DE102013201761A1

DE102013201761A1 - Gehäusebauteil

Info

Publication number: DE102013201761A1
Application number: DE201310201761
Authority: DE
Inventors: Fabian Haslinger; Urs Hanig; Max Fiedler
Original assignee: Bosch Mahle Turbo Systems GmbH and Co KG
Current assignee: BMTS Technology GmbH and Co KG
Priority date: 2013-02-04
Filing date: 2013-02-04
Publication date: 2014-08-07
Also published as: DE102013201761A8

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gehäusebauteil (1), insbesondere für ein Verdichtergehäuse eines Abgasturboladers, mit einem darin drehbar gelagerten und Laufschaufeln (4) tragendenden Laufrad (3), insbesondere einem Verdichterrad. Das Gehäusebauteil (1) weist zumindest in einem den Laufschaufeln (4) gegenüberliegenden Bereich (5) eine Oberflächenstruktur (6) mit Vertiefungen (8) und/oder Erhebungen (10) auf, wodurch beim Einlaufen des Laufrads (4) weniger Material vom Gehäusebauteil (1) abgetragen wird. Mittels der Oberflächenstruktur (6) kann zudem der Wirkungsgrad eines das Gehäusebauteil (1) verwendenden Abgasturboladers verbessert werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gehäusebauteil, insbesondere für ein Verdichtergehäuse eines Abgasturboladers, sowie einen Abgasturbolader, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem ein solches Gehäusebauteil aufweisenden Verdichtergehäuse.
Zur Erhöhung des Ladedrucks in einer Brennkraftmaschine wird üblicherweise ein Abgasturbolader mit einem Verdichter verwendet, mittels welchem mehr Luft und damit auch mehr Sauerstoff pro Arbeitstakt in eine Brennkammer der Brennkraftmaschine eingebracht werden kann. Aufgrund der erhöhten eingebrachten Sauerstoffmenge kann auch mehr Kraftstoff in die Brennkammer eingespritzt und damit die Leistung der Brennkraftmaschine erheblich gesteigert werden. Der Verdichter des Abgasturboladers kann ein Gehäusebauteil umfassen, in welchem ein Laufrad drehbar gelagert ist und welches Laufschaufeln zum Fördern von Frischluft trägt. Um eine möglichst reibungsfreie Drehbewegung des Laufrads im Betrieb sicherzustellen, muss zwischen dem Laufrad und dem Gehäusebauteil ein Zwischenraum in der Art eines Spalts vorhanden sein. Allerdings führt eine zu große Spaltbreite zu einer unerwünschten Leistungsschwächung des Abgasturboladers.
Um eine hinsichtlich Betriebssicherheit und Wirkungsgrad optimale Funktionalität des Abgasturboladers zu erhalten, ist also einerseits der vorangehend erläuterte Spalt zwischen dem Verdichterrad und dem Gehäusebauteil grundsätzlich erforderlich, andererseits sollte dieser aber eine möglichst geringe Spaltbreite aufweisen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ausführungsform für ein Gehäusebauteil, insbesondere für ein Verdichtergehäuse eines Abgasturboladers, anzugeben, mittels welcher der Wirkungsgrad des Abgasturboladers bei gleichzeitig hoher Betriebssicherheit gesteigert werden kann.
Die oben genannte Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, an einem Gehäusebauteil eines Verdichters zumindest in einem den Laufschaufeln eines Laufrads gegenüberliegenden Bereich eine Oberflächenstruktur mit Vertiefungen und/oder Erhebungen vorzusehen. Die Oberflächenstruktur ist also derart ausgebildet, dass beim Einlaufen des Laufrads gegenüber herkömmlichen Gehäusebauteilen eine relativ geringe Materialmenge, nämlich nur das Material der Erhebungen selbst bzw. nur das Material zwischen den Vertiefungen, vom Gehäusebauteil abgetragen wird. Sowohl das Laufrad des Gehäusebauteils als auch der den Laufschaufeln des Laufrads gegenüberliegende Bereich des Gehäusebauteils können also hinsichtlich ihrer geometrischen Abmessungen mit relativ großen Toleranzen dimensioniert werden, da die Laufschaufeln beim Zusammenbau des Gehäusebauteils, d.h. beim Einbau des Laufrads in das Gehäusebauteil an der Oberflächenstruktur des Gehäusebauteils anliegen können. Bei der erstmaligen Inbetriebnahme des Laufrads liegen die Laufschaufeln nur mittels der Erhebungen bzw. mittels dem Bereich zwischen den Vertiefungen der Oberflächenstruktur am Gehäusebauteil an, so dass zwischen dem besagten Bereich des Gehäusebauteils und den Laufschaufeln ein sogenannter Nullspalt ausgebildet werden kann. Durch die Rotation des Laufrads wird ein idealerweise minimaler Spalt in die Oberfläche des Gehäusebauteils eingeschliffen, so dass Laufschaufeln und Gehäusebauteil idealerweise gerade nicht mehr aneinander anliegen, was eine nahezu reibungsfreie Rotation der Laufschaufeln ermöglicht. Gleichzeitig wird beim Einschleifen bzw. Einlaufen des Laufrads im Vergleich zu herkömmlichen Gehäusebauteilen nur relativ wenig Material vom Gehäusebauteil abgetragen. Aufgrund der erfindungsgemäßen Oberflächenstruktur mit Vertiefungen und/oder Erhebungen ist nur eine relativ geringe Antriebsleistung zum erstmaligen In-Rotation-Versetzen des Laufrads erforderlich, da die zwischen der Oberflächenstruktur des Gehäusebauteils und den Laufschaufeln auftretenden Reibungseffekte gegenüber herkömmlichen Gehäusebauteilen ohne Oberflächenstruktur reduziert sind. Mittels der erfindungsgemäßen Oberflächenstruktur auf dem Gehäusebauteil kann somit die Gefahr von Beschädigungen aufgrund einer hohen mechanischen Belastung des Gehäusebauteils beim Einlaufen des Laufrads reduziert werden. Insbesondere können unerwünschte Unwucht-Änderungen, sowie ganz allgemein eine Schädigung der Laufschaufeln, und dabei insbesondere deren Kanten, vermieden werden. Auch die Gefahr einer unerwünschten Reduzierung einer gegebenenfalls vorhandenen Oberflächenbeschichtung der Laufschaufeln ist im Vergleich zu herkömmlichen Gehäusebauteilen reduziert. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Gehäusebauteils besteht darin, dass das Auftreten von Lagerschäden im Laufrad-Lager verringert werden kann.
Grundsätzlich kann durch Verwendung des erfindungsgemäßen Gehäusebauteils in einem Abgasturbolader, insbesondere als Verdichtergehäuse, die Lebensdauer des gesamten Abgasturboladers gegenüber herkömmlichen Abgasturboladern deutlich erhöht werden.
Bevorzugt kann die Oberflächenstruktur ausschließlich im gekrümmten und sich radial erstreckenden Abschnitt des Bereichs vorgesehen sein. Auf diese Weise können die Herstellungskosten des Gehäusebauteils reduziert werden.
In einer besonders einfach herzustellenden und somit kostengünstigen Ausführungsform kann die Oberflächenstruktur als Rillenstruktur, als Plattenstruktur oder als Schuppenstruktur ausgebildet sein und im Wesentlichen in einem ringförmigen Bereich des Gehäusebauteils ausgebildet sein, welcher eine axiale Einlassöffnung des Gehäusebauteils einfasst.
Vorzugsweise kann die Oberflächenstruktur zumindest eine rillenförmige Vertiefung aufweisen, die sich im Bereich der Einlassöffnung im Wesentlichen entlang der axialen Richtung oder entlang einer Umfangsrichtung des Gehäusebauteils erstreckt. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass nur der Bereich des Gehäusebauteils, welcher tatsächlich von den Laufschaufeln des Laufrads eingeschliffen wird, mit der erfindungsgemäßen Oberflächenstruktur versehen ist.
Um die Abtragung von Material vom Gehäusebauteil beim Einschleifen auf ein Minimum zu reduzieren, kann die Oberflächenstruktur in einer vorteilhaften Weiterbildung eine Mehrzahl von rillenförmigen Vertiefungen aufweisen, welche sich zur Ausbildung eines Rillennetzes jeweils wenigstens abschnittsweise in unterschiedliche Richtungen erstrecken.
Zur Minimierung der Leckageströmung von Luft entlang des Spalts zwischen dem Gehäusebauteil und den Laufschaufeln des Laufrades kann sich die wenigstens eine rillenförmige Vertiefung im Bereich der Einlassöffnung schraubenförmig entlang der axialen Richtung und der Umfangsrichtung des Gehäusebauteils erstrecken. Eine Steigungsrichtung dieser schraubenartig ausgebildeten rillenförmigen Vertiefung kann dabei in oder entgegen einer Drehrichtung des Laufrades verlaufen.
In einer besonders einfach und somit kostengünstig herzustellenden Ausführungsform kann die wenigstens eine rillenförmige Vertiefung im Querschnitt dreiecksförmig, rechteckförmig, trapezförmig, ballig oder halbkreisförmig ausgebildet sein.
In einer besonders kostengünstig herstellbaren Ausführungsform kann die Oberflächenstruktur mittels Zerspanen, Prägen, Rändeln oder chemischen Ätzen in das Gehäusebauteil eingebracht sein. Auf diese Weise können die Herstellungskosten des Gehäusebauteils weiter reduziert werden.
Um das Einschleifen des Gehäusebauteils beim erstmaligen Betrieb des Laufrads zu erleichtern, kann das Gehäusebauteil wenigstens im Bereich der Oberflächenstruktur eine Beschichtung, insbesondere aus einem Kunststoff oder einem Lack, aufweisen, in welche die Oberflächenstruktur eingebracht wird.
Um eine Beschädigung der Laufschaufeln, insbesondere deren Laufkanten, zu vermeiden, wenn das Gehäusebauteil eingeschliffen wird, kann dieses zumindest im Bereich der Oberflächenstruktur aus einem Kunststoff hergestellt sein.
Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Abgasturbolader, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem ein Gehäusebauteil mit einem oder mehreren der vorhergehend genannten Merkmale aufweisenden Verdichtergehäuse.
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 Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch,
1 eine grobschematische isometrische Ansicht eines erfindungsgemäßen Gehäusebauteils,
2 einen Längsschnitt des Gehäusebauteils der 1,
3–5 verschiedene Realisierungsformen der erfindungsgemäßen Oberflächenstruktur,
6 verschiedene Varianten für die Ausbildung der Oberflächenstruktur als Vertiefung in einem Querschnitt.
In der 1 ist ein erfindungsgemäßes Gehäusebauteil in einer perspektivischen Ansicht dargestellt und mit 1 bezeichnet. Das Gehäusebauteil 1 kann Teil eines Verdichtergehäuses eines Abgasturboladers sein. Im Gehäusebauteil 1 ist ein Laufschaufeln 4 aufweisendes Laufrad 3 drehbar gelagert, um Luft aus einer axialen Einlassöffnung 7 anzusaugen und über die radiale Auslassöffnung 2 auszustoßen.
In der 2 ist ein Teil des Gehäusebauteils 1 sowie das drehbar darin gelagerte Laufrad 3 in einem Längsschnitt gezeigt. Das Laufrad 3 kann eine in der 2 der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigte Läuferwelle umfassen, so dass auch das Laufrad 3 um eine axiale Achse A drehverstellbar ist. Das Gehäusebauteil 1 kann zumindest in einem den Laufschaufeln 4 gegenüberliegenden Bereich 5 eine Oberflächenstruktur 6 (vgl. 1) mit Vertiefungen 8 und/oder Erhebungen 10 aufweisen. Auf diese Weise kann beim Einlaufen des Laufrads 3 nach dem Zusammenbau des Gehäusebauteils 1 erreicht werden, dass weniger Material vom Bereich 5 des Gehäusebauteils 1 abgetragen wird, als in herkömmliche Gehäusebauteilen 1 ohne Oberflächenstruktur 6. Dies ermöglicht die Auslegung des Gehäusebauteils 1 mit entsprechend großen Toleranzen, zumindest was den Bereich 5 des Gehäusebauteils 1 anbelangt. Der Bereich 5 einschließlich des Laufrads 3 kann also derart dimensioniert werden, dass das Gehäusebauteil 1 bei der Montage des Verdichters im Bereich 5 an den Laufschaufeln 4 anliegt, so dass in den Laufschaufeln 4 und dem Bereich 5 des Gehäusebauteils 1 ein sogenannter Nullspalt ausgebildet wird.
In einer Variante kann Oberflächenstruktur 6 ausschließlich in einem gekrümmten und sich radial erstreckenden Abschnitt des Bereichs 5 vorgesehen sein. In einem Abschnitt, in welchem sich der Bereich 5 hingegen entlang der axialen Richtung A erstreckt, ist gemäß dieser Variante hingegen keine Oberflächenstruktur 6 vorhanden.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Oberflächenstruktur 6 mit Vertiefungen 8 und/oder Erhebungen 10 wird also ein Einschleifvorgang des Bereichs 5 des Gehäusebauteils 1 erleichtert. Insbesondere ist ein zum erstmaligen In-Rotation-Versetzen des Laufrads 3 erforderliches Drehmoment gegenüber Gehäusebauteilen ohne erfindungsgemäße Oberflächenstruktur 6 reduziert, da aufgrund der Vertiefungen 8 und/oder Erhebungen 10 die Kontaktfläche des Bereichs 5 des Gehäusebauteils 1 mit den Laufschaufeln 4 reduziert ist. Folglich sind Reibungseffekte zwischen den Laufschaufeln 4 und dem Bereich 5 des Gehäusebauteils 1 deutlich reduziert.
Mittels der erfindungsgemäßen Oberflächenstruktur 6 mit Vertiefungen 8 und/oder Erhebungen 10 können unerwünschte Unwuchtänderungen im Laufrad 3, insbesondere beim Einlaufen des Laufrads 3, reduziert werden. Auch kann die Gefahr einer Beschädigung der Laufschaufeln 4, insbesondere deren Schaufelkanten, verringert werden. Schließlich lässt sich auch die Gefahr der Beschädigung des Läuferwellen-Lagers reduzieren.
Die Oberflächenstruktur 6 (vgl. 1) des Gehäusebauteils 1 kann als Rillenstruktur, als Plattenstruktur oder als Schuppenstruktur ausgebildet sein. Sie kann dabei im Wesentlichen in einem ringförmigen Bereich des Gehäusebauteils 1 ausgebildet sein, welcher eine axiale Einlassöffnung 7 des Gehäusebauteils 1 einfasst.
Die Oberflächenstruktur 6 kann dabei wie in der 3 gezeigt zumindest eine rillenförmige Vertiefung 8 aufweisen, die sich im Bereich 5 gegenüber den Laufschaufeln 4 entlang der axialen Richtung A des Gehäusebauteils 1 erstreckt. In der 3 ist ein Ausschnitt des Bereichs 5 gezeigt, wobei in diesem Ausschnitt exemplarisch vier sich entlang der axialen Richtung A erstreckende rillenförmige Vertiefungen 8 dargestellt sind. Selbstverständlich ist in Varianten auch eine andere Anzahl an rillenförmigen Vertiefungen 8 vorstellbar.
In der 4 ist eine Variante der 3 gezeigt, gemäß welcher die Oberflächenstruktur 6 sich im Bereich 5 gegenüber den Laufschaufeln 4 entlang einer Umfangsrichtung U des Gehäusebauteils 1 erstreckt. In der 4 sind exemplarisch drei solche in Umfangsrichtung U verlaufende rillenförmige Vertiefungen 8 gezeigt. In einer bevorzugten Variante kann sich die wenigstens eine rillenförmige Vertiefung 8 im Bereich der axialen Einlassöffnung 7 schraubenförmig entlang der axialen Richtung A und der Umfangsrichtung U des Gehäusebauteils 1 erstrecken.
In der 5 ist eine weitere Variante der Oberflächenstruktur 6 gezeigt, gemäß welcher die Oberflächenstruktur 6 eine Mehrzahl von rillenförmigen Vertiefungen 8 aufweist, welche sich zur Ausbildung eines Rillennetzes 9 jeweils wenigstens abschnittsweise in unterschiedliche Richtungen erstrecken.
Die rillenförmigen Vertiefungen 8 aller Ausführungsbeispiele können wie in der 6 grobschematisch gezeigt im Querschnitt dreiecksförmig, rechteckförmig, trapezförmig, ballig oder halbkreisförmig ausgebildet sein.
Die Oberflächenstruktur 6 kann mittels Zerspanen, Prägen, Rändeln oder chemischen Ätzen in das Gehäusebauteil 1 eingebracht werden. Um das Abtragen von Material beim Einlaufen des Laufrads 3 zu erleichtern, kann im Bereich der Oberflächenstruktur 6 das Gehäusebauteil 1 eine Beschichtung, insbesondere aus einem Kunststoff oder einem Lack, aufweisen, in welcher die Oberflächenstruktur 6 eingebracht ist. Das Gehäusebauteil 1 kann zumindest im Bereich der Oberflächenstruktur 6 aus einem Kunststoff hergestellt sein.

Claims

Gehäusebauteil (1), insbesondere für ein Verdichtergehäuse eines Abgasturboladers, – mit einem darin drehbar gelagerten und Laufschaufeln (4) tragendenden Laufrad (3), insbesondere einem Verdichterrad, – wobei das Gehäusebauteil (1) zumindest in einem den Laufschaufeln (4) gegenüberliegenden Bereich (5) eine Oberflächenstruktur (6) mit Vertiefungen (8) und/oder Erhebungen (10) aufweist, wodurch beim Einlaufen des Laufrads (4) weniger Material vom Gehäusebauteil (1) abgetragen wird.
Gehäusebauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur (6) ausschließlich in einem gekrümmten und sich radial erstreckenden Abschnitt des Bereichs (5) vorgesehen ist.
Gehäusebauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur (6) als Rillenstruktur, als Plattenstruktur oder als Schuppenstruktur ausgebildet ist und im Wesentlichen in einem ringförmigen Bereich des Gehäusebauteils (1) ausgebildet ist, welcher eine axiale Einlassöffnung (7) des Gehäusebauteils (1) einfasst.
Gehäusebauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur (6) zumindest eine rillenförmige Vertiefung (8) oder Erhebung (10) aufweist, die sich im Bereich der axialen Einlassöffnung (7) im Wesentlichen entlang einer axialen Richtung (A) oder entlang einer Umfangsrichtung (U) des Gehäusebauteils (1) erstreckt.
Gehäusebauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur (6) eine Mehrzahl von rillenförmigen Vertiefungen (8) oder Erhebungen (10) aufweist, welche sich zur Ausbildung eines Rillennetzes (9) jeweils wenigstens abschnittsweise in unterschiedliche Richtungen erstrecken.
Gehäusebauteil nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die wenigstens eine rillenförmige Vertiefung (8) oder Erhebung (10) im Bereich der axialen Einlassöffnung schraubenförmig entlang der axialen Richtung (A) und der Umfangsrichtung (U) des Gehäusebauteils (1) erstreckt.
Gehäusebauteil nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine rillenförmige Vertiefung (8) oder Erhebung (10) im Querschnitt dreiecksförmig, rechteckförmig, trapezförmig, ballig oder halbkreisförmig ausgebildet ist.
Gehäusebauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur (6) mittels Zerspanen, Prägen, Rändeln oder chemischem Ätzen in das Gehäusebauteil (1) eingebracht ist.
Gehäusebauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäusebauteil (1) wenigstens im Bereich der Oberflächenstruktur (6) eine Beschichtung, insbesondere aus einem Kunststoff oder einem Lack, aufweist, in welche die Oberflächenstruktur (6) eingebracht ist.
Gehäusebauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäusebauteil (1) zumindest im Bereich der Oberflächenstruktur (6) aus einem Kunststoff hergestellt ist.
Abgasturbolader, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem ein Gehäusebauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 aufweisenden Verdichtergehäuse.