DE102012210435A1

DE102012210435A1 - Schaufellagerring einer variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie

Info

Publication number: DE102012210435A1
Application number: DE201210210435
Authority: DE
Inventors: Dirk Naunheim; Andreas Prang; Florian Rentz; Achim Fedyna; Christian Peschke
Original assignee: Bosch Mahle Turbo Systems GmbH and Co KG
Current assignee: BMTS Technology GmbH and Co KG
Priority date: 2011-07-21
Filing date: 2012-06-20
Publication date: 2013-01-24

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schaufellagerring (1) einer variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie (2) für eine Ladeeinrichtung (3), insbesondere für einen Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine, wobei der Schaufellagerring (1) als gebauter Schaufellagerring (1) ausgebildet ist und zumindest zwei miteinander verbundenen Ringteilen (5, 6) aufweist. Erfindungswesentlich ist dabei, dass der Schaufellagerring (1) ein erstes als Führungsring (4) ausgebildetes Ringteil (5) und ein zweites Ringteil (6) aufweist, die in montiertem Zustand jeweils fluchtend zueinander ausgerichtete Durchgangsöffnungen (8, 8’) besitzen, und dass Lagerbuchsen (7) vorgesehen sind, in welchen im Betriebszustand Leitschaufeln (9) drehbar gelagert sind und die jeweils zwei fluchtend zueinander angeordnete Durchgangsöffnungen (8, 8’) durchgreifen, und dass der Schaufellagerring (1) zumindest bereichsweise mittels ECM-Verfahren (elektrochemisches Abtragen) nachbearbeitet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schaufellagerring einer variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie, der als gebauter Schaufellagerring gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft außerdem eine variable Turbinen-/Verdichtergeometrie mit einem derartigen Schaufellagerring sowie eine Ladeeinrichtung mit einer derartigen variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie.
Zur Leistungsregulierung weisen Ladeeinrichtungen häufig variable Turbinen-/Verdichtergeometrien auf, die durch eine Variation eines Querschnitts für ein die Ladeeinrichtung antreibendes Fluid die Leistung der Ladeeinrichtung verändern. Hauptbestandteil derartiger variabler Turbinen-/Verdichtergeometrien ist dabei ein Schaufellagerring, in welchem die Leitschaufeln jeweils über einen Schaufellagerzapfen drehbar gelagert sind. Nachteilig dabei ist jedoch, dass insbesondere der Schaufellagerring, durch ein Gussverfahren hergestellt und dadurch aufwändig nachbearbeitet werden muss.
Aus der DE 10 2008 046 009 A1 ist ein gattungsgemäßer Schaufellagerring bekannt der als gebauter Schaufellagerring ausgebildet ist und zumindest zwei miteinander über Lagerbuchsen verbundene Ringteile aufweist. Hierdurch kann der bisher massive Schaufellagerring feingliedriger und damit auch deutlich leichter ausgebildet werden, wobei die zwischen den beiden Ringteilen verbleibende Luftschicht zusätzlich zur Isolation genutzt werden kann, um die Temperaturbelastung, insbesondere für ein Lagergehäuse, zu reduzieren. Neben der Gewichtsersparnis lässt sich mit einem derartigen Schaufellagerring auch Material einsparen, was insbesondere zur Ressourcenschonung beiträgt.
Aus der JP 2007-205310 A ist ein weiterer gattungsgemäßer Schaufellagerring bekannt.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Schaufellagerring der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die sich neben einem vereinfachten Herstellungsverfahren auch durch eine deutliche Gewichtsreduzierung auszeichnet.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen bisher massiven Schaufellagerring nunmehr als mehrteiligen, das heißt aus mehreren Bestandteilen zusammengebauten, Schaufellagerring auszubilden, wodurch eine deutliche Gewichtsersparnis erreicht werden kann. Die einzelnen Bauteile des erfindungsgemäßen Schaufellagerringes lassen sich dabei als kostengünstige und in Massenfertigung herstellbare Bauteile ausbilden, wobei erfindungsgemäß erst nach dem Zusammenbau eine Nachbearbeitung mittels ECM-Verfahren (elektrochemischem Abtragen) erfolgt und dadurch die in diesem Bereich erforderlichen hohen Qualitätsansprüche vergleichsweise einfach erfüllt werden können. Der erfindungsgemäße Schaufellagerring besitzt dabei ein erstes als Führungsring ausgebildetes Ringteil sowie ein zweites Ringteil, die im montierten Zustand jeweils fluchtend zueinander ausgerichtete Durchgangsöffnungen aufweisen. Zusätzlich sind Lagerbuchsen bzw. Lagerhülsen vorgesehen, in welchen im Betriebszustand Leitschaufeln über entsprechende Schaufellagerzapfen drehbar gelagert sind und die jeweils zwei fluchtend zueinander angeordnete Durchgangsöffnungen durchgreifen. Zumindest bereichsweise ist dabei der Schaufellagerring nach der Montage mittels elektrochemischen Abtragen nachbearbeitet.
Insgesamt kann mit dem erfindungsgemäßen Schaufellagerring somit ein aus einfachen Bauteilen, beispielsweise Blechstanzteilen bzw. Blechformteilen aufgebauter Schaufellagerring geschaffen werden, wobei die hohen Qualitätsanforderungen mittels des am fertigen Schaufellagerring eingesetzten ECM-Verfahren realisiert werden und zwar deutlich kostengünstiger und deutlich exakter, als dies mit bisherigen mechanischen Nachbearbeitungsverfahren an einteiligen Schaufellagerringen möglich war. Der erfindungsgemäß gebaute Schaufellagerring besitzt darüber hinaus ein reduziertes Gewicht und eine verbesserte Wärmeisolierung, wodurch bei einem Einsatz bei einer variablen Turbinengeometrie ein Lagergehäuse besser vor einem unerwünschten Wärmezutritt aus der Turbine geschützt werden kann. Von besonderem Vorteil ist darüber hinaus, dass beim Zusammenbau, das heißt bei der Montage des Schaufellagerrings wegen des nachfolgenden Nachbearbeitungsprozesses weniger aufwändig und genau gearbeitet werden muss, so dass die eigentliche Montage kostengünstiger gestaltet werden kann.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist eine jeweilige Lagerfläche der Lagerbuchsen mittels ECM-Verfahren oder aber mechanisch nachbearbeitet. Unter einem mechanischen Nachbearbeiten kann insbesondere auch ein spanendes Nachbearbeiten verstanden werden. Unter dem ECM-Verfahren ist ein Abtragen des Fertigungsverfahrens, insbesondere für sehr harte Werkstoffe, zu verstehen, was darüber hinaus geeignet ist für Entgratarbeit bis hin zur Herstellung kompliziertester räumlicher Formen, inklusive Hinterschnitte. Neben dem klassischen ECM-Verfahren kann hierbei auch das PECM-Verfahren (Pulsed Electromechanical Machining) und das PEM (Precise Electro-chemical Machining) angewandt werden. Mit dem weiterentwickelten PEM-Verfahren sind dabei Präzisionen im Mikrometerbereich darstellbar. Das wesentlichste Merkmal des ECM-Verfahrens ist der fehlende Kontakt zwischen dem Werkzeug und dem zu bearbeitenden Werkstück, so dass hier keinerlei mechanischen Kräfte übertragen und Werkstoffeigenschaften, wie Härte oder Zähigkeit, keinen Einfluss auf den eigentlichen Herstellungsprozess nehmen. Das zu bearbeitende Werkstück bildet dabei die positive Anode, während das Werkzeug die Kathode darstellt. Einen Ladungstransport im Arbeitsspalt selbst übernimmt eine Elektrolytlösung, zum Beispiel eine wässrige Lösung von Natriumchlorid oder Natriumnitrat.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist zumindest eines der beiden Ringteile als Blechstanzteil oder als Drehteil ausgebildet. Derartige Blechstanzteile bzw. Drehteile lassen sich vergleichsweise kostengünstig herstellen. Die beiden Ringteile können dabei als einfache Scheiben ausgebildet sein oder in einem zusätzlichen Schritt mittels eines geeigneten Umformwerkzeugs umgeformt werden, so dass beispielsweise das als Führungsring ausgebildete Ringteil eine topfartige Gestalt aufweisen kann mit einem Randbereich, der bei montiertem Schaufellagerring zugleich als Gleitfläche für einen koaxial dazu angeordneten Verstellring einer variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie dient. Durch das Nachbearbeiten des aus den jeweiligen Einzelteilen mechanisch bereits gefügten Schaufellagerrings kann insbesondere auch der Zusammenbau des Schaufellagerrings zunächst unter reduzierten Qualitätsansprüchen durchgeführt werden, ohne dass diese auf die Qualität des fertiggestellten und dabei auch nachbearbeiteten Schaufellagerrings Einfluss hätten.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung weist zumindest eine der Lagerbuchsen eine zylindrische, eine konkave, eine konvexe oder eine gestufte, insbesondere mit einer Ringnut versehene, Lagerfläche, das heißt Innenmantelfläche, auf. Derartige vergleichsweise komplex herzustellende Hohlraumgeometrien lassen sich mittels dem erfindungsgemäß eingesetzten ECM-Verfahren vergleichsweise einfach und zudem mit höchster Präzision herstellen, wobei beispielsweise eine gestufte Lagerfläche mit einer mittigen Ringnut die eigentlichen Lagerstellen separiert und dadurch ein mögliches Verklemmen des Schaufellagerzapfens durch eine Verformung des Schaufellagerrings zuverlässig verhindert werden kann. Eine ähnliche Wirkung kann auch mit einer konvexen Lagerfläche erzielt werden. Sowohl die Ringnut als auch die konvexe Form der Lagerfläche wird dabei erst nach der kompletten mechanischen Montage des Schaufellagerrings mittels dem ECM-Verfahren eingebracht, wobei das Einbringen vergleichsweise einfach möglich ist. Zum Herstellen der Ringnut, das heißt der gestuften Lagerfläche, muss dabei beispielsweise lediglich die Elektrode innerhalb der Lagerbuchse radial verschoben werden.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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.
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.
Dabei zeigen, jeweils schematisch,
1 einen erfindungsgemäßen Schaufellagerring sowohl in einer Explosionsdarstellung als auch in einer montierten Darstellung,
2 eine Schnittdarstellung durch den erfindungsgemäßen Schaufellagerring als Teil einer variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie,
3a–c jeweils Schnittdarstellungen durch unterschiedlich ausgestaltete Lagerbuchsen.
Entsprechend den 1 bis 3, weist ein erfindungsgemäßer Schaufellagerring 1 einer variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie 2 (vgl. 2) für eine Ladeeinrichtung 3 ein erstes als Führungsring 4 ausgebildetes Ringteil 5 sowie ein zweites Ringteil 6 auf, so dass der Schaufellagerring 1 generell als gebauter Schaufellagerring 1 ausgebildet ist. Die beiden Ringteile 5 und 6 sind dabei fest miteinander verbunden, insbesondere miteinander verklebt, verstemmt, verlötet, vernietet oder verschweißt. Generell besteht somit der erfindungsgemäße Schaufellagerring 1 aus dem als Führungsring 4 ausgebildeten ersten Ringteil 5, dem zweiten Ringteil 6, sowie aus Lagerbuchsen 7, die in montiertem Zustand in jeweils fluchtend zueinander ausgerichtete Durchgangsöffnung 8, 8’ am jeweiligen Ringteil 5, 6 eingreifen. In den Lagerbuchsen 7 sind dabei im Betriebszustand der variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie 2 Leitschaufeln 9 (vgl. 2) drehbar gelagert. Erfindungsgemäß ist nun der Schaufellagerring 1 nach seiner Montage mittels eines ECM-Verfahrens (elektrochemischem Abtragen) nachbearbeitet. Dies bietet den großen Vorteil, dass die einzelnen Bauteile 4, 5, 6, 7 des Schaufellagerrings 1 mit vergleichsweise reduzierter Qualität hergestellt werden können und auch mit reduzierter Qualität montiert werden können, da die hohen Qualitätsanforderungen anschließend mittels des ECM-Verfahrens erreichbar sind. Insbesondere können dabei auch höhere Toleranzen der einzelnen Bauteile 4–7 toleriert werden, was ebenfalls eine einfachere Montage ermöglicht. Neben den einzelnen Bauteilen 4–7 kann insbesondere eine Lagerfläche 10 der Lagerbuchsen 7 mittels elektrochemischem Abtragverfahren oder aber auch mechanisch nachbearbeitet werden, wodurch insbesondere sehr glatte Oberflächen und damit eine geringe Reibung erzielt werden können.
Neben den Lagerbuchsen 7 können selbstverständlich auch Abstandshalter 11 vorgesehen sein, die die beiden Ringteile 5 und 6 auf Abstand zueinander halten. Die Abstandshalter 11 können dabei in entsprechende Bohrungen 12 bzw. allgemein Öffnungen 12 an den beiden Ringteilen 5, 6 eingreifen. Betrachtet man die linke Darstellung der 1, so kann zusätzlich am Ringteil 5 eine Nut 19 erkennen, die zur Positionierung des Schaufellagerrings 1 relativ zu einem nicht gezeigten Lagegehäuse der Ladeeinrichtung 3 bzw. relativ zur variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie 2 dient.
Wie bereits eingangs erwähnt, können die beiden Ringteile 5, 6 als kostengünstige Blechstanzteile oder als Drehteile ausgebildet sein, insbesondere ist es auch denkbar, dass als Führungsring 4 ausgebildete erste Ringteil 5 zunächst auszustanzen und dann in einem Umformschritt als Blechumformteil auszubilden und dadurch kostengünstig herzustellen. Eine Verbindung der einzelnen Bauteile 5, 6, 7 kann beispielsweise über ein Verkleben, ein Verstemmen, ein Verlöten, ein Vernieten oder ein Verschweißen erfolgen, wobei gemäß der 2 mögliche Schweißstellen 13 aufgezeigt sind. Bereits die Aufzählung der mannigfaltigen Verbindungsmöglichkeiten lässt erahnen, welche Flexibilität hinsichtlich des Herstellungsverfahrens bei dem erfindungsgemäßen Schaufellagerring 1 möglich ist.
Betrachtet man die 2, so kann man erkennen, dass das als Führungsring 4 ausgebildete erste Ringteil 5 an seiner Außenmantelfläche eine Gleitfläche für einen Verstellring 14 bildet. Der Verstellring 14 ist dabei Teil der variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie 2 und ermöglicht ein simultanes Verstellen der Leitschaufeln 9 durch eine Relativverdrehung zum Schaufellagerring 1 in bekannter Weise. Dabei ragt ein Verstellhebel 15 in eine entsprechende Ausnehmung am Verstellring 14 ein, wobei der Verstellhebel 15 drehfest mit einem Schaufellagerzapfen 16 der Leitschaufel 9 verbunden ist.
Betrachtet nun noch die 3a bis 3C, so kann man erkennen, dass gemäß der 3a die Lagerbuchse 7 eine zylindrische Lagerfläche 10 aufweist, wogegen sie gemäß der 3b eine gestufte Lagerfläche 10 aufweist, mit einer Ringnut 17. Ebenfalls möglich ist eine konkave Lagerfläche 10, wie diese beispielsweise gemäß der 3 dargestellt ist, was den großen Vorteil bietet, dass zwei Lagerstellen 18 und 18’ voneinander separiert sind. Ein derartiges Separieren kann selbstverständlich auch durch die mittige Ringnut 17 erreicht werden. Das Herstellen derartiger Geometrien an der Lagerfläche 10 kann auf besonders einfache und damit kostengünstige aber auch zugleich qualitativ hochwertige Weise mittels elektrochemischen Abtragen erfolgen.
Mit dem erfindungsgemäßen Schaufellagerring 1, der Bestandteil einer variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie 2 ist, können insbesondere Abgasturbolader, das heißt Ladeeinrichtungen 3, allgemein kostengünstig aber trotzdem mit hoher Fertigungsqualität hergestellt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008046009 A1 [0003]
JP 2007-205310 A [0004]

Claims

Schaufellagerring (1) einer variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie (2) für eine Ladeeinrichtung (3), insbesondere für einen Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine, wobei der Schaufellagerring (1) als gebauter Schaufellagerring (1) ausgebildet ist und zumindest zwei miteinander verbundenen Ringteilen (5, 6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, – dass der Schaufellagerring (1) ein erstes als Führungsring (4) ausgebildetes Ringteil (5) und ein zweites Ringteil (6) aufweist, die in montiertem Zustand jeweils fluchtend zueinander ausgerichtete Durchgangsöffnungen (8, 8’) besitzen, – dass Lagerbuchsen (7) vorgesehen sind, in welchen im Betriebszustand Leitschaufeln (9) drehbar gelagert sind und die jeweils zwei fluchtend zueinander angeordnete Durchgangsöffnungen (8, 8’) durchgreifen, – dass der Schaufellagerring (1) zumindest bereichsweise mittels ECM-Verfahren (elektrochemisches Abtragen) nachbearbeitet ist.
Schaufellagerring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine jeweilige Lagerfläche (10) der Lagerbuchsen (7) mittels ECM-Verfahren oder mechanisch nachbearbeitet ist.
Schaufellagerring nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Abstandshalter (11) vorgesehen sind, die die beiden Ringteile (5, 6) auf Abstand zueinander halten.
Schaufellagerring nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandshalter (11) in entsprechende Bohrungen bzw. Öffnungen (12) an den beiden Ringteilen (5, 6) eingreifen.
Schaufellagerring nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der beiden Ringteile (5, 6) als Blechstanzteil oder als Drehteil ausgebildet ist.
Schaufellagerring nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Bauteile (4, 5, 6, 7) des Schaufellagerrings miteinander verklebt, verstemmt, verlötet, vernietet oder verschweißt sind.
Schaufellagerring nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das als Führungsring (4) ausgebildete erste Ringteil (5) an seiner Außenmantelfläche eine Gleitfläche für einen Verstellring (14) bildet.
Schaufellagerring nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Lagerbuchsen (7) eine zylindrische, eine konkave, eine konvexe oder eine gestufte, insbesondere mit einer Ringnut (17) versehene, Lagerfläche (10) aufweist.
Variable Turbinen-/Verdichtergeometrie (2) mit zumindest zwei Leitschaufeln (9), die in einem Schaufellagerring (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 gelagert sind.
Ladeeinrichtung (3), insbesondere ein Abgasturbolader mit einem Gehäuse in dem eine variable Turbinen-/Verdichtergeometrie (2) nach Anspruch 9 angeordnet ist.