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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden einer Welle mit einem Rad sowie eine Ladeeinrichtung, die eine Welle und zumindest ein Rad aufweist, die gemäß diesem Verfahren miteinander verbunden sind.
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Welle-Rad-Verbindungen finden in zahlreichen Bereichen Anwendung. Insbesondere bei Anwendungen, bei denen sich eine Welle und ein damit verbundenes Rad mit erhöhten Geschwindigkeiten drehen und/oder aggressiven thermodynamischen Bedingungen, wie beispielsweise hohen Temperaturen und/oder aggressiven Gasen, ausgesetzt sind, ist eine entsprechend zuverlässige und feste Verbindung zwischen der Welle und dem Rad erwünscht.
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Eine derartige Verbindung zwischen der Welle und dem Rad ist beispielsweise aus der
US 7,156,282 B1 bekannt. Hierbei werden die Welle und das Rad unter Zuhilfenahme eines Zwischenstückes mittels Elektronenstrahlschweißen miteinander verbunden. Besagtes Zwischenstück ist dabei titaniumhaltig oder eisenhaltig oder besteht aus einer Silber-Titanium-Legierung.
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Nachteilig hierbei ist, dass das Elektronenstrahlschweißen sowie die Hinzunahme des teuren Zwischenstückes einerseits eine vergleichsweise komplizierte Realisierung der Verbindung zwischen der Welle und dem Rad zufolge haben und andererseits die Produktionskosten erhöhen.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein Verfahren zum Verbinden einer Welle mit einem Rad sowie für eine Ladeeinrichtung mit einer Welle und einem Rad eine verbesserte oder alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine erhöhte Wirtschaftlichkeit und/oder einen verringerten Aufwand 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, einen axialen Vorsprung eines Rades in eine zugehörige Aufnahme einer Welle anzuordnen und die Welle und das Rad anschließend durch Wärmeeinwirkung und gleichzeitigem Zusammendrücken der Welle gegen den Vorsprung miteinander zu fügen. Somit kann einerseits auf die Verwendung von teuren Zwischenstücken und/oder Zusatzmaterialien verzichtet werden. Andererseits ist es hierdurch möglich, die Welle und das Rad, insbesondere im Vergleich zum Elektronenstrahlschweißen und dergleichen, vereinfacht miteinander zu verbinden. Dementsprechend führt das erfindungsgemäße Verfahren zu einer Reduzierung des für die Verbindung betriebenen Aufwandes und/oder zu einer Reduzierung der Produktionskosten.
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Dem Erfindungsgedanken entsprechend weist das Rad auf seiner dem Rad zugewandten Seite, insbesondere Stirnseite, den Vorsprung auf, der in die zugehörige Aufnahme der Welle hineingeschoben wird, wobei die Aufnahme auf der dem Rad zugewandten Seite, insbesondere Stirnseite, der Welle angeordnet ist.
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Zweckmäßig steht der Vorsprung axial vom Rad ab. Dementsprechend verläuft die Aufnahme innerhalb der Welle entlang der axialen Richtung. Die Aufnahme der Welle kann insbesondere als eine Ausnehmung innerhalb der Welle ausgestaltet sein. Hierbei ist die axiale Richtung bezüglich der Längsachse der Welle gegeben. Die Aufnahme der Welle ist von einem Fügebereich der Welle umgeben. Ist der Vorsprung in die Aufnahme hineingeschoben, so drückt eine Fügeeinrichtung den Fügebereich der Welle gegen den Vorsprung, während sich die Welle und das Rad drehen. Somit entsteht Reibwärme, die zu einem Fügen des Vorsprunges mit der Welle, insbesondere im Fügebereich der Welle, führt.
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Hierbei können die Welle und/oder das Rad bereits beim Hineinschieben des Vorsprunges in die Aufnahme gedreht werden. Auch ist es möglich, die Welle und/oder das Rad erst nach dem Hineinschieben des Vorsprunges in die Aufnahme zu drehen. Wichtig ist, dass sich die Welle und das Rad gemeinsam drehen, wenn die Fügeeinrichtung den Fügebereich der Welle gegen den Vorsprung drückt.
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Das Drücken des Fügebereiches der Welle gegen den Vorsprung erfolgt bevorzugt in radialer Richtung. Ferner entsteht die Reibwärme durch eine Reibung zwischen der Fügeeinrichtung und dem Fügebereich der Welle. Das heißt, dass die Reibwärme durch eine Reibung zwischen dem Fügebereich der Welle und der Fügeeinrichtung, insbesondere durch auf den Fügebereich einwirkende bzw. den Fügebereich kontaktierende Bestandteile der Fügeeinrichtung, entsteht. Dies ist bevorzugt dadurch realisiert, dass die Fügeeinrichtung bzw. besagte Bestandteile der Fügeeinrichtung sich relativ zur Welle nicht drehen. Es sind jedoch auch Ausführungsformen vorstellbar, bei denen sich die Fügeeinrichtung, insbesondere besagte Bestandteile der Fügeeinrichtung, mit einer niedrigeren Rotationsgeschwindigkeit drehen als die Welle.
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Im Allgemeinen können die Welle und das Rad mit unterschiedlichen Rotationsgeschwindigkeiten gedreht werden. Bevorzugt sind jedoch diejenigen Ausführungsformen, bei denen die Welle und das Rad mit der gleichen Rotationsgeschwindigkeit gedreht werden.
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Die Rotation der Welle und/oder des Rades kann auf beliebige Art realisiert sein. So kann die Welle an/in ihrem von der Aufnahme entfernten Ende mit Hilfe einer entsprechenden Dreheinrichtung, die beispielsweise in das besagte Ende eingreift, gedreht werden. Analog kann das Rad an seinem vom Vorsprung entfernten axialen Ende mittels einer Dreheinrichtung gedreht werden, die beispielsweise in das Rad eingreift.
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Zweckmäßig weist der Fügebereich der Welle eine Außenkontur auf, die komplementär zur Innenkontur der auf den Fügebereich einwirkenden bzw. den Fügebereich kontaktierenden Bestandteile der Fügeeinrichtung, komplementär geformt ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Fügeeinrichtung zwei oder mehrere in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilte Pressabschnitte auf. Diese Pressabschnitte werden zum Verbinden des Fügebereichs mit dem Vorsprung gleichmäßig gegen den Fügebereich der Welle gedrückt. Durch das gleichmäßige Einwirken des jeweiligen Pressabschnittes auf den Fügebereich ist insbesondere gewährleistet, dass während der Rotation der Welle und des Rades keine Unwuchten der Welle und/oder des Vorsprunges verursacht werden bzw. derartige Unwuchten zumindest werden. Hierdurch ist also insbesondere sichergestellt, dass sich die Welle und/oder der Vorsprung nicht verziehen bzw. ein derartiges Verziehen reduziert.
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Prinzipiell können die Welle und das Rad aus beliebigen Materialien hergestellt sein, sofern sie sich durch das erfindungsgemäße Verfahren verbinden lassen. So kann die Welle aus Stahl oder einer Stahllegierung, insbesondere 42CrMo4, hergestellt sein.
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Ferner kann das Rad aus einer Titanlegierung, insbesondere aus TiAl, hergestellt sein. Entsprechendes gilt für den Vorsprung des Rades.
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Bevorzugt ist der Vorsprung des Rades integral am Rad ausgebildet. Insbesondere können das Rad und der Vorsprung einstückig ausgebildet sein.
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Zu Erhöhung des Schutzes und/oder zur Verbesserung der Verbindung des Rades mit der Welle erfolgt die Verbindung der Welle mit dem Rad, insbesondere des Fügebereiches mit dem Vorsprung, unter Unterdruck. Dabei ist der Unterdruck bezüglich des Atmosphärendruckes bzw. des Umgebungsdruckes gegeben. Insbesondere kann das Verfahren auch unter Vakuum bzw. vakuumähnlichen Bedingungen erfolgen. Auch kann es zweckmäßig sein, das Verfahren unter einem Schutzgas auszuführen. Hierbei kann das Schutzgas auch bei Unterdruck bzw. unter Vakuum verwendet werden.
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Zur Verbesserung der Verbindung des Rades mit der Welle und/oder zur Beschleunigung des Verfahrens kann der Welle und/oder dem Rad zusätzlich zur Reibwärme eine andere Wärme zugeführt werden. So kann beispielsweise die Umgebung des Rades und/oder der Welle erwärmt werden. Auch ist es vorstellbar, die Welle und/oder das Rad vor dem Fügen des Fügebereichs mit dem Vorsprung oder während dem Fügen des Fügebereichs mit dem Vorsprung zu erwärmen bzw. zu heizen. Durch die Einwirkung der Wärme im Fügebereich kann insbesondere eine Diffusion zwischen der Welle und dem Vorsprung stattfinden und die Verbindung derart realisiert werden. In dem Sinne kann es sich bei der Verbindung um eine Schweißverbindung handeln.
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Zur Beschleunigung der Verbindung und/oder zur Verbesserung der Verbindung können zusätzliche Materialien verwendet werden. Es kann beispielsweise eine Zwischenschicht zwischen der Aufnahme und dem Vorsprung angebracht werden, die derart dimensioniert ist und/oder aus einem derartigen Material besteht, dass sie die Verbindung zwischen dem Vorsprung und der Welle verstärkt und/oder besagte Diffusion katalysiert bzw. beschleunigt oder anderweitig günstig beeinflusst. Bei der Zwischenschicht kann es sich zum Beispiel um eine Folie handeln, die zwischen dem Vorsprung und der Welle, insbesondere im Bereich der Aufnahme, insbesondere radial, angeordnet ist. Auch kann die Zwischenschicht eine auf dem Vorsprung und/oder in die Aufnahme aufgebracht Schicht und insbesondere eine Beschichtung sein.
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Durch das Drücken des Fügebereiches gegen den Vorsprung kann eine Abnahme des Außendurchmessers der Welle im Fügebereich verursacht werden. Dies kann insbesondere dazu führen, dass die Welle im Fügebereich einen kleineren Außendurchmesser aufweist als in einem benachbarten Bereich. Ist ein derartiger Unterschied des Außendurchmessers der Welle unerwünscht, so kann die Welle im Fügebereich, insbesondere im Vergleich zum benachbarten Bereich, einen Aufmaß aufweisen. Das Aufmaß kann dabei an den entsprechenden Verfahrensparametern, beispielsweise an die auf den Fügebereich einwirkende Kraft und/oder an die Dauer des Fügevorganges, angepasst werden. Eine derartige Anpassung kann dabei derart gewählt sein, dass der Fügebereich nach dem Fügen mit dem Vorsprung im Wesentlichen den gleichen Außendurchmesser aufweist wie der benachbarte Bereich. Dementsprechend kann das Aufmaß einen beliebigen Wert aufweisen. Das Aufmaß kann insbesondere einen Wert zwischen 0,1 mm und 0,5 mm aufweisen.
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Eine weitere Möglichkeit zum Ausgleichen des Außendurchmessers der Welle, insbesondere im Fügebereich, ist das Bearbeiten der Welle im Anschluss an den Fügevorgang. Eine derartige Bearbeitung kann beispielsweise im Zuge eines spanenden Verfahrens erfolgen. Hierbei wird die Welle bevorzugt durch ein Drehverfahren bearbeitet.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die miteinander erfindungsgemäß verbundenen Welle und Rad in beliebigen Anwendungen einsetzbar sind. Eine derartige Anwendung ist beispielsweise in einer Ladeeinrichtung, insbesondere in einem Abgasturbolader, gegeben. Folglich kann es sich bei dem Rad um ein Turbinenrad oder ein Verdichterrad handeln. Auch kann die Welle an beiden axialen Enden mit einem derartigen Rad verbunden sein. Im Falle der Ladeeinrichtung, insbesondere des Abgasturboladers, können also sowohl das Turbinenrad als auch das Verdichterrad gemäß dem hier beschriebenen Verfahren mit der Welle verbunden sein.
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Es sei ferner erwähnt, dass eine derartige Ladeeinrichtung, insbesondere ein derartiger Abgasturbolader, ebenfalls zum Umfang dieser Erfindung gehört.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
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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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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Die einzige Figur zeigt einen Schnitt durch eine Anordnung zum Verbinden einer Welle mit einem Rad.
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Die 1 zeigt eine Welle 1 sowie ein Rad 2, die mit Hilfe einer Fügeeinrichtung 3 miteinander verbunden werden. Hierzu weist die Welle 1 auf der dem Rad 2 zugewandten Seite eine Aufnahme 4 auf, die sich mittig in der Welle 1 axial, das heißt entlang der Rotationsachse 5 der Welle 1 erstreckt. Zudem umfasst das Rad 2 auf seiner der Welle 1 zugewandten Seite einen integral ausgebildeten und axial vom Rad 2 abstehenden Vorsprung 6 auf. Dabei wird der Vorsprung 6 zunächst in die Aufnahme 4 hineingeschoben, wobei die Figur einen Zustand zeigt, bei dem der Vorsprung 6 bereits in die Aufnahme 4 hineingeschoben wurde. Wie in der 1 zu sehen ist, sind die Aufnahme 4 und der Vorsprung 6 derart ausgebildet und derart dimensioniert, dass der Vorsprung 6 formschlüssig in die Aufnahme 4 hineingeschoben werden kann. Aus der 1 wird auch ersichtlich, dass die Welle 1 und der Vorsprung 6 bezüglich der Rotationsachse 5 rotationssymmetrisch ausgebildet bzw. geformt sind.
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Die Aufnahme 4 der Welle 3 ist von einem Fügebereich 7 der Welle umgeben, der einen Aufmaß 8 aufweist, so dass die Welle 1 im Fügebereich 7 einen größeren Außendurchmesser aufweist als im übrigen Bereich.
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Zum Verbinden der Welle 3 mit dem Rad 2 werden die Welle 1 und das Rad 2, wie mit den Pfeilen 9 angedeutet, gedreht, wobei das Rad 2 und die Welle 1 mit einer gleichen Rotationsgeschwindigkeit gedreht werden. Die Drehung des Rades 2 und der Welle 1 erfolgt hierbei mittels einer Dreheinrichtung 10, welche zwei Drehelemente 11 umfasst, die jeweils in die Welle 1 und in das Rad 2 eingreifen und die Welle 1 und das Rad 2 durch eine entsprechende Krafteinwirkung mit der gleichen Rotationsgeschwindigkeit drehen.
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Die Fügeeinrichtung 3 weist zwei oder mehr Pressabschnitte 12 auf, die den Fügebereich 7 der Welle 1 umgeben. Während der Drehung der Welle 1 und des Rades 2 werden die Pressabschnitte 12 radial nach innen in Richtung der Welle 1 bzw. des Fügebereiches 7 bewegt, wobei sich die Pressabschnitte 12 nicht drehen. Somit kommt es zu einem Kontakt zwischen den Pressabschnitten 12 und dem Fügebereich 7 der Welle 1, wodurch eine Reibung entsteht. Diese Reibung verursacht Reibwärme, die insbesondere im Fügebereich 7 der Welle 1 entsteht. Diese Reibewärme führt zu einem Fügen des Vorsprunges 6 mit der Welle 1 bzw. mit dem Fügebereich 7 der Welle 1, da in der Aufnahme 4 der Welle 1 eine Diffusion zwischen dem Vorsprung 6 und der Welle 1 stattfindet. Durch das Einwirken der Pressabschnitte 12 auf dem Fügebereich 7 wird ferner der Aufmaß 8 des Fügebereichs 7 abgebaut, so dass nach dem Verbinden der Welle 1 mit dem Rad 2 bzw. dem Fügen des Vorsprungs 6 mit der Welle 1 der Außendurchmesser im Fügebereich 7 dem Außendurchmesser im übrigen Bereich der Welle 1 entspricht. Gegebenenfalls kann die Welle 1 im Anschluss durch ein Drehen nachbearbeitet werden.
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Vor und/oder während dem Fügevorgang werden die Welle 1, insbesondere im Fügebereich 7, und das Rad 2, insbesondere im Bereich des Vorsprunges 6, erwärmt, um die Diffusion zwischen dem Vorsprung 6 und der Welle 1, insbesondere im Fügebereich 7, zu begünstigen und somit die Verbindung zwischen dem Vorsprung 6 und der Welle 1 zu beschleunigen.
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Ferner wird das Verfahren zum Verbinden der Welle 1 mit dem Rad 2 unter Vakuum durchgeführt. Alternativ oder zusätzlich kann das Verfahren unter einem Schutzgas, beispielsweise Argon oder Stickstoff, verlaufen.
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Die Welle 1 und das Rad 2 können in einer beliebigen Anwendung verwendet werden. Insbesondere kann es sich bei dem Rad 2 um ein Turbinenrad 13 oder ein Verdichterrad 14 einer Ladeeinrichtung 15, insbesondere eines Abgasturboladers 15, handeln.
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Eine Außenkontur 16 des Fügebereiches 7 sowie eine Innenkontur 18 der Pressabschnitte 12 weisen eine komplementäre Struktur auf und sind bevorzugt rund geformt. Ferner ist radial zwischen dem Vorsprung 4 und der Welle 1 im Fügebereich 7 eine Zwischenschicht 19 angebracht, wobei es sich bei der Zwischenschicht 19 im gezeigten Beispiel um eine Folie 20 handelt. Des Weiteren ist zu sehen, dass die Zwischenschicht 19, der Fügebereich 16 sowie die Pressabschnitte 12 eine gleiche axiale Ausdehnung aufweisen.
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Die Welle 1 ist bevorzugt aus Stahl, beispielsweise aus 42 CrMo4 hergestellt, während das Rad 2 zusammen mit dem Vorsprung 6 aus einer Titanlegierung, bevorzugt aus TiAl hergestellt ist. Die Zwischenschicht 19 bzw. die Folie 20 ist aus einem Material gebildet, welches eine gute Haftung auf beiden Substraten gewährleistet, beispielsweise eine Nickel- oder eine Vanadiumlegierung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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