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Die Erfindung betrifft eine Abgasturboladerwelle, welche ein mit ihr verbundenes Laufrad aufweist.
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Die Laufräder eines Abgasturboladers müssen mit der Abgasturboladerwelle derart verbunden sein, dass im Betrieb des Abgasturboladers eine Übertragung des Drehmoments vom Laufrad auf die Abgasturboladerwelle bzw. von der Abgasturboladerwelle auf das Laufrad sichergestellt ist.
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Es ist bereits bekannt, zu diesem Zweck das Verdichterrad eines Abgasturboladers mittels Kraftschluss mit der Abgasturboladerwelle zu verbinden. Hierzu weist das Verdichterrad eine Mittelbohrung auf, die mit der Abgasturboladerwelle mittels einer geeigneten Passung kontaktiert ist, wobei des Weiteren eine auf die Abgasturboladerwelle gedrehte Wellenmutter vorgesehen ist, die unerwünschte axiale Verschiebungen des Verdichterrades auf der Abgasturboladerwelle verhindert. Ein derartiger Kraftschluss limitiert jedoch die Obergrenze des von der Abgasturboladerwelle auf das Verdichterrad übertragbaren Drehmoments und damit auch den Durchmesser des Verdichterrades. Dies wiederum limitiert den maximalen Luftdurchsatz durch den Verdichter und bestimmt die für den Verdichter zu verwendende Baukastengröße.
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Aus der
DE 10 2010 010 136 A1 sind eine Welle mit wenigstens einem Laufrad sowie ein Verfahren zur Befestigung eines Laufrades an einer Welle des Turboladers bekannt. Diese Turboladerwelle bildet mit dem Laufrad eine Formschlussverbindung, wobei das Laufrad wenigstens einen Formschlussabschnitt aufweist, der mit einem zugeordneten Formschlussabschnitt der Welle im montierten Zustand eine Formschlussverbindung in Radialrichtung und Umfangsrichtung bildet. Die genannten Formschlussabschnitte des Laufrades und der Welle weisen jeweils eine Rändelung auf, die mehrere Riefen oder Zacken bzw. Zähne hat, die zur Bildung des Formschlusses ineinander eingreifen. Die bekannte Vorrichtung weist des Weiteren eine auf das Wellenende aufgedrehte Wellenmutter auf, welche einen axialen Kraftschluss bildet und dadurch ein unerwünschtes axiales Verschieben des Laufrades auf der Welle verhindert.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Abgasturboladerwelle, welche ein mit ihr formschlüssig verbundenes Laufrad aufweist, bezüglich der formschlüssigen Verbindung zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch eine Abgasturboladerwelle mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Diese Abgasturboladerwelle weist ein mit ihr formschlüssig verbundenes Laufrad auf. Sie ist mit einer an ihrem Außenmantel vorgesehenen Wellenmutter verbunden. Diese ist derart in eine Mittelbohrung des Laufrades eingesetzt, dass das Laufrad mit der am Außenmantel der Abgasturboladerwelle vorgesehenen Wellenmutter in Radialrichtung und Umfangsrichtung eine formschlüssige Verbindung bildet. Die Wellenmutter ist mit der Welle stoffschlüssig verbunden. Beispielsweise wird die Wellenmutter zunächst auf die Welle geschraubt und dann stoffschlüssig mit ihr verbunden. Das stoffschlüssige Verbinden kann beispielsweise durch einen Schweißvorgang oder einen Klebevorgang erfolgen.
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Die Mittelbohrung des Laufrades weist in vorteilhafter Weise einen Aufnahmeabschnitt auf, dessen Innenmantelform mit der Außenmantelform der Wellenmutter übereinstimmt. In diesen Aufnahmeabschnitt ist die Wellenmutter bei auf der Welle befestigtem Laufrad eingesetzt. Vorzugsweise handelt es sich bei der Wellenmutter um eine Sechskantmutter.
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Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, dass der Formschluss zwischen der Abgasturboladerwelle und dem Laufrad durch die Verwendung der Wellenmutter als Formschlusselement und der festen Verbindung der Wellenmutter mit der Abgasturboladerwelle verstärkt ist. Dazu trägt auch die robuste Form des Außenmantels der Wellenmutter bei, die die Verdrehsicherheit zwischen Wellenmutter und Laufrad erhöht und auch die Wahrscheinlichkeit von Beschädigungen im Bereich der Kontaktstellen, die die Wellenmutter mit dem Laufrad hat, reduziert.
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Der genannte Formschluss erlaubt die Übertragung eines hohen Drehmomentes vom Laufrad auf die Welle und umgekehrt. Dies ermöglicht unter anderem eine Verwendung von größeren Laufrädern bei Abgasturboladern unveränderter Größe.
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Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren nachfolgender beispielhafter Erläuterung anhand der Figuren. Es zeigt
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1 eine Vorderansicht eines Laufrades eines Abgasturboladers zur Veranschaulichung der Ausgestaltung der zur Aufnahme der Wellenmutter und der Welle vorgesehenen Mittelbohrung des Laufrades,
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2 eine perspektivische Ansicht eines Laufrades mit in die Mittelbohrung des Laufrades eingesetzter Welle,
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3 eine Längsschnittdarstellung einer Abgasturboladerwelle mit daran befestigtem Laufrad,
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4 eine perspektivische Ansicht einer mit dem Lagergehäuse eines Abgasturboladers verbundenen Verdichtergehäuses, wobei das Verdichterrad an einer Abgasturboladerwelle befestigt ist und der Wellenendbereich von einer Abschlusskappe abgedeckt ist, und
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5 eine Skizze einer mit einer Abschlusskappe verbundenen Wellenmutter.
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Die Erfindung betrifft eine Abgasturboladerwelle, welche ein mit ihr formschlüssig verbundenes Laufrad aufweist und welche mit einer an ihrem Außenmantel vorgesehenen Wellenmutter verbunden ist, wobei die Wellenmutter derart in eine Mittelbohrung des Laufrades eingesetzt ist, dass das Laufrad mit der Wellenmutter in Radialrichtung und Umfangsrichtung eine formschlüssige Verbindung bildet.
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Nachfolgend wird davon ausgegangen, dass es sich bei dem Laufrad um das Verdichterrad eines Abgasturboladers handelt. Die Erfindung kann jedoch auch verwendet werden, wenn es sich bei dem Laufrad um das Turbinenrad eines Abgasturboladers handelt.
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Bei der Erfindung wird am Außenmantel einer Abgasturboladerwelle eine Wellenmutter angebracht. Dies geschieht beispielsweise dadurch, dass die Wellenmutter, bei der es sich um eine Sechskantmutter handelt, an ihrem Innenmantel mit einem Gewinde versehen ist, die Abgasturboladerwelle an ihrem Außenmantel ein Außengewinde aufweist und die Sechskantmutter auf die Abgasturboladerwelle aufgeschraubt bzw. aufgedreht wird. Alternativ dazu ist es auch möglich, die Wellenmutter an ihrem Innenmantel glatt auszubilden, den Außenmantel der Abgasturboladerwelle ebenfalls glatt auszubilden und die Wellenmutter mit der Abgasturboladerwelle stoffschlüssig zu verbinden, beispielsweise die Wellenmutter mit der Abgasturboladerwelle zu verschweißen.
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Eine derartige Abgasturboladerwelle, welche mit einer an ihrem Außenmantel vorgesehenen Wellenmutter verbunden ist, wird in eine speziell geformte Mittelbohrung des Laufrades derart eingesetzt, dass das Laufrad mit der Wellenmutter in Radialrichtung und Umfangsrichtung eine formschlüssige Verbindung bildet.
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Die 1 zeigt die Vorderansicht eines Laufrades 2 eines Abgasturboladers zur Veranschaulichung der Ausgestaltung der zur Aufnahme der Wellenmutter und der Abgasturboladerwelle vorgesehenen Mittelbohrung 4 des Laufrades 2. Diese Mittelbohrung 4 weist einen durchgehenden Mittelbereich 4a, welcher zum Einsetzen der Abgasturboladerwelle vorgesehen ist, und einen Aufnahmeabschnitt 5 auf, welcher zum Einsetzen der mit der Abgasturboladerwelle verbundenen Wellenmutter vorgesehen ist. Dieser Aufnahmeabschnitt 5 weist an seinem hinteren axialen Ende eine axiale Anschlagfläche 6 für die Wellenmutter auf. Diese axiale Anschlagfläche 6 wird von einer umlaufenden Stufe der Mittelbohrung des Laufrades gebildet.
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Die Form des Innenmantels 5a des Aufnahmeabschnittes 5 stimmt mit der Außenmantelform einer Sechskantschraube überein, so dass die auf der Abgasturboladerwelle befestigte Sechskantmutter in Axialrichtung in den Aufnahmeabschnitt 5 eingesetzt werden kann, so dass sie im eingesetzten Zustand an der axialen Anschlagfläche 6 anliegt und mit dem Laufrad in Radialrichtung R und Umfangsrichtung U eine formschlüssige Verbindung bildet.
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Das Einbringen des Aufnahmeabschnittes 5 in das Laufrad 2 kann durch ein bekanntes Umformverfahren, ein bekanntes Zerspanungsverfahren oder ein bekanntes Urformverfahren vorgenommen werden.
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Die 2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Laufrades 2 mit in die Mittelbohrung des Laufrades eingesetzter Abgasturboladerwelle 1. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die Wellenmutter 3 einen ersten axialen Abschnitt 3a und einen zweiten axialen Abschnitt 3b auf. Der erste axiale Abschnitt 3a ist mit der Abgasturboladerwelle 1 fest verbunden, im Aufnahmeabschnitt 5 der Mittelbohrung des Laufrades 2 positioniert, weist die Form einer Sechskantmutter auf und bildet deshalb mit dem Laufrad in Radialrichtung und Umfangsrichtung eine formschlüssige Verbindung. Der zweite Abschnitt 3b der Wellenmutter 3 ragt in axialer Richtung nach vorne aus dem Aufnahmeabschnitt 5 der Mittelbohrung des Laufrades 2 heraus. Dies hat den Vorteil, dass nach dem Einsetzen der Abgasturboladerwelle mit daran befestigter Wellenmutter in die Mittelbohrung des Laufrades ein Auswuchtvorgang erfolgen kann, um den Rundlauf der Abgasturboladerwelle mit daran befestigtem Laufrad zu optimieren. Des Weiteren hat dies den Vorteil, dass auf den nach vorne herausragenden zweiten axialen Abschnitt 3b der Wellenmutter 3 eine Abschlusskappe 7 aufgesetzt werden kann, wie es in den 4 und 5 gezeigt ist.
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Aus der 2 ist des Weiteren ersichtlich, dass die Abgasturboladerwelle 1 durch das Laufrad 2 hindurchgeführt ist und im Bereich hinter dem Laufrad 2 in einem ersten Radiallager 8 und einem zweiten Radiallager 10 geführt ist, wobei zwischen diesen beiden Radiallagern ein Abstandshalter 9 vorgesehen ist.
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Alternativ zu dem in der 2 gezeigtem Beispiel kann die Wellenmutter 3 ausschließlich den Bereich 3a aufweisen, der die Form einer Sechskantmutter hat. In diesem Falle ist die Wellenmutter 3 vollständig in den Aufnahmeabschnitt 5 des Laufrades eingesetzt und weist keinen in axiale Richtung nach vorne aus dem Aufnahmeabschnitt 5 ragenden weiteren Bereich auf. Ein ggf. notwendiges Auswuchten der Abgasturboladerwelle mit darauf befestigtem Laufrad muss in diesem Falle an anderer Stelle vorgenommen werden, beispielsweise zwischen den Laufradschaufeln an der Verdichterradnabe.
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Die 3 zeigt eine Längsschnittdarstellung einer Abgasturboladerwelle 1 mit daran befestigtem Laufrad 2. Wie aus dieser Darstellung ersichtlich ist, ist die Abgasturboladerwelle 1 durch den durchgehenden Mittelbereich 4a der Mittelbohrung des Laufrades 2 hindurchgeführt, am hinteren Ende des Laufrades 2 aus diesem herausgeführt und dort in einer Lagerbuchse 11 gelagert. Des Weiteren ist aus der 3 ersichtlich, dass im Aufnahmeabschnitt 5 der Mittelbohrung des Laufrades 2 der erste axiale Abschnitt 3a einer Wellenmutter 3 gelagert ist, wobei der in der Figur linke Endbereich des ersten axialen Abschnittes 3a an einer axialen Anschlagfläche 6 anliegt, die von einer umlaufenden Stufe der Mittelbohrung des Laufrades 2 gebildet wird und dem Aufnahmeabschnitt 5 in axialer Richtung benachbart ist. Die Form des Innenmantels 5a des Aufnahmeabschnittes 5 stimmt mit der Form des Außenmantels des ersten axialen Abschnittes 3a der Wellenmutter 3, die auf den Außenmantel 1a der Abgasturboladerwelle 1 aufgedreht ist, überein, so dass das Laufrad mit der Wellenmutter in Radialrichtung R und in Umfangsrichtung eine formschlüssige Verbindung bildet.
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Ferner ist aus der 3 ersichtlich, dass die Wellenmutter 3 einen zweiten axialen Abschnitt 3b aufweist, der in Axialrichtung A aus dem Laufrad 2 bzw. aus dessen Aufnahmeabschnitt 5 herausragt. Auf diesen aus dem Laufrad 2 herausragenden zweiten axialen Abschnitt 3b kann – wie es in der 4 gezeigt ist – eine Abschlusskappe 7 aufgesetzt werden. Dies geschieht vorzugsweise derart, dass der Übergang zwischen dem Laufrad und der Abschlusskappe stufenfrei ist.
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Die 4 zeigt eine perspektivische Skizze einer mit dem Lagergehäuse 13 eines Abgasturboladers verbundenen Verdichtergehäuses 12, wobei das Verdichterrad 2 mit einer aus der Figur nicht ersichtlichen Abgasturboladerwelle, auf welcher eine Wellenmutter befestigt ist, in Radialrichtung und Umfangsrichtung eine formschlüssige Verbindung bildet, und wobei der axiale Endbereich der Abgasturboladerwelle von einer Abschlusskappe 7 abgedeckt ist. Diese Abschlusskappe 7 ist auf den in Axialrichtung aus dem Verdichterrad hinausragenden zweiten axialen Abschnitt der Wellenmutter derart aufgesetzt, dass zwischen der Abschlusskappe 7 und dem Verdichterrad 2 ein stufenfreier Übergang vorliegt. Dies verbessert das Rundlaufverhalten der aus dem Verdichterrad und der Abgasturboladerwelle bestehenden, rotierenden Einheit.
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Des Weiteren ist aus der 4 ersichtlich, dass das Verdichterrad 2 im Verdichtergehäuse 12 gelagert ist und dass das Lagergehäuse 13 Bohrungen 14 aufweist. Durch diese Bohrungen 14 werden beim Zusammenbau des Abgasturboladers Zuganker geführt, um das Turbinengehäuse des Abgasturboladers mit dem Lagergehäuse 13 zu verbinden. Die Kühlmittelversorgung des Lagergehäuses 13 erfolgt unter Verwendung von Kühlmittelleitungen 15.
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Die 5 zeigt eine Skizze einer mit einer Abschlusskappe 7 verbundenen Wellenmutter. Bei diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine Wellenmutter, die einen ersten axialen Endbereich 3a und einen zweiten axialen Endbereich 3b aufweist. Letzterer ist innerhalb der Abschlusskappe 7 angeordnet und beispielsweise mit dieser vergossen. Die Einheit, bestehend aus Wellenmutter und Abschlusskappe 7, wird beispielsweise auf die Abgasturboladerwelle aufgedreht und dann durch ein Einschieben in die Mittelbohrung des Verdichterrades mit diesem verbunden, wobei der erste axiale Bereich 3a der Wellenmutter in den Aufnahmeabschnitt 5 der Mittelbohrung des Verdichterrades eingesetzt wird und nach dem Einsetzen mit dem Verdichterrad in Radialrichtung und Umfangsrichtung formschlüssig verbunden ist.
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Die Abschlusskappe 7 und die Wellenmutter können aus verschiedenen Materialen bestehen oder aus ein und demselben Material. Sie können als einteiliges Bauteil hergestellt werden oder auch aus zwei verschiedenen Bauteilen zusammengesetzt werden.
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Beispielsweise besteht die Wellenmutter aus einem Metall und die Abschlusskappe aus Kunststoff, wobei die Wellenmutter im verbauten Zustand einen außerhalb der Mittelbohrung des Laufrades angeordneten Abschnitt aufweist, der mit der Abschlusskappe vergossen ist.
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Durch die oben beschriebene Anordnung der Wellenmutter im Innenbereich des Laufrades und den Formschluss der auf der Abgasturboladerwelle befestigten Wellenmutter mit dem Laufrad in Radial- und Umfangsrichtung ist die Drehfestigkeit der rotierenden Teile eines Abgasturboladers verbessert. Des Weiteren bieten sich neue Gestaltungsmöglichkeiten an. Die rotierenden Teile können beispielsweise strömungsoptimiert und ohne Absatz zum Laufrad ausgeführt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010010136 A1 [0004]
