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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor einer Ladeeinrichtung, insbesondere eines Abgasturboladers, mit zumindest zwei aneinander befestigten Teilen gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 7. Die Erfindung betrifft außerdem eine Ladeeinrichtung, insbesondere einen Abgasturbolader mit einem derartigen Rotor.
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Aus der
DE 10 2009 014 005 A1 ist eine Ladeeinrichtung mit einem Rotor bekannt, der ein Verdichterrad und ein Turbinenrad trägt. Der Rotor rotiert um eine Rotationsachse und besitzt ein scheibenförmiges Hitzeschutzschild, das bezüglich der Rotationsachse axial zwischen dem Turbinenrad einerseits und dem Verdichterrad andererseits angeordnet ist. Durch eine drehfeste Verbindung des Hitzeschutzschildes mit dem Rotor soll eine verbesserte Hitzebeständigkeit erreicht werden.
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Aus der
DE 10 2005 007 404 B3 ist eine Verbindung einer Rotorwelle mit einem Turbinenrad einer Ladeeinrichtung bekannt, bei der das Turbinenrad und die Rotorwelle entweder in einer Arbeitskammer unter Vakuum unter Einsatz eines Elektrodenstrahles oder unter Raumbedingungen durch die Verwendung eines Laserstrahles miteinander verbunden werden.
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Aus der
DE 10 2010 010 965 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen zwei Bauteilen eines Rotors eines Abgasturboladers beschrieben. Hierbei wird eine Rotorwelle in ein Laufrad hineingeschoben, wobei zwischen der Rotorwelle und dem Laufrad eine Ringnut eingebracht ist. Die Verbindung wird nun durch eine thermisch wirksame Rastverbindung zwischen den Bauteilen bewirkt.
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Aus der
DE 689 07 767 T2 ist ein Verbindungsverfahren zwischen einem Teil aus einer Titan-Aluminium-Legierung und einem Stahlteil bekannt.
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Bei aktuellen Ladeeinrichtungen werden Einzelteile eines Rotors, beispielsweise eine Welle, ein Verdichterrad und/oder ein Turbinenrad, beispielsweise durch Schweißen und/oder Schrauben miteinander verbunden.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Rotor der gattungsgemäßen Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, welche sich insbesondere durch eine kostengünstige und effektive Verbindung zweier Einzelteile des Rotors auszeichnet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einem an sich bekannten Rotor einer Ladeeinrichtung, insbesondere bei einem Rotor eines Abgasturboladers, mit zumindest zwei aneinander befestigten Teilen, die zusammen einen Hohlraum einschließen, diesen Hohlraum so abzudichten, dass in diesem ein Unterdruck, insbesondere sogar ein Vakuum erzeugt werden kann und dadurch die einzelnen Teile einzig und allein aufgrund des im Hohlraum herrschenden Unterdrucks aneinander gehalten bzw. fixiert werden. Im Unterschied zu bisher bekannten Schweißverfahren zur Fixierung einzelner Teile des Rotors aneinander kann dadurch eine thermische Belastung des Materials im Bereich einer ansonsten erforderlichen Schweißnaht sowie zusätzlich eine Verringerung des Gewichts des Rotors erzielt werden. Die Abdichtung des Hohlraums muss dabei selbstverständlich langfristig aufrechterhalten werden können, da der im Hohlraum herrschende Unterdruck vorzugsweise alleinig für die Fixierung der beiden Teile aneinander maßgeblich ist. Die Herstellung zweier Teile, die zusammen einen Hohlraum einschließen, der zudem noch so abgedichtet werden kann, dass ein darin herrschender Unterdruck den Zusammenhalt der beiden Teile gewährleistet, erfordert zwar einerseits eine vergleichsweise hohe Fertigungsgenauigkeit der einzelnen Teile, ermöglicht jedoch andererseits ein völlig alternatives Verbindungsverfahren, welches insbesondere ohne zusätzliche Befestigungsmittel, wie beispielsweise Schrauben, sowie ohne zusätzliche Befestigungsvorgänge, wie beispielsweise ein Verschweißen der beiden Teile aneinander, auskommt.
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Die beiden Teile können beispielsweise aus folgender Liste entstammen: Verdichterrad, Turbinenrad, Hitzeschutzschild, Rotorwelle. Somit ist denkbar, dass über den zwischen den beiden Teilen eingeschlossenen Hohlraum und den darin enthaltenen Unterdruck beispielsweise ein Verdichterrad auf einer Rotorwelle, ein Verdichterrad an einem Turbinenrad, ein Hitzeschutzschild an der Rotorwelle oder ein Verdichterrad am Hitzeschutzschild befestigt werden. Die zuvor genannten Aufzählung erhebt dabei selbstverständlich keinerlei Anspruch auf Vollständigkeit, so dass auch weitere, nicht einmal zum Rotor selbst gehörende Bauteile, mittels eines von diesem Bauteil gemeinsam eingeschlossenen Hohlraums und einem darin herrschenden Unterdruck aneinander fixiert werden können.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung liegen die beiden Teile über axiale Stirnflächen dicht aneinander an, wobei die Stirnflächen gerade, gewölbt oder konisch ausgebildet sein können. Zusätzlich können die Stirnflächen oberflächenvergütet, insbesondere poliert, sein. Hierdurch soll insbesondere eine vergleichsweise hohe Oberflächengüte und Oberflächengenauigkeit an den Kontaktflächen (Stirnflächen) der beiden Teile hergestellt werden, wodurch das Aufrechterhalten des Unterdrucks, insbesondere des Vakuums, in dem zwischen den beiden Teilen eingeschlossenen Hohlraum auch langfristig gewährleistet werden kann.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung weist zumindest eines der beiden Teile eine Titanbeschichtung auf oder ist sogar gänzlich aus Titan bzw. einer Titanlegierung ausgebildet. Hierbei wird die allgemein bekannte Tatsache genutzt, dass Titan die Fähigkeit besitzt, unter Druck Bindungen zwischen den einzelnen Atomen auszubilden. Es erfolgt somit unter Druck ein Kaltverschmelzen an der aus Titan ausgebildeten bzw. mit einer Titanbeschichtung überzogenen Kontaktfläche. Der Druck der beiden Teile aneinander zum Ausbilden der Kaltschmelzverbindung wird dabei beispielsweise nicht über eine von außen wirkende Presse, sondern über den im Hohlraum zwischen den beiden Teilen herrschenden Unterdruck bewirkt.
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Selbstverständlich kann auch eines der beiden Teile aus Keramik ausgebildet sein oder eine Keramikbeschichtung, insbesondere an den jeweiligen Kontaktflächen, aufweisen. Keramik ist ein schlechter Wärmeleiter und zudem sehr hitzebeständig, so dass beispielsweise die Ausbildung eines Hitzeschutzschildes aus Keramik sowie dessen Verbindung über einen Hohlraum mit dort herrschendem Unterdruck an einem zweiten Teil (Bauteil) des Rotors ermöglicht wird. Vor der eigentlichen Verbindung der beiden Teile des Rotors mittels Unterdruck erfolgt üblicherweise eine Zentrierung, so dass der aus den beiden Teilen zumindest teilweise bestehende Rotor keine Unwucht aufweist.
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Die Verbindung der beiden Teile kann beispielsweise in einer Unterdruckkammer oder einer Vakuumkammer erfolgen, wobei der eingeschlossene Unterdruck beim Herausholen der beiden Teile aus der Kammer eingeschlossen und dadurch erhalten bleibt und seine Haltekraft entfalten kann.
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Die Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, bei einem Rotor einer Ladeeinrichtung, insbesondere bei einem Rotor eines Abgasturboladers, mit zumindest zwei aneinander befestigten Teilen, zumindest eines dieser beiden Teile aus Titan bzw. einer Titanlegierung auszubilden oder mittels einer Titanbeschichtung an einer Kontaktfläche zum anderen Teil zu versehen und über eine dortige Kaltschmelzverbindung unter Druck mit dem anderen Bauteil zu verbinden. Wie bereits in den vorherigen Absätzen erwähnt, verfügt Titan über die Fähigkeit unter Druck atomare Bindungen auszubilden, so dass bei einem Aufbringen eines entsprechenden Anpressdrucks eine Kaltschmelzverbindung zwischen den beiden Teilen hergestellt werden kann. Im Unterschied zu dem im vorherigen Abschnitt beschriebenen Hohlraum mit dem darin herrschenden Unterdruck, kann der zur Herstellung der Kaltschmelzverbindung erforderliche Druck auch mittels beispielsweise einer Presse von außen aufgebracht werden. Auch bei dieser Ausgestaltung können die beiden miteinander zu verbindenden Bauteile beispielsweise wieder als Verdichterrad, als Turbinenrad, als Hitzeschutzschild oder als Rotorwelle ausgebildet sein. Ebenso vorstellbar ist, dass zumindest eines der beiden Teile nicht aus Titan bzw. einer Titanlegierung, sondern vielmehr aus Keramik ausgebildet ist.
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Es kann auch vorgesehen sein, bei einem Rotor einer Ladeeinrichtung, insbesondere bei einem Rotor eines Abgasturboladers mit zumindest zwei aneinander befestigten Teilen, die beiden Teile über eine thermisch wirksame Rastverbindung miteinander zu verbinden. Auch hierbei können die beiden Teile wieder beispielsweise als Verdichterrad, als Turbinenrad, als Hitzeschutzschild oder als Rotorwelle ausgebildet werden. Bei einer direkten Verbindung eines Verdichterrades mit einem Turbinenrad ist beispielsweise das Herstellen einer Nut am Verdichterrad und eines zugehörigen Ringkragens am Turbinenrad denkbar, wobei zum miteinander verbinden das Verdichterrad gekühlt oder das Turbinenrad erhitzt und dann mit dem jeweiligen anderen Teil zusammengepresst wird. Durch die Erwärmung des Turbinenrades dehnt sich dieses aus, ebenso zieht sich das Verdichterrad bei einer Temperaturerniedrigung zusammen, wodurch die Rastverbindung geschlossen werden kann. Bei einem darauf folgenden Temperaturausgleich, das heißt beispielsweise bei einem sich Erwärmen des Verdichterrades und einem Abkühlen des Turbinenrades verhakt sich die Rastverbindung unlösbar und gewährleistet so einen sicheren Halt des Turbinenrades am Verdichterrad und umgekehrt.
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Selbstverständlich ist klar, dass die einzelnen zuvor genannten Verbindungsmethoden nicht nur einzeln, sondern auch in beliebiger Kombination zum Verbinden einzelner Teile des Rotors genutzt werden können.
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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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Dabei zeigen, jeweils schematisch,
- 1 eine teilweise geschnittene Ansicht auf einen erfindungsgemäßen Rotor,
- 2 eine Detaildarstellung aus 1,
- 3 eine Darstellung wie in 2, jedoch bei einer anderen Ausführungsform.
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Entsprechend der 1, weist ein erfindungsgemäßer Rotor 1 einer im Übrigen nicht gezeigten Ladeeinrichtung, beispielsweise eines Abgasturboladers eines Kraftfahrzeuges, zumindest zwei aneinander befestigte Teile 5, 6, beispielsweise ein Turbinenrad 2, ein Verdichterrad 3, ein Hitzeschutzschild 4 oder eine Rotorwelle auf, die zusammen einen Hohlraum 7 einschließen, die beiden Teile 5, 6, beispielsweise das Verdichterrad 3 und der Hitzeschutzschild 4 sind dabei vorzugsweise lediglich über einen in dem Hohlraum 7 herrschenden Unterdruck, insbesondere ein Vakuum, fest aneinander fixiert. Gemäß der 1 ist dabei das Turbinenrad 2 am Hitzeschutzschild 4 über den dazwischen angeordneten Hohlraum 7' und das Hitzeschutzschild 4 mit dem Verdichterrad 3 über den dazwischen liegenden Hohlraum 7 mittels Unterdruck, insbesondere mittels Vakuum verbunden. Selbstverständlich ist auch eine mittels einer derartigen Unterdruckverbindung denkbare Fixierung des Turbinenrades 2 direkt am Verdichterrad 3 denkbar.
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Betrachtet man beispielsweise das Turbinenrad 2 und das Verdichterrad 3 gemäß der 2, so kann man erkennen, dass diese geneigte axiale Stirnflächen 8 und 8' besitzen. Mit diesen Stirnflächen 8, 8' liegen sie an komplementär dazu ausgebildeten Stirnflächen des Hitzeschutzschildes 4, der beispielsweise aus Keramik ausgebildet sein kann, an. Die Stirnflächen 8 und 8' können selbstverständlich gerade, gewölbt oder auch konisch ausgebildet sein und insbesondere eine Oberflächenvergütung aufweisen, beispielsweise durch ein Polieren.
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Um eine Abdichtung des Hohlraums 7 bzw. 7' bewirken zu können, kann im Bereich der axialen Stirnflächen 8, 8' zusätzlich eine Dichtung 9 angeordnet sein, wie dies beispielsweise gemäß der 3 gezeigt ist. Eine Fixierung zumindest zweier Teile 5, 6 des Rotors 1 aneinander erfolgt bei der dargestellten Verbindungsmethode vorzugsweise ausschließlich über den dem zwischen beiden Teilen 5, 6 liegenden Hohlraum 7 herrschenden Unterdruck.
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Zumindest eines der beiden Teile 5, 6 kann aus Titan ausgebildet sein, oder aber eine Titanbeschichtung, insbesondere an einer Stirnfläche 8, 8' aufweisen, wodurch aufgrund des im Hohlraum 7, 7' herrschenden Unterdrucks eine so gro-ße Flächenpressung an den Stirnflächen 8, 8' erreicht wird, dass dort eine Kaltverschmelzung auftritt. Titan bzw. Titanlegierungen neigen nämlich unter Druck zu atomaren Bindungen, wodurch eine Kaltverschmelzung ohne Zufuhr von Wärme denkbar ist. Dabei können selbstverständlich beide Teile 5, 6 aus Titan oder aber eines der beiden Teile 5, 6 aus Keramik ausgebildet sein oder eine Keramikbeschichtung aufweisen. Zur Verbindung ausschließlich mittels Unterdruck können selbstverständlich auch andere Materialien eingesetzt werden, wobei zur Herstellung der Kaltschmelzverbindung zumindest eines der beiden Bauteile aus Titan bzw. einer Titanlegierung ausgebildet sein muss bzw. eine derartige Titanbeschichtung aufweisen. Die Kontaktflächen bzw. die Stirnflächen 8, 8' über welche die beiden Teile 5, 6, gemäß der 2 das Verdichterrad 2 mit dem Hitzeschutzschild 4 verbunden ist, liegen an einem maximalen Durchmesser der beiden Teile 5, 6 und erbringen darüber hinaus eine Zentrierfunktion.
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Zusätzlich oder alternativ zur reinen Unterdruckverbindung der beiden Teile 5, 6 kann an den Stirnflächen 8, 8' bzw. an den Kontaktflächen eine Kaltverschmelzung erzwungen werden, wobei der hierfür erforderliche Druck beispielsweise mittels des im Hohlraum 7, 7' herrschenden Unterdrucks und/oder eines von außen aufgebrachten zusätzlichen mechanischen Drucks, beispielsweise mittels einer Presse, bewirkt werden kann. Zur Herstellung der Kaltschmelzverbindung ist jedoch auf jeden Fall die Ausbildung zumindest eines der beiden miteinander zu verbindenden Teile 5, 6 aus Titan bzw. einer Titanlegierung erforderlich.
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Bei einer weiteren nicht zur Erfindung gehörenden Ausführungsform sind die beiden Teile 5, 6, gemäß der 2 das Verdichterrad 2 mit dem Hitzeschutzschild 4 und der Hitzeschutzschild 4 mit dem Turbinenrad 3 über ein thermisch wirksame Rastverbindung 10 miteinander verbunden. Zum Schließen der Rastverbindung wird somit beispielsweise das Turbinenrad 2 erwärmt und das Hitzeschutzschild 4 gekühlt, wodurch eine Rastnase 11 am Turbinenrad 2 in eine zugehörige Nut 12 am Hitzeschutzschild 4 eingreifen kann. Beim Temperaturausgleich, das heißt bei einem Abkühlen des Turbinenrades 2 und einem Erwärmen des Hitzeschutzschildes 4 schließt sich die thermisch wirksame Rastverbindung 10, wodurch eine unlösbare Verbindung des Turbinenrades 2 mit dem Hitzeschutzschild 4 erreicht werden kann. In ähnlicher Weise kann selbstverständlich auch das Verdichterrad 3 mit dem Hitzeschutzschild 4 oder bei einer entsprechenden Ausführungsform direkt mit dem Turbinenrad 2 verbunden werden.
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Mit den erfindungsgemäßen Verbindungen kann insbesondere ein einfaches und kostengünstiges Verbinden der beiden Bauteile 5, 6 erreicht werden, ohne zusätzliche Befestigungsmittel, wie beispielsweise Schrauben sowie ohne eine zusätzliche thermische Belastung.
