rotationsachse 6 erstreckt, somit geht bei dieser Ausführungsform die vom Lagergehäuse 2 abgewandte Axialseite 26 in das Auslassrohr 27 über.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004039477 A1 [0002]
