DE102011086574A1

DE102011086574A1 - Turboladerwelle mit einem darauf befestigten Laufrad und Verfahren zum Befestigen eines Laufrades auf einer Turboladerwelle

Info

Publication number: DE102011086574A1
Application number: DE102011086574A
Authority: DE
Inventors: Holger Fröhlich
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2011-11-17
Filing date: 2011-11-17
Publication date: 2013-05-23

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turboladerwelle mit einem darauf befestigten Laufrad sowie ein Verfahren zum Befestigen eines Laufrades auf einer Turboladerwelle. Die Turboladerwelle weist in Axialrichtung hintereinander einen zylindrischen Führungsabschnitt, einen an den zylindrischen Führungsabschnitt anschließenden konisch verlaufenden Rändelabschnitt und einen an den konisch verlaufenden Rändelabschnitt anschließenden zylindrischen Rändelabschnitt auf. Beim Befestigen des Laufrades auf der Turboladerwelle erfolgt zunächst ein Einführen des zylindrischen Führungsabschnitts der Turboladerwelle in die Bohrung des Laufrades, dann ein Einschneiden der Rändelung des konisch verlaufenden Rändelabschnitts in den der Bohrung radial benachbarten Bereich des Laufrades und schließlich ein weiteres Einpressen der Turboladerwelle in die Bohrung des Laufrades, um ein Einschneiden der Rändelung des zylindrischen Rändelabschnitts in den der Bohrung radial benachbarten Bereich des Laufrades herbeizuführen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Turboladerwelle mit einem darauf befestigten Laufrad sowie ein Verfahren zum Befestigen eines Laufrades auf einer Turboladerwelle.
Aus der DE 10 2010 010 136 A1 sind eine Turboladerwelle mit wenigstens einem Laufrad und ein Verfahren zur Befestigung eines Laufrades an einer Turboladerwelle bekannt. Das Laufrad bildet mit der Turboladerwelle eine Formschlussverbindung. Dazu enthält das Laufrad wenigstens einen Formschlussabschnitt, der mit einem zugeordneten Formschlussabschnitt der Welle im montierten Zustand eine Formschlussverbindung bildet. Der Formschlussabschnitt des Laufrads hat eine Rändelung mit achsparallelen Riefen, Zähnen bzw. Zacken. Die Welle ist mit einer zu dem Laufrad korrespondierenden Rändelung versehen. Die Rändelung des Laufrads und/oder der Welle ist derart ausgebildet, dass diese beim Zusammenbau von Laufrad und Welle eine entsprechende Rändelung in die Welle bzw. das Laufrad schneidet. Durch die dadurch erzielte formschlüssige Verbindung des Laufrades mit der Turboladerwelle wird im Betrieb des Turboladers ein ungewolltes Lösen des Laufrades von der Welle verhindert.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Turboladerwelle mit einem darauf befestigten Laufrad sowie ein Verfahren zum Befestigen eines Laufrades auf einer Turboladerwelle anzugeben, bei denen der Befestigungsvorgang vereinfacht ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Turboladerwelle mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie durch ein Verfahren mit den im Anspruch 7 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, dass die Befestigung des Laufrades auf der Welle vereinfacht ist, da durch das Einführen des zylindrischen Führungsabschnitts in die Bohrung des Laufrades eine Vorzentrierung erfolgt, aufgrund welcher beim nachfolgenden Einpressen der Turboladerwelle in die Bohrung des Laufrades die Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines Verzuges minimiert ist. Des Weiteren sind die bei diesem Einpressen bzw. Einschneiden des konisch verlaufenden Rändelabschnitts in den der Bohrung des Laufrades radial benachbarten Bereich benötigten Einpresskräfte reduziert. Ferner liegt bei auf der Welle befestigtem Laufrad eine optimierte relative Ausrichtung zwischen dem Laufrad und der Welle vor.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass bei der beanspruchten Ausgestaltung der Turboladerwelle mit dem darauf befestigten Laufrad auf einfache Weise erreicht werden kann, dass hohe Drehmomente übertragbar sind. Dies ist darauf zurückzuführen, dass bei einer Verwendung des beanspruchten Verfahrens in Verbindung mit einer geeigneten Formung und Dimensionierung der Rändelabschnitte auf einfache Weise große Zahnhöhen der beim fertigen Produkt vorliegenden, einen Formschluss bildenden Rändelabschnitte erreichbar sind.
Durch ein Vergrößern der Rändelteilung kann der kritische Schlupfwert der Welle-Nabe-Verbindung erhöht werden und ein höheres Drehmoment übertragen werden. Das Einschneiden einer größeren Rändelteilung kann in vorteilhafter Weise durch ein mehrstufiges spanabhebendes Einschneiden des Rändels in die Nabe erreicht werden.
Durch die Erfindung wird die Zuverlässigkeit der gebildeten Pressrändelverbindung in Bezug auf das übertragbare Drehmoment erhöht. Des Weiteren wird einem Verschleiß der Verzahnung bis zu einem möglichen Ausschlagen begegnet.
Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren nachfolgender beispielhafter Erläuterung anhand der Zeichnungen. Es zeigt:
1 eine Grobskizze eines Teils einer Turboladerwelle und eines auf dieser zu befestigenden Laufrades,
2 eine perspektivische Skizze eines Teils einer Turboladerwelle gemäß einer Weiterbildung,
3 eine Seitenansicht des in der 2 gezeigten Teils der Turboladerwelle,
4 eine Längsschnittdarstellung des in der 2 gezeigten Teils der Turboladerwelle,
5 eine Skizze zur Veranschaulichung der Rändeltiefe und der Teilung und
6 eine Skizze zur Veranschaulichung der Spanabnahmeflächen der Turboladerwelle.
Die 1 zeigt eine Grobskizze eines Teils einer Turboladerwelle 1 und eines auf dieser zu befestigenden Laufrades 2, wobei diese Bauteile jeweils gebrochen gezeichnet sind.
Die Turboladerwelle 1 weist einen zylindrischen Führungsabschnitt 3, einen dem zylindrischen Führungsabschnitt 3 in Axialrichtung benachbarten konisch verlaufenden Rändelabschnitt 4 und einen dem konisch verlaufenden Rändelabschnitt 4 axial benachbarten zylindrischen Rändelabschnitt 5 auf. Die Rändelabschnitte 4 und 5 der Turboladerwelle sind jeweils mit Zacken bzw. Zähnen versehen, die sich in Axialrichtung der Turboladerwelle 1 erstrecken. Der zylindrische Führungsabschnitt 3 der Turboladerwelle 1 ist an seinem Außenmantel glatt ausgebildet, d. h. nicht mit Zacken bzw. Zähnen versehen. Der Durchmesser des zylindrischen Führungsabschnitts 3 ist derart gewählt, dass er geringfügig kleiner ist als der Durchmesser der Bohrung 12 des auf der Turboladerwelle 1 zu befestigenden Laufrades 2.
Zum Befestigen des Laufrades 2 auf der Turboladerwelle 1 wird die Turboladerwelle 1 in Richtung des Pfeiles x, d. h. in Axialrichtung, in die Bohrung des Laufrades 2 eingeschoben. Dabei erfolgt zunächst in einem Schritt S1 ein Einführen des zylindrischen Führungsabschnitts 3 der Turboladerwelle 1 in die Bohrung 12 des Laufrades 2. Dadurch wird ein Vorzentrieren der Turboladerwelle 1 in der Bohrung 12 des Laufrades 2 erzielt.
Ist der zylindrische Führungsabschnitt 3 der Turboladerwelle 1 vollständig in die Bohrung 12 des Laufrades 2 eingeführt, dann gerät der konisch verlaufende Rändelabschnitt 4 in Kontakt mit dem der Bohrung 12 radial benachbarten Bereich des Laufrades. Das Laufrad 2 besteht in vorteilhafter Weise aus einem weicheren Material als die Turboladerwelle 1. Beispielsweise handelt es sich bei dem Laufrad 2 um ein Verdichterrad aus einem Aluminiumoder Titanwerkstoff oder um ein Turbinenrad aus einem Nickelbasiswerkstoff, während die Turboladerwelle 1 aus gehärtetem Stahl besteht.
Da die Turboladerwelle aus einem härteren Material besteht als das Laufrad 2 schneidet in einem Schritt S2 bei einem Einpressen der Turboladerwelle 1 in die Bohrung des Laufrades 2 die Rändelung des konisch verlaufenden Rändelabschnitts 4 in den der Bohrung 12 radial benachbarten Bereich des Laufrades ein.
Ist der konisch verlaufende Rändelabschnitt 4 der Turboladerwelle 1 vollständig in das Laufrad 2 eingepresst, dann erfolgt in einem Schritt S3 ein weiteres Einpressen der Turboladerwelle 1 in den der Bohrung 12 radial benachbarten Bereich des Laufrades in dem Sinne, dass ein Einschneiden der Rändelung des zylindrischen Rändelabschnitts 5 in den der Bohrung 12 des Laufrades radial benachbarten Bereich erfolgt. Durch dieses weitere Einschneiden der Rändelung des zylindrischen Rändelabschnitts 5 in den der Bohrung 12 des Laufrades radial benachbarten Bereich wird schließlich ein Formschlussabschnitt gebildet, der zusammen mit dem zylindrischen Rändelabschnitt 5 der Turboladerwelle 1 einen Formschluss bildet und das Laufrad 2 verdrehsicher mit der Turboladerwelle 1 verbindet.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist in den 2, 3 und 4 veranschaulicht. Die 2 zeigt eine perspektivische Skizze eines Teils einer Turboladerwelle 1 gemäß einer Weiterbildung der Erfindung, die 3 eine Seitenansicht des in der 2 gezeigten Teils der Turboladerwelle und die 4 eine Längsschnittdarstellung des in der 2 gezeigten Teils der Turboladerwelle.
Gemäß dieser Weiterbildung weist der konisch verlaufende Rändelabschnitt 4 Rändelringe 6 und 7 auf. Diese Rändelringe 6 und 7 sind in Axialrichtung der Turboladerwelle 1 hintereinander angeordnet und durch eine ringförmige Nut 9 voneinander beabstandet. Zwischen dem dem zylindrischen Rändelabschnitt 5 benachbarten Rändelring 7 und dem zylindrischen Rändelabschnitt 5 ist eine weitere ringförmige Nut 10 vorgesehen. Auch zwischen dem zylindrischen Führungsabschnitt 3 und dem dem zylindrischen Führungsabschnitt 3 benachbarten Rändelring 6 ist eine ringförmige Nut 11 vorgesehen. Der Vorteil dieser ringförmigen Nuten 9, 10 und 11 besteht darin, dass beim Einpressen der Turboladerwelle 1 in das Laufrad 2 gebildete Späne sich in diesen Nuten sammeln können und damit das Befestigen des Laufrades 2 auf der Turboladerwelle 1 nicht stören.
Wie aus den 2, 3 und 4 des Weiteren ersichtlich ist, nimmt der Durchmesser der Rändelringe 6 und 7 des konischen Rändelabschnitts 4 in Richtung zum zylindrischen Rändelabschnitt 5 zu. Dies erleichtert das Einschneiden der Rändelung dieses konisch verlaufenden Rändelabschnitts in den der Bohrung 12 radial benachbarten Bereich des Laufrades 2, da die Menge des aus dem Laufrad abzutragenden Materials in mehreren aufeinanderfolgenden Schritten abgetragen wird, die abzutragende Menge pro Schritt vergleichsweise klein ist und die pro Schritt abgetragene Menge in die jeweils nachfolgende Nut befördert werden kann.
Die Zunahme des Durchmessers der Rändelringe 6 und 7 in Richtung des zylindrischen Rändelabschnitts 5 ist entweder dadurch realisiert, dass der Durchmesser eines Rändelringes in Axialrichtung konstant ist, der Durchmesser benachbarter Rändelringe in Richtung des zylindrischen Rändelabschnitts 5 aber zunimmt, oder dadurch realisiert, dass der Durchmesser eines, mehrerer oder aller Rändelringe des konischen Rändelabschnitts 4 in Richtung des zylindrischen Rändelabschnitts 5 jeweils zunimmt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird nach alledem eine selbstschneidende Rändelverbindung zwischen einer Turboladerwelle 1 und einem darauf befestigten Laufrad 2 bereitgestellt. Diese selbstschneidende Rändelverbindung ist einfach herstellbar, weist eine homogene Belastungsübertragung über den gesamten Umfang der Turboladerwelle auf, kann kompakt ausgeführt sein, eignet sich für eine dynamische Belastung und bedarf nicht zwingend einer zusätzlichen axialen Sicherung.
Vorzugsweise wird vor einer Befestigung des Laufrades auf der Turboladerwelle das Laufrad auf eine Temperatur aufgeheizt, die im Bereich von 150 °C bis 180 °C liegt. Beim Befestigen wird vorzugsweise das Laufrad fixiert und die Welle koaxial in die Bohrung des Laufrades gedrückt. Beim Einführen der Welle in die Bohrung greifen die Zähne der Rändelringe spanabhebend in die Bohrung des Laufrades ein. Da die Welle härter ist als das Laufrad, schneidet, schabt, furcht und drückt sich die Rändelung der Welle in das die Bohrung des Laufrades radial umgebende Material. Auf diese Weise entsteht der gewünschte Verzahnungseingriff zwischen der Welle und dem Laufrad.
Um die Zuverlässigkeit der Rändelverbindung in Bezug auf das übertragbare Drehmoment zu erhöhen und einem Verschleiß der Verzahnung bis zu einem möglichen Ausschlagen zu begegnen, kann die Rändelverbindung durch eine Vergrößerung der Zahnhöhen h und der Rändelteilung T angepasst werden, wobei die Zahnhöhe h und die Rändelteilung T in der 5 veranschaulicht sind.
Bei der vorliegenden Erfindung erfolgt in vorteilhafter Weise ein mehrstufiges spanabhebendes Einschneiden der Rändelung der Turboladerwelle in das Laufrad. Bei diesem Einschneiden fallen die entstehenden Späne durch die Bohrung des Laufrades.
Feinspäne, die in den Bereich zwischen der Welle und dem Laufrad gelangen, können sich in Nuten sammeln, um den Befestigungsvorgang des Laufrades an der Turboladerwelle nicht zu stören.
In der 6 ist eine Skizze zur Veranschaulichung der Spanabnahmeflächen der Turboladerwelle gezeigt. In einer ersten Stufe des spanabhebenden Einschneidens der Rändelung der Turboladerwelle erfolgt das Einschneiden mittels der Rändelung des Rändelringes 6. Dabei liegt eine Spanabnahmefläche S1 vor. In einer zweiten Stufe des spanabhebenden Einschneidens der Rändelung der Turboladerwelle erfolgt das Einschneiden mittels der Rändelung des Rändelringes 7. Dabei liegt eine Spanabnahmefläche S2 vor. In einer dritten Stufe des spanabhebenden Einschneidens der Rändelung der Turboladerwelle erfolgt das Einschneiden mittels der Rändelung des zylindrisch verlaufenden Rändelabschnitts 5 der Turboladerwelle. Dabei liegt eine Spanabnahmefläche S3 vor.
Im Bereich des konischen Rändels werden durch die umlaufenden Nuten Schneidkeile ausgebildet, welche einen Spanwinkel W von 5° und 20° besitzen, wobei kleine Spanwinkel vorzugsweise bei weichen Werkstoffen verwendet werden. Die Nuten dienen auch der Spanaufnahme beim Einschneiden des Rändels in die Nabe.
Ein derartiger Spanwinkel W ist in der 3 veranschaulicht. Des Weiteren ist in der 3 ein Einstich E angedeutet, durch welchen Klebstoff zum Verkleben der Welle-Nabe-Verbindung einbringbar ist.
Beim Einstreichen der Welle wird der Klebstoff mit in die Nut verstrichen. Beim Fügevorgang wird der Klebstoff über den Nutauslauf in Fügerichtung mitgenommen. Auch der beim Fügen vor der Nabe hergeschobene Klebstoff wird von den Verteilungsnuten aufgenommen. Dadurch ist eine bessere Verteilung des Klebstoffs erreichbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010010136 A1 [0002]

Claims

Turboladerwelle mit einem darauf befestigten Laufrad, wobei die Turboladerwelle einen mit einer Rändelung versehenen Formschlussabschnitt aufweist, das Laufrad ebenfalls einen mit einer Rändelung versehenen Formschlussabschnitt aufweist und die Rändelung der Turboladerwelle mit der Rändelung des Laufrades einen Formschluss bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Turboladerwelle (1) in Axialrichtung hintereinander einen zylindrischen Führungsabschnitt (3), einen an den zylindrischen Führungsabschnitt anschließenden konisch verlaufenden Rändelabschnitt (4) und einen an den konisch verlaufenden Rändelabschnitt anschließenden zylindrischen Rändelabschnitt (5) aufweist.
Turboladerwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der konisch verlaufende Rändelabschnitt (4) einen Rändelring oder mehrere in Axialrichtung hintereinander angeordnete Rändelringe (6, 7) aufweist.
Turboladerwelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rändelringe durch ringförmige Nuten (9) voneinander beabstandet sind.
Turboladerwelle nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zylindrische Rändelbereich (5) vom nächstliegenden Rändelring (7) durch eine weitere ringförmige Nut (10) beabstandet ist.
Turboladerwelle nach einem der Ansprüche 2–4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Rändelringe (6, 7) des konisch verlaufenden Rändelabschnitts (4) in Richtung zum zylindrischen Rändelabschnitt (5) zunimmt.
Turboladerwelle nach einem der Ansprüche 2–5, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser mindestens eines der Rändelringe des konisch verlaufenden Rändelabschnitts (4) in Richtung zum zylindrischen Rändelabschnitt (5) zunimmt.
Verfahren zum Befestigen eines eine Bohrung aufweisenden Laufrads auf einer Turboladerwelle mit folgenden Schritten: S1: koaxiales Einführen eines zylindrischen Führungsabschnitts (3) der Turboladerwelle (1) in die Bohrung (12) des Laufrades (2), S2: Einpressen der Turboladerwelle (1) in die Bohrung (12) des Laufrades (2), um ein Einschneiden der Rändelung eines konisch verlaufenden Rändelabschnitts (4) der Turboladerwelle in den der Bohrung (12) radial benachbarten Bereich des Laufrades herbeizuführen, S3: weiteres Einpressen der Turboladerwelle (1) in die Bohrung (12) des Laufrades, um ein Einschneiden der Rändelung des zylindrischen Rändelabschnitts (5) der Turboladerwelle in den der Bohrung (12) radial benachbarten Bereich des Laufrades herbeizuführen.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass beim Einpressen der Turboladerwelle (1) in die Bohrung (12) des Laufrades (2) nacheinander mehrere in Axialrichtung hintereinander angeordnete, durch jeweils eine ringförmige Nut voneinander beabstandete Rändelringe (6, 7) des konisch verlaufenden Rändelabschnitts (4) der Turboladerwelle in den der Bohrung (12) des Laufrades (2) radial benachbarten Bereich des Laufrades eingepresst werden.