DE102011108539A1

DE102011108539A1 - Connecting arrangement of a shaft with an impeller, and method for producing such a connection arrangement

Info

Publication number: DE102011108539A1
Application number: DE102011108539A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Ehrhard Jan; Thomas Schramm; Farhad Haddadian; Timo Hanenberger; Matthias Deutscher; Dr.-Ing. Filsinger Dietmar
Original assignee: IHI Charging Systems International GmbH
Current assignee: IHI Charging Systems International GmbH
Priority date: 2011-07-26
Filing date: 2011-07-26
Publication date: 2013-01-31
Also published as: WO2013013755A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbindungsanordnung (10) einer Welle (12) mit einem Laufrad (14), insbesondere einem Turbinerad (14), eines Abgasturboladers, bei welcher das Laufrad (14) und die Welle (12) unter Vermittlung eines Zwischenelements (18) miteinander verbunden sind, wobei das Zwischenelement (18) und das Laufrad (14) durch einen Gießprozess miteinander verbunden sind, sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Verbindungsanordnung (10).The invention relates to a connection arrangement (10) of a shaft (12) with an impeller (14), in particular a turbine wheel (14), of an exhaust gas turbocharger, in which the impeller (14) and the shaft (12) are mediated by an intermediate element (18). are interconnected, wherein the intermediate element (18) and the impeller (14) are interconnected by a casting process, and a method for producing such a connection assembly (10).

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbindungsanordnung einer Welle mit einem Laufrad eines Abgasturboladers nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Verbindungsanordnung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 7.The invention relates to a connection arrangement of a shaft with an impeller of an exhaust gas turbocharger according to the preamble of patent claim 1 and a method for producing such a connection arrangement according to the preamble of patent claim 7.

Intermetallische Werkstoffe stehen aufgrund ihrer hohen spezifischen Festigkeit im Blickfeld für Hochtemperaturanwendungen. Ihre hohe Sprödigkeit und die damit verbundene Rissempfindlichkeit, vor allem beim Fügen unter Temperatureinfluss, erschweren jedoch den Herstellungsprozess von Zusammenbauten von Bauteilen, welche aus derartigen intermetallischen Werkstoffen gebildet sind.Due to their high specific strength, intermetallic materials are in the focus of attention for high-temperature applications. Their high brittleness and the associated crack sensitivity, especially when joining under the influence of temperature, however, complicate the manufacturing process of assemblies of components, which are formed from such intermetallic materials.

Es hat sich gezeigt, dass das Fügen von intermetallischen Werkstoffen, insbesondere von Titanaluminiden, mit hochwarmfesten Werkstoffen oder auch Stahllegierungen sehr schwierig ist. Es ist bekannt, Lötverbindungen unter Zugabe eines Nickelbasis-Lots einzusetzen. Ebenso möglich ist es, Verfahren wie Press- oder Reibschweißen zu verwenden. Hierbei können Nickelbasislegierungen als Verbundmaterial verwendet werden. Als problematisch erweist sich dabei die Verbindung zwischen einem ersten Bauteil, das aus dem intermetallischen Werkstoff gebildet ist, und einem zweiten Bauteil, insbesondere wenn das erste Bauteil und das zweite Bauteil miteinander verschweißt werden sollen. Aufgrund von Thermospannungen, nicht-isothermer Temperaturverteilung (Schmelzschweißverfahren) oder plastischer Verformung (Reibschweißen) erhöht sich die Gefahr der Rissbildung in den spröden intermetallischen Werkstoffen.It has been found that the joining of intermetallic materials, in particular titanium aluminides, with highly heat-resistant materials or even steel alloys is very difficult. It is known to use solder joints with the addition of a nickel-based solder. It is also possible to use methods such as compression or friction welding. In this case, nickel-based alloys can be used as a composite material. In this case, the connection between a first component, which is formed from the intermetallic material, and a second component, in particular when the first component and the second component are to be welded together, proves to be problematic. Due to thermal stresses, non-isothermal temperature distribution (fusion welding process) or plastic deformation (friction welding), the risk of cracking increases in the brittle intermetallic materials.

Die DE 10 2008 008 857 A1 offenbart eine Verbindung einer Weile mit einem Rotationsbauteil, insbesondere einer Welle mit einem Turbinenrad eines Abgasturboladers, wobei ein Zwischenbauteil vorgesehen ist. Mittels des Zwischenbauteils ist die Welle mit dem Rotationsbauteil mittelbar verbunden. Dabei ist vorgesehen, dass das Zwischenbauteil mit dem Rotationsbauteil mittels einer form- und/oder kraftschlüssigen Verbindung, insbesondere einer Nietverbindung, verbunden ist.The DE 10 2008 008 857 A1 discloses a connection for a while with a rotary component, in particular a shaft with a turbine wheel of an exhaust gas turbocharger, wherein an intermediate component is provided. By means of the intermediate component, the shaft is indirectly connected to the rotary component. It is provided that the intermediate member is connected to the rotary member by means of a positive and / or non-positive connection, in particular a riveted joint.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verbindungsanordnung einer Welle mit einem Laufrad eines Abgasturboladers sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Verbindungsanordnung bereit zustellen, durch welche die eingangs genannten Probleme zumindest reduziert sind.It is an object of the present invention to provide a connection arrangement of a shaft with an impeller of an exhaust gas turbocharger and a method for producing such a connection arrangement, by which the problems mentioned are at least reduced.

Diese Aufgabe wird durch eine Verbindungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Verbindungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a connection arrangement having the features of patent claim 1 and by a method for producing such a connection arrangement having the features of patent claim 7. Advantageous embodiments with expedient and non-trivial developments of the invention are specified in the remaining claims.

Der erste Aspekt der Erfindung betrifft eine Verbindungsanordnung einer Welle mit einem Laufrad, insbesondere einem Turbinenrad, eines Abgasturboladers. Bei dieser Verbindungsanordnung sind das Laufrad und die Weile unter Vermittlung eines Zwischenelements miteinander verbunden.The first aspect of the invention relates to a connection arrangement of a shaft with an impeller, in particular a turbine wheel, an exhaust gas turbocharger. In this connection arrangement, the impeller and the shaft are interconnected by means of an intermediate element.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Zwischenelement und das Laufrad durch einen Gießprozess miteinander verbunden sind. Dies bedeutet, dass das Zwischenelement und/oder das Laufrad als ein Gussbauteil ausgebildet ist. Das Zwischenelement und/oder das Laufrad ist also durch ein Gießverfahren hergestellt. Dabei erfolgt durch diesen Gießprozess bzw. dieses Gießverfahren zur Herstellung des Laufrads bzw. des Zwischenelements die Verbindung des Laufrads mit dem Zwischenelement. Wird somit das Laufrad bzw. das Zwischenelement durch das Gießverfahren bzw. den Gießprozess hergestellt, so geht damit gleichzeitig die Verbindung des Laufrads mit dem Zwischenelement einher. Mit anderen Worten sind das Zwischenelement und das Laufrad durch den Gießprozess des Zwischenelements oder durch den Gießprozess des Laufrads miteinander verbunden. Dadurch können das Laufrad und das Zwischenelement auf einfache, zeit- und kostengünstige Weise miteinander verbunden werden, was die Kosten des Abgasturboladers gering hält.According to the invention it is provided that the intermediate element and the impeller are interconnected by a casting process. This means that the intermediate element and / or the impeller is formed as a cast component. The intermediate element and / or the impeller is thus produced by a casting process. In this case, by this casting process or this casting method for producing the impeller or the intermediate element, the connection of the impeller with the intermediate element. Thus, if the impeller or the intermediate element is produced by the casting process or the casting process, this is simultaneously accompanied by the connection of the impeller to the intermediate element. In other words, the intermediate element and the impeller are connected to one another by the casting process of the intermediate element or by the casting process of the impeller. Thereby, the impeller and the intermediate element can be connected to each other in a simple, time-consuming and cost-effective manner, which keeps the cost of the exhaust gas turbocharger low.

Ferner ist es dadurch möglich, den Zusammenbau aus dem Laufrad und dem mit dem Laufrad verbundenen Zwischenelement auf einfache, zeit- und kostengünstige Weise mit der Welle zu verbinden. Dabei können die eingangs geschilderten Probleme hinsichtlich des Auftretens von insbesondere thermisch bedingten Rissen vermieden werden. Auch kann der Aufwand zum Verbinden des Laufrads mit dem Zwischenelement sowie des Zusammenbaus mit der Welle in einem geringen Rahmen gehalten werden, was mit einer zeit- und kostengünstigen Herstellung des gesamten Abgasturboladers einhergeht.Further, it is thereby possible to connect the assembly of the impeller and the intermediate member connected to the impeller in a simple, time-consuming and cost-effective manner with the shaft. In this case, the problems described above with regard to the occurrence of particular thermally induced cracks can be avoided. Also, the effort to connect the impeller with the intermediate element and the assembly with the shaft can be kept in a small frame, which is associated with a time-consuming and cost-effective production of the entire exhaust gas turbocharger.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Zwischenelement zumindest teilweise in das Laufrad eingegossen und/oder an das Laufrad angegossen. Dies bedeutet, dass im Rahmen der Herstellung der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung zunächst das bereits hergestellte Laufrad bereitgestellt wird. Im Rahmen des Gießprozesses, durch welchen das Zwischenelement urgeformt und hergestellt wird, wird dann das Zwischenelement entsprechend zumindest teilweise in das Laufrad eingegossen und/oder an das Laufrad angegossen. Mit anderen Worten wird der zumindest im Wesentlichen flüssige Gusswerkstoff zum Herstellen des Zwischenelements zumindest teilweise in das Laufrad eingegossen und/oder an dieses angegossen. Damit geht das Herstellen des Zwischenelements parallel mit dem Verbinden des Zwischenelements mit dem Laufrad einher. Dies ermöglicht eine besonders vorteilhafte und auch über eine hohe Lebensdauer feste Verbindung des Zwischenelements mit dem Laufrad. Insbesondere können dadurch das Laufrad und das Zwischenelement über wenigstens einen Hinterschnitt und eine daraus resultierende Hintergreifung miteinander verbunden werden, woraus eine besonders feste Verbindung resultiert.In an advantageous embodiment of the invention, the intermediate element is at least partially poured into the impeller and / or cast on the impeller. This means that in the context of the production of the connection arrangement according to the invention, first the already produced impeller is provided. As part of the casting process, by which the intermediate element is urgeformt and produced, then the intermediate element is then at least partially poured into the impeller and / or cast on the impeller. In other words, that will at least essentially liquid cast material for producing the intermediate element is at least partially cast into the impeller and / or cast onto it. Thus, the production of the intermediate element is parallel to the connection of the intermediate element with the impeller. This allows a particularly advantageous and also over a long service life solid connection of the intermediate element with the impeller. In particular, the impeller and the intermediate element can thereby be connected to one another via at least one undercut and a resulting rear engagement, resulting in a particularly strong connection.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Laufrad zumindest teilweise in das Zwischenelement eingegossen und/oder an das Zwischenelement angegossen. Dies bedeutet, dass bei der Herstellung der Verbindungsanordnung zunächst das bereits hergestellte Zwischenelement bereitgestellt wird. Anschließend wird der Gießprozess durchgeführt, in dessen Rahmen das Laufrad urgeformt und so hergestellt wird. Dabei wird der noch zumindest im Wesentlichen flüssige Gusswerkstoff zum Herstellen des Laufrads an das bereits hergestellte Zwischenelement zumindest teilweise an bzw. in das Zwischenelement zumindest teilweise eingegossen. Auch dies führt zu einer besonders vorteilhaften und festen Verbindung. Insbesondere ist es auch dadurch möglich, das Laufrad und das Zwischenelement über wenigstens einen Hinterschnitt und einer daraus resultierenden Hintergreifung der Werkstoffe des Zwischenelements und des Laufrads miteinander zu verbinden.In a further advantageous embodiment of the invention, the impeller is at least partially poured into the intermediate element and / or cast on the intermediate element. This means that, in the production of the connection arrangement, the already produced intermediate element is first provided. Subsequently, the casting process is carried out, in the framework of which the impeller is formed and thus manufactured. In this case, the still at least substantially liquid casting material for producing the impeller is cast at least partially against the already produced intermediate element on or into the intermediate element. This too leads to a particularly advantageous and firm connection. In particular, it is thereby also possible to connect the running wheel and the intermediate element to each other via at least one undercut and a resulting rearward engagement of the materials of the intermediate element and of the running wheel.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist das Laufrad aus einem intermetallischen Werkstoff, insbesondere aus Titanaluminid (TiAl) oder einer zumindest hochwarmfesten Legierung aus Nickelbasis oder aus einer Super-Nickelbasislegierung gebildet. Das Laufrad weist somit eine besonders hohe Robustheit insbesondere gegenüber thermischen Beanspruchungen auf, was der Funktionserfüllung sowie der Betriebssicherheit des Abgasturboladers auch über eine hohe Lebensdauer hinweg zugute kommt. Das Laufrad ist damit auch sehr robust gegenüber Fliehkraftbeanspruchungen ausgebildet, welche insbesondere in Kombination mit thermischen Beanspruchungen zu einer hohen Belastung des Laufrads führen. Diese hohen Belastungen kann das Laufrad der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung jedoch über eine sehr hohe Lebensdauer hinweg zumindest im Wesentlichen schadfrei ertragen. Dadurch kann der Abgasturbolader beispielsweise mit sehr hohen Drehzahlen des Laufrads betrieben werden, was dem effizienten Betrieb des Abgasturboladers zugute kommt.In a further advantageous embodiment, the impeller is formed of an intermetallic material, in particular of titanium aluminide (TiAl) or an at least highly heat-resistant alloy of nickel base or of a super nickel-based alloy. The impeller thus has a particularly high level of robustness, in particular with respect to thermal stresses, which benefits the functional performance as well as the operational reliability of the exhaust-gas turbocharger over a long service life. The impeller is therefore also very robust against centrifugal stresses formed, which lead in particular in combination with thermal stresses to a high load of the impeller. However, these high loads can endure the impeller of the connection arrangement according to the invention, at least essentially without damage, over a very long service life. As a result, the exhaust gas turbocharger can be operated, for example, with very high rotational speeds of the impeller, which benefits the efficient operation of the exhaust gas turbocharger.

Daraus ist es ersichtlich, dass die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung insbesondere dann vorteilhaft ist, wenn das Laufrad als Turbinenrad für eine Turbine des Abgasturboladers ausgebildet ist. Während des Betriebs des Abgasturboladers wird das Turbinenrad von besonders heißem Abgas beaufschlagt und angetrieben. Insbesondere bei Ottomotoren liegen besonders hohe Abgastemperaturen vor, die das Turbinenrad stark beanspruchen. Aufgrund der entsprechenden Ausgestaltung des Turbinenrads kann es diese hohe insbesondere thermische Beanspruchung jedoch ertragen und seine Funktion auch über eine hohe Lebensdauer hinweg erfüllen. Es versteht sich, dass die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung jedoch auch bei anderweitigen Verbrennungskraftmaschinen, so beispielsweise bei Dieselmotoren, Diesottomotoren, Gasmotoren etc. zum Einsatz kommen kann.From this it can be seen that the connection arrangement according to the invention is particularly advantageous when the impeller is designed as a turbine wheel for a turbine of the exhaust gas turbocharger. During operation of the exhaust gas turbocharger, the turbine wheel is acted upon and driven by particularly hot exhaust gas. Particularly in gasoline engines are particularly high exhaust gas temperatures, which strain the turbine wheel strong. Due to the corresponding configuration of the turbine wheel, however, it can endure this high, in particular thermal, stress and also fulfill its function over a long service life. It is understood, however, that the connection arrangement according to the invention can also be used in other internal combustion engines, for example in diesel engines, diesel engines, gas engines, etc.

Die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung ermöglicht es, den Zusammenbau (Laufrad und Zwischenelement) zeit- und kostengünstig durch ein thermisches Fügverfahren mit der Welle zu verbinden, ohne dass es zu einer unerwünschten Rissbildung und/oder anderweitigen Vorschädigungen insbesondere des Laufrads und/oder des Zwischenelements kommt.The connection arrangement according to the invention makes it possible to connect the assembly (impeller and intermediate element) in a timely and cost-effective manner by means of a thermal joining method to the shaft without resulting in undesirable cracking and / or other pre-damage, in particular of the impeller and / or the intermediate element.

So ist bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass das Zwischenelement mit der Welle verschweißt ist. Dadurch ist eine besonders feste Verbindung des Zusammenbaus mit der Welle dargestellt. Als Schweißverfahren kann dabei jedweder insbesondere konventionelle Schweißprozess durchgeführt werden. Durch die thermische Entkopplung des Laufrads und insbesondere des Werkstoffs des Laufrads über das Zwischenelement können die eingangs geschilderten Probleme und Schwierigkeiten, die beim Fügen eines intermetallischen Werkstoff, aus welchem das Laufrad beispielsweise gebildet ist, auftreten, vermieden oder zumindest weitgehend reduziert werden.Thus, in an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the intermediate element is welded to the shaft. As a result, a particularly strong connection of the assembly is shown with the shaft. In this case, any particular conventional welding process can be carried out as the welding process. Due to the thermal decoupling of the impeller and in particular the material of the impeller via the intermediate element, the initially described problems and difficulties that occur when joining an intermetallic material of which the impeller is formed, for example, be avoided or at least largely reduced.

Dabei kann der Werkstoff des Zwischenelements weitgehend frei gewählt werden. Zu berücksichtigende Parameter bei der Wahl des Werkstoffes des Zwischenelements sind beispielsweise gleiche oder zumindest im Wesentlichen ähnliche Wärmeausdehnungskoeffizienten des Werkstoffs des Zwischenelements und des Werkstoffs des Laufrads. Vorteilhafterweise ist das Zwischenelement aus einem Werkstoff gebildet, der eine vorteilhafte Schweißeignung mit dem Werkstoff der Welle aufweist.In this case, the material of the intermediate element can be selected largely freely. Parameters to be considered in the choice of the material of the intermediate element are, for example, the same or at least substantially similar coefficients of thermal expansion of the material of the intermediate element and the material of the impeller. Advantageously, the intermediate element is formed from a material which has an advantageous weldability with the material of the shaft.

Ist das Zwischenelement beispielsweise zumindest teilweise in dem Laufrad und/oder zumindest teilweise in der Welle aufgenommen, so weist der Werkstoff des Zwischenelements vorteilhafterweise einen insbesondere geringfügig höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten auf als der Werkstoff des Laufrads bzw. der Welle auf. So kann unter Temperatureinfluss ein radiales Verspannen und somit eine feste Verbindung zwischen dem Zwischenelement und dem Laufrad bzw. der Welle gewährleistet werden. Allerdings ist auch hierbei die Sprödigkeit des gegebenenfalls verwendeten intermetallischen Werkstoffs zu beachten, um mechanische Überlastungen zu vermeiden.If the intermediate element is accommodated, for example, at least partially in the impeller and / or at least partially in the shaft, the material of the intermediate element advantageously has a particularly slightly higher coefficient of thermal expansion than the material of the impeller or of the shaft. So can under Temperature influence a radial distortion and thus a firm connection between the intermediate element and the impeller or the shaft can be ensured. However, the brittleness of the optionally used intermetallic material must also be taken into account in order to avoid mechanical overloads.

Vorteilhafterweise ist eine Verbindungsstelle zwischen dem Zwischenelement und dem Laufrad konstruktiv derart gestaltet, dass unter Berücksichtigung von zu erwartenden und während des Betriebs auftretenden mechanischen Spannungen Rotation, Verkippen und/oder axialer Versatz des Zwischenelements relativ zu dem Laufrad vermieden sind.Advantageously, a connection point between the intermediate element and the impeller is structurally designed such that, taking into account expected mechanical stresses that occur during operation, rotation, tilting and / or axial displacement of the intermediate element relative to the impeller are avoided.

Vorteilhafterweise sind das Zwischenelement und das Turbinenrad über wenigstens einen Formschluss miteinander verbunden. Bei einem solchen Formschluss kann es sich beispielsweise um einen Vielzahn handeln. Dabei weisen das Zwischenelement und das Laufrad jeweilige Verzahnungen auf, über welche sie in Umfangsrichtung und/oder insbesondere in axialer Richtung formschlüssig miteinander verbunden sind.Advantageously, the intermediate element and the turbine wheel are connected to each other via at least one positive connection. In such a positive connection may be, for example, a multi-tooth. In this case, the intermediate element and the impeller on respective teeth on which they are positively connected to each other in the circumferential direction and / or in particular in the axial direction.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Welle aus einer Stahl, insbesondere aus einer Stahllegierung, gebildet. Somit kann die Welle zumindest im Wesentlichen optimal auf ihre erwünschte Funktion hin angepasst und ausgestaltet werden bei gleichzeitiger Realisierung geringer Kosten. Insbesondere kann die Welle dadurch vorteilhafte Lagereigenschaften aufweisen, um sie reibungsarm und definiert an einem Lagergehäuse des Abgasturboladers zu lagern.In a further advantageous embodiment of the invention, the shaft is formed from a steel, in particular from a steel alloy. Thus, the shaft can be adapted and configured at least substantially optimally to its desired function and at the same time realizing low costs. In particular, the shaft can thereby have advantageous storage properties, to store them friction and defined on a bearing housing of the exhaust gas turbocharger.

Ferner kann die Welle so vorteilhaft mit dem Zwischenelement verschweißt werden, wodurch das Laufrad unter Vermittlung des Zwischenelements zeit- und kostengünstig mit der Welle verschweißt werden kann. Dabei ist das Laufrad mittels des Zwischenelements während des Verschweißens thermisch entkoppelt, um so Rissbildungen des Laufrads zu vermeiden. Ferner weist der Werkstoff des Zwischenelements vorteilhafterweise eine bessere Schweißbarkeit auf als der Werkstoff des Laufrads, so dass der Zusammenbau besonders fest mit der Welle durch Schweißen verbunden kann.Furthermore, the shaft can be welded so advantageous with the intermediate element, whereby the impeller can be welded time-consuming and cost-effective with the shaft through the intermediary of the intermediate element. In this case, the impeller is thermally decoupled by means of the intermediate element during welding, so as to avoid cracking of the impeller. Furthermore, the material of the intermediate element advantageously has a better weldability than the material of the impeller, so that the assembly can be particularly firmly connected to the shaft by welding.

Der zweite Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Verbindungsanordnung euer Welle mit einem Laufrad, insbesondere einem Turbinenrad, eines Abgasturboladers. Bei dem Verfahren werden das Laufrad und die Welle unter Vermittlung eines Zwischenelements miteinander verbunden.The second aspect of the invention relates to a method for producing a connection arrangement of your shaft with an impeller, in particular a turbine wheel, an exhaust gas turbocharger. In the method, the impeller and the shaft are interconnected by means of an intermediate element.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Zwischenelement und das Laufrad durch einen Gießprozess miteinander verbunden werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt.According to the invention it is provided that the intermediate element and the impeller are interconnected by a casting process. Advantageous embodiments of the first aspect of the invention are to be regarded as advantageous embodiments of the second aspect of the invention and vice versa.

Durch den Gießprozess können das Zwischenelement und das Laufrad besonders zeit- und kostengünstig miteinander verbunden werden. Gleichzeitig ist es dadurch ermöglicht, im Anschluss an den Gießprozess den Zusammenbau aus dem Laufrad und dem Zwischenelement durch ein thermisches Fügverfahren, insbesondere durch Schweißen, mit der Welle zu verbinden, indem beispielsweise das Zwischenelement mit der Welle verschweißt wird. Mittels des Zwischenelements ist das Laufrad während des Schweißens thermisch entkoppelt, so dass das Laufrad bzw. dessen Werkstoff nicht durch die beim Schweißen auftretenden hohen Temperaturen negativ beeinträchtigt wird und somit beispielsweise keine Risse im Werkstoff des Laufrads auftreten.Through the casting process, the intermediate element and the impeller can be particularly time-consuming and cost-effective interconnected. At the same time, this makes it possible to connect the assembly of the impeller and the intermediate element by a thermal joining method, in particular by welding, with the shaft, for example by the intermediate element is welded to the shaft following the casting process. By means of the intermediate element, the impeller is thermally decoupled during welding, so that the impeller or its material is not adversely affected by the high temperatures occurring during welding and thus, for example, no cracks occur in the material of the impeller.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht nicht nur die zeit- und kostengünstige Verbindung des Zwischenelements mit dem Laufrad, sondern auch eine einfache und somit ebenfalls zeit- und kostengünstige Verbindung des Zusammenbaus mit der Welle, ohne beispielsweise Zusatzwerkstoffe zum Schweißen verwenden zu müssen.The inventive method not only allows the time and cost-effective connection of the intermediate member with the impeller, but also a simple and therefore also time and cost-effective connection of the assembly with the shaft, without having to use, for example, filler metals for welding.

Als vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn das Laufrad zumindest teilweise in das Zwischenelement eingegossen und/oder an das Zwischenelement angegossen wird, wobei zeitlich vorher das hergestellte Zwischenelement in und/oder an einer Form angeordnet wird, mittels welcher im Anschluss daran das Laufrad durch Gießen, d. h. den Gießprozess, hergestellt wird. Dabei wird beispielsweise das bereits hergestellte, beispielsweise gegossene, Zwischenelement zumindest teilweise in einem Laufradmodell angeordnet, d. h. implementiert. Bei dem Laufradmodell handelt es sich beispielsweise um ein Wachsmodell, das ein positives Modell des herzustellenden Laufrads darstellt und mittels dessen das Laufrad in einem weiteren Feingussprozess als der Gießprozess beispielsweise durch Tauchen, Besanden, Modellausschmelzen hergestellt wird.It has proven to be advantageous if the impeller is at least partially cast in the intermediate element and / or molded onto the intermediate element, wherein temporally before the produced intermediate element is arranged in and / or on a mold by means of which subsequently the impeller by casting , d. H. the casting process is produced. In this case, for example, the already produced, for example molded, intermediate element is at least partially arranged in an impeller model, d. H. implemented. The impeller model is, for example, a wax model, which represents a positive model of the impeller to be produced and by means of which the impeller is produced in a further investment casting process as the casting process, for example by immersion, sanding, model casting.

Durch diese Implementierung des Zwischenelements in dem Laufradmodell wird der flüssige Gusswerkstoff, aus welchem das Laufrad hergestellt wird, zumindest teilweise an das Zwischenelement angegossen und/oder in dieses eingegossen, so dass das Verbinden des Laufrads mit dem Umformen und damit mit dem Herstellen dieses durch den Gießprozess zeitgleich einhergeht.As a result of this implementation of the intermediate element in the impeller model, the liquid casting material from which the impeller is produced is at least partially cast onto and / or cast into the intermediate element, so that the connection of the impeller with the forming and thus with the production thereof Casting process coincides.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of a preferred Embodiment and with reference to the drawing. The features and combinations of features mentioned above in the description and features mentioned below in the description of the figures and / or alone in the figures and feature combinations can be used not only in the respectively specified combination but also in other combinations or in isolation, without the scope of the invention to leave.

Die Zeichnung zeigt in:The drawing shows in:

1 eine schematische Längsschnittansicht eines Rotors eines Abgasturboladers, mit einem Turbinenrad und einer Welle, die unter Vermittlung eines Zwischenelements miteinander verbunden sind, wobei das Zwischenelement und das Turbinenrad durch Gießen des Turbinenrads oder des Zwischenelements miteinander verbunden sind; 1 a schematic longitudinal sectional view of a rotor of an exhaust gas turbocharger, with a turbine wheel and a shaft, which are interconnected by means of an intermediate member, wherein the intermediate member and the turbine wheel are connected to each other by casting the turbine or the intermediate member;

2 eine schematische Längsschnittansicht des Turbinenrads mit dem mit diesem verbundenen Zwischenelement gemäß 1.; und 2 a schematic longitudinal sectional view of the turbine wheel with the associated with this intermediate element according to 1 . and

3 eine schematische Längsschnittansicht eines Rotors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. 3 a schematic longitudinal sectional view of a rotor according to another embodiment.

Die 1 zeigt einen Rotor 10 für einen Abgasturbolader einer beispielsweise als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine. Der Rotor 10 umfasst eine Welle 12 sowie ein Turbinenrad 14. Das Turbinenrad 14 ist dabei zumindest teilweise in einem Aufnahmeraum eines Turbinengehäuses des Abgasturboladers anzuordnen. Das Turbinengehäuse weist wenigstens einen Zuführkanal auf, über welchen Abgas der Verbrennungskraftmaschine dem Aufnahmeraum und damit dem Turbinenrad 14 zuführbar ist. Bei der Turbine handelt es sich beispielsweise um eine Radialturbine, bei welcher das Turbinenrad 14 zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung von dem Abgas angeströmt und so beaufschlagt wird. Durch dieses Beaufschlagen des Turbinenrads 14 mit dem Abgas dreht sich das Turbinenrad 14 und mit diesem der gesamte Rotor 10 um eine Drehachse 16. Ebenso könnte das Turbinenrad 14 ein Turbinenrad einer so genannten Mixed-flow Turbine sein, wobei bei einer Mixed-flow Turbine das Turbinenrad radial als auch halb-axial oder axial anströmbar ist.The 1 shows a rotor 10 for an exhaust gas turbocharger of an example designed as a reciprocating internal combustion engine internal combustion engine. The rotor 10 includes a wave 12 and a turbine wheel 14 , The turbine wheel 14 is to be arranged at least partially in a receiving space of a turbine housing of the exhaust gas turbocharger. The turbine housing has at least one supply channel, via which exhaust gas of the internal combustion engine the receiving space and thus the turbine wheel 14 can be fed. The turbine is, for example, a radial turbine in which the turbine wheel 14 At least substantially in the radial direction of the exhaust gas flows and thus acted upon. By applying the turbine wheel 14 with the exhaust gas, the turbine wheel rotates 14 and with this the whole rotor 10 around a rotation axis 16 , Likewise, the turbine wheel could 14 be a turbine of a so-called mixed-flow turbine, wherein in a mixed-flow turbine, the turbine wheel is radially and semi-axially or axially flowed.

Dazu ist die Welle 12 zumindest teilweise in einem Lagergehäuse des Abgasturboladers anzuordnen und mittels einer Lagereinrichtung um die Drehachse 16 relativ zu dem Lagergehäuse drehbar an diesem zu lagern. Zum Antreiben des Rotors 10 mittels des Turbinenrads 14 ist das Turbinenrad 14 drehfest mit der Welle 12 verbunden. Mit der Welle 12 ist ferner ein Verdichterrad eines Verdichters des Abgasturboladers drehfest zu verbinden, so dass das Verdichterrad über das Turbinenrad 14 und die Welle 12 angetrieben wird. Mittels des Verdichterrads kann dadurch der Verbrennungskraftmaschine zuzuführende Luft verdichtet werden, so dass die Verbrennungskraftmaschine besonders effizient betrieben werden kann. Ebenso könnte der Rotor 10 auch ein Rotor einer Gasturbine sein.This is the wave 12 at least partially to be arranged in a bearing housing of the exhaust gas turbocharger and by means of a bearing device about the axis of rotation 16 To store it rotatably relative to the bearing housing. To drive the rotor 10 by means of the turbine wheel 14 is the turbine wheel 14 rotatably with the shaft 12 connected. With the wave 12 Furthermore, a compressor wheel of a compressor of the exhaust gas turbocharger is rotatably connected, so that the compressor wheel on the turbine wheel 14 and the wave 12 is driven. By means of the compressor wheel, the air supplied to the internal combustion engine can thereby be compressed, so that the internal combustion engine can be operated particularly efficiently. Likewise, the rotor could 10 also be a rotor of a gas turbine.

Das das Turbinenrad 14 umströmende und dadurch antreibende Abgas kann sehr hohe Temperaturen aufweisen. Ferner können besonders hohe Drehzahlen des Rotors 10 um die Drehachse 16 auftreten. Diese Kombination aus thermischer Beanspruchung und Beanspruchung durch Fliehkrafteinwirkung stellt eine hohe Belastung des Turbinenrads 14 dar.That the turbine wheel 14 flowing around and thereby driving exhaust gas can have very high temperatures. Furthermore, particularly high rotational speeds of the rotor 10 around the axis of rotation 16 occur. This combination of thermal stress and stress caused by centrifugal force puts a high load on the turbine wheel 14 represents.

Um diese hohe Belastung auch über eine hohe Lebensdauer hinweg zumindest im Wesentlichen schadfrei ertragen zu können, ist das Turbinenrad 14 daher beispielsweise zumindest im Wesentlichen aus Titanaluminid (TiAl) oder einem anderweitigen intermetallischen Werkstoff gebildet. Dadurch weist das Turbinenrad 14 eine besonders hohe spezifische Festigkeit insbesondere hinsichtlich hoher thermischer Beanspruchungen auf. Intermetallische Werkstoffe weisen jedoch eine relativ hohe Sprödigkeit und eine damit verbundene Rissempfindlichkeit auf, was ein Fügen des Turbinenrads 14 mit der Welle 12 insbesondere unter Temperatureinfluss wie beim Verschweißen erschwert.In order to be able to bear this high load at least substantially without damage over a long service life, the turbine wheel is 14 therefore, for example, at least substantially formed of titanium aluminide (TiAl) or other intermetallic material. This shows the turbine wheel 14 a particularly high specific strength, in particular with regard to high thermal stresses. However, intermetallic materials have a relatively high brittleness and associated crack sensitivity, which is a joining of the turbine wheel 14 with the wave 12 especially difficult under the influence of temperature as welding.

Um nun dennoch eine einfache, zeit- und kostengünstige sowie drehfeste Verbindung zwischen dem Turbinenrad 14 und der Welle 12 zu ermöglichen, ist ein Zwischenelement 18 vorgesehen, unter dessen Vermittlung das Turbinenrad 14 mit der Welle 12 verbunden ist. Das Zwischenelement 18, welches auch als Einsatz bezeichnet wird, und das Turbinenrad 14 sind dabei durch einen Gießprozess des Turbinenrads 14 oder des Zwischenelements 18 miteinander verbunden.But now to a simple, time-consuming and cost-effective and rotationally fixed connection between the turbine wheel 14 and the wave 12 to enable is an intermediate element 18 provided, under whose mediation the turbine wheel 14 with the wave 12 connected is. The intermediate element 18 , which is also referred to as an insert, and the turbine wheel 14 are doing a casting process of the turbine wheel 14 or the intermediate element 18 connected with each other.

Zur Verbindung des Turbinenrads 14 mit dem Zwischenelement 18 ist somit beispielsweise vorgesehen, den flüssigen Gusswerkstoff des Turbinenrads 14 zumindest teilweise an und/oder in das bereits beispielsweise ebenfalls durch Gießen hergestellte Zwischenelement 18 anzugießen bzw. einzugießen.To connect the turbine wheel 14 with the intermediate element 18 is thus provided, for example, the liquid casting material of the turbine wheel 14 at least partially to and / or in the already for example also produced by casting intermediate element 18 pour on or pour in.

Ebenso kann vorgesehen sein, den flüssigen Gusswerkstoff des Zwischenelements 18 zumindest teilweise an und/oder in das bereits beispielsweise durch Gießen hergestellte Turbinenrad 14 anzugießen bzw. einzugießen. Dies bedeutet, dass das Verbinden des Turbinenrads 14 mit dem Zwischenelement 18 mit dem Urformen und damit mit dem Herstellen des Turbinenrads 14 bzw. des Zwischenelements 18 einhergeht.Likewise, it can be provided, the liquid casting material of the intermediate element 18 at least partially to and / or in the turbine wheel already produced for example by casting 14 pour on or pour in. This means that connecting the turbine wheel 14 with the intermediate element 18 with the prototyping and thus with the manufacture of the turbine wheel 14 or the intermediate element 18 accompanied.

Wie insbesondere der 2 zu entnehmen ist, kann dabei vorgesehen sein, dass das Turbinenrad 14 und das Zwischenelement 18 über wenigstens einen Formschluss miteinander verbunden sind. Durch den Formschluss sind das Turbinenrad und das Zwischenelement 18 insbesondere in axialer Richtung des Rotors 10 und damit des Turbinenrads 14 relativ zueinander fixiert. Alternativ oder zusätzlich kann der Formschluss auch eine Fixierung des Turbinenrads 14 und des Zwischenelements 18 in Umfangsrichtung des Rotors 10 und damit des Turbinenrads 14 gewährleisten. Dadurch ist eine besondere feste Verbindung zwischen dem Turbinenrad 14 und dem Zwischenelement 18 dargestellt, welche auf zeit- und kostengünstige Weise herzustellen ist. How the particular 2 can be seen, it can be provided that the turbine wheel 14 and the intermediate element 18 are connected to each other via at least one positive connection. Due to the positive connection are the turbine wheel and the intermediate element 18 in particular in the axial direction of the rotor 10 and with it the turbine wheel 14 fixed relative to each other. Alternatively or additionally, the positive connection and a fixation of the turbine wheel 14 and the intermediate element 18 in the circumferential direction of the rotor 10 and with it the turbine wheel 14 guarantee. This is a special solid connection between the turbine wheel 14 and the intermediate element 18 represented, which is to produce in a timely and cost-effective manner.

Des Weiteren ist vorgesehen, dass der Werkstoff des Zwischenelements 18 im Vergleich zum Werkstoff des Turbinenrads 14 eine bessere Verschweißbarkeit mit der beispielsweise aus einem Stahl, insbesondere einer Stahllegierung, gebildeten Welle 12 aufweist. Dadurch kann der Zusammenbau aus dem Turbinenrad 14 und dem Zwischenelement 18 besonders zeit- und kostengünstig mit der Welle 12 verschweißt werden. Zum Verschweißen des Zwischenelements 18 und der Welle 12 kann jedwede Art von Schweißverfahren durchgeführt werden. Beispielsweise wird ein Elektronenstrahlschweißen durchgeführt.Furthermore, it is provided that the material of the intermediate element 18 compared to the material of the turbine wheel 14 a better weldability with the example of a steel, in particular a steel alloy, formed shaft 12 having. This allows the assembly of the turbine wheel 14 and the intermediate element 18 especially time and cost with the shaft 12 be welded. For welding the intermediate element 18 and the wave 12 Any type of welding process can be performed. For example, electron beam welding is performed.

Bei dem Verschweißen des Zusammenbaus mit der Welle 12 über des Zwischenelement 18 fungiert das Zwischenelement 18 als Entkopplungselement, mittels welchem das Turbinenrad 14 insbesondere thermisch von dem Wärmeeintrag durch das Schweißen entkoppelt ist. Dadurch ist eine unerwünschte Beeinträchtigung des Turbinenrads 14 und insbesondere dessen intermetallischen Werkstoffs durch die beim Schweißen auftretende Wärme vermieden, so dass das Turbinenrad nicht unerwünschterweise bereits beim Verschweißen des Zusammenbaus mit der Welle 12 vorgeschädigt wird und gegebenenfalls Risse entstehen. Somit ermöglicht das Verbinden des Zwischenelements 18 mit dem Turbinenrad 14 durch den Gießprozess nicht nur eine zeit- und kostengünstige Verbindung des Zwischenelements 18 mit dem Turbinenrad 14, sondern auch eine zeit- und kostengünstige Verbindung des Zusammenbaus (Turbinenrad 14 und Zwischenelement 18) mit der Welle 12. Insbesondere ist es nicht notwendig, beim Verbinden des Turbinenrads 14 mit dem Zwischenelement 18 sowie beim Verbinden des Zwischenelements 18 mit der Welle 12 Zusatzwerkstoffe vorzusehen und/oder einen anderweitigen zusätzlichen Aufwand zu betreiben.When welding the assembly to the shaft 12 over the intermediate element 18 acts the intermediate element 18 as a decoupling element, by means of which the turbine wheel 14 in particular thermally decoupled from the heat input by the welding. This is an undesirable impairment of the turbine wheel 14 and in particular its intermetallic material avoided by the heat occurring during welding, so that the turbine wheel is not undesirable already when welding the assembly to the shaft 12 is pre-damaged and, if necessary, cracks occur. Thus, the connection of the intermediate element allows 18 with the turbine wheel 14 by the casting process not only a time-consuming and cost-effective connection of the intermediate element 18 with the turbine wheel 14 , but also a time- and cost-effective connection of the assembly (Turbinenrad 14 and intermediate element 18 ) with the wave 12 , In particular, it is not necessary when connecting the turbine wheel 14 with the intermediate element 18 as well as when connecting the intermediate element 18 with the wave 12 Provide additional materials and / or otherwise operate an additional effort.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß 3, ist zwischen dem Zwischenelement 18 und der Welle 12 im Bereich der Drehachse 16 ein Hohlraum 20 bzw. eine Kavität ausgebildet, wobei dieser Hohlraum 20 eine Funktion einer Wärmedrossel aufweist. Der Hohlraum erstreckt sich in radialer Richtung über einen Durchmesser des Wellenendes, welches mit dem Zwischenstück 18 verbunden ist.In a further embodiment according to 3 , is between the intermediate element 18 and the wave 12 in the area of the axis of rotation 16 a cavity 20 or a cavity formed, wherein this cavity 20 has a function of a heat choke. The cavity extends in the radial direction over a diameter of the shaft end, which with the intermediate piece 18 connected is.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102008008857 A1 [0004]

Claims

Connection arrangement ( 10 ) of a wave ( 12 ) with an impeller ( 14 ), in particular a turbine wheel ( 14 ), an exhaust gas turbocharger, in which the impeller ( 14 ) and the wave ( 12 ) mediating an intermediate element ( 18 ), characterized in that the intermediate element ( 18 ) and the impeller ( 14 ) are interconnected by a casting process.

Connection arrangement ( 10 ) according to claim 1, characterized in that the intermediate element ( 18 ) at least partially into the impeller ( 14 ) and / or to the impeller ( 14 ) is poured.

Connection arrangement ( 10 ) according to claim 1, characterized in that the impeller ( 14 ) at least partially into the intermediate element ( 18 ) and / or to the intermediate element ( 18 ) is poured.

Connection arrangement ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the impeller ( 14 ) is formed of an intermetallic material, in particular of titanium aluminide, or of an at least highly heat-resistant nickel-based alloy or of a super nickel-based alloy.

Connection arrangement ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the intermediate element ( 18 ) with the wave ( 12 ) is welded.

Connection arrangement ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the shaft ( 12 ) is formed of a steel, in particular a steel alloy.

Method for producing a connection arrangement ( 10 ) of a wave ( 12 ) with an impeller ( 14 ), in particular a turbine wheel ( 14 ), an exhaust gas turbocharger, wherein the impeller ( 14 ) and the wave ( 12 ) mediating an intermediate element ( 18 ), characterized in that the intermediate element ( 18 ) and the impeller ( 14 ) are joined together by a casting process.

Method according to claim 7, characterized in that the intermediate element ( 18 ) at least partially into the impeller ( 14 ) and / or to the impeller ( 14 ) is poured.

Method according to claim 7, characterized in that the impeller ( 14 ) at least partially into the intermediate element ( 18 ) and / or to the intermediate element ( 18 ) is poured.

Method according to claim 9, characterized in that the intermediate element ( 18 ) is arranged in and / or on a mold, by means of which subsequently the impeller ( 14 ) is produced by casting.