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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Klappenvorrichtung für ein Wastegate eines Turboladers, bestehend aus einem Tragelement und einer Klappe.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Herstellungsverfahren einer Klappenvorrichtung für ein Wastegate eines Turboladers.
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Hintergrund der Erfindung
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Turbolader der eingangs genannten Art weisen im Allgemeinen eine Turbine und einen Verdichter auf. Dabei sind dann ein Turbinenrad der Turbine und ein Verdichterrad des Verdichters auf einer gemeinsamen Welle angeordnet. Ein Abgasstrom einer an den Turbolader angeschlossenen Brennkraftmaschine treibt nun die Turbine an und die Turbine wiederum den Verdichter. Der Verdichter kann dadurch Frischluft verdichten und die verdichtete Luft der Brennkraftmaschine zuführen.
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Eine Form der Ladedruckregelung des Turboladers ist hierbei ein turbinenseitiger Bypass bzw. ein sogenannter Wastegate-Kanal. Die Turbine wird dabei so klein gewählt, dass die Anforderungen an das Drehmomentverhalten bei niedrigen Drehzahlen erfüllt werden können und eine gute Fahrbarkeit des Motors erreicht wird. Bei dieser Auslegung wird der Turbine kurz vor dem Erreichen des maximalen Drehmoments jedoch mehr Abgas zugeführt, als für die Erzeugung des Ladedrucks notwendig ist. Daher wird nach dem Erreichen des erforderlichen Ladedrucks ein Teil des Abgasstroms durch den Wastegate-Kanal um die Turbine herum geleitet. Der Wastegate-Kanal wird hierzu über eine Klappenvorrichtung je nach Betriebszustand teilweise oder vollständig geöffnet oder geschlossen. Die Klappenvorrichtung befindet sich somit im Heißgas und wird von ca. 1.000°C heißen Abgasen umströmt.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Klappenvorrichtungen für ein Wastegate eines Turboladers werden meist aus mehreren Bauteilen gefertigt, da verschiedenste Bauteileeigenschaften berücksichtigt werden müssen. So werden die Tragelemente dieser Klappenvorrichtungen aus einem hochfesten hitzebeständigen Stahlguss gefertigt. Eine Klappe besteht dabei ebenfalls aus einem hitzebeständigen Stahl, welche meist mit dem Tragelement vernietet wird. Die Fertigung besteht aus zahlreichen Schritten, wie Gießen, Sandstrahlen, Spannen in einer Spezialvorrichtung und Drehen eines Führungsdurchmessers. Zudem kommt dann noch ein Bohren eines Loches für das Tragelement. Anschließend muss der Führungsdurchmesser noch geschliffen, das Tragelement gefügt und vernietet werden.
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Die verwendeten hitzebeständigen Stähle haben den Nachteil, dass sie schwer zu bearbeiten sind. Zudem ist die Spannvorrichtung für die Klappenvorrichtung komplex. Die Fehlerwahrscheinlichkeit ist daher groß, da die Spanntechnik komplex ist und mehrere Arbeitsgänge erforderlich sind (drehen und schleifen). Durch die Verwendung von Vollmaterial (Stahlguss) ist das Gewicht der gesamten Klappenvorrichtung hoch.
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Eine Aufgabe der gegenwärtigen Erfindung ist daher, eine kostengünstige, gewichtseinsparende und vereinfachte Klappenvorrichtung für ein Wastegate eines Turboladers anzugeben, die zudem eine hohe Funktionssicherheit gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird durch eine Klappenvorrichtung für ein Wastegate eines Turboladers gelöst, die die Merkmale im Anspruch 1 umfasst.
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Eine weitere Aufgabe der gegenwärtigen Erfindung ist, ein einfaches Herstellungsverfahren für eine Klappenvorrichtung für ein Wastegate eines Turboladers zu schaffen, bei dem an Kosten und Gewicht eingespart wird.
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Diese Aufgabe wird durch ein Herstellungsverfahren für eine Klappenvorrichtung für ein Wastegate eines Turboladers gelöst, das die Merkmale im Anspruch 8 umfasst.
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Die erfindungsgemäße Klappenvorrichtung für ein Wastegate eines Turboladers besteht aus einem Tragelement und einer Klappe. Erfindungsgemäß besteht die Klappe aus einem gesinterten keramischen Werkstoff. Hierbei wird die gleiche Technologie wie bei der Herstellung von keramischen Schneidstoffen verwendet, so dass ein keramisches Substrat in eine Sinterform eingefüllt und verpresst wird. Ein anschließendes „Backen“ bei Temperaturen von ca. 1.000 bis 2.500°C in einem Hochtemperaturofen stellt die endgültige Form und Temperaturfestigkeit der Klappe ein. Die Klappe der erfindungsgemäßen Klappenvorrichtung muss somit nicht nachbearbeitet werden und ist somit endkonturnah gesintert. Die Temperaturbeständigkeit kann über das keramische Substrat eingestellt werden. Somit hat die Klappe der erfindungsgemäßen Klappenvorrichtung den Vorteil, dass das keramische Material deutlich leichter und kostengünstiger ist, als der bisher im Stand der Technik bekannte und verwendete, hochfeste und hitzebeständige Stahlguss für Klappen.
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Insbesondere sieht die erfindungsgemäße Klappenvorrichtung vor, dass das Tragelement aus einem temperaturfesten Rundstahl besteht, das an einem ersten Ende eine Plattpressung und eine Aussparung aufweist. Die Plattpressung wird dadurch erreicht, dass das erste Ende des Tragelements einfach in eine Presse gehalten wird und das erste Ende dann platt gepresst wird. Die Aussparung wird ganz einfach nur ausgestanzt. Nachdem die Plattpressung und die Aussparung am ersten Ende des Tragelements ausgebildet sind, wird das Tragelement noch um einen Winkel gebogen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Winkel ungefähr 90°, d. h. das erste Ende des Tragelements steht zu einem zweiten Ende des Tragelements rechtwinklig.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der temperaturfeste Rundstahl des Tragelements ein Rohrmaterial. Eine weitere Ausführungsform der Erfindung kann vorsehen, dass der temperaturfeste Rundstahl des Tragelements ein Vollmaterial ist. Wie bereits beschrieben, ist der temperaturfeste Rundstahl vorzugsweise ein Rohrmaterial, auch bekannt als Stahlrohr. Dies beruht darauf, dass sich das Rohrmaterial als Ganzes in eine Drehmaschine in einem Standardfutter einspannen und einfach drehtechnisch bearbeiten lässt. Da das Rohrmaterial rund ist, ist es zudem unkompliziert zu bearbeiten. Die Einfachheit im Spannfutter mit einer rotativen Bearbeitung macht ein Schleifen eines Durchmessers überflüssig, da die benötigten Qualitäten nun mühelos in der Drehmaschine bearbeitet werden können. Auch ist ein solches Tragelement mit einem Rohrmaterial leichter als die bekannten Serienvarianten mit dem Stahlguss, so dass die Klappenvorrichtung neben einer leichten Klappe auch ein leichtes Tragelement aufweist. Diese beiden Bauteile sorgen somit für eine erhebliche Reduzierung an Gewicht der Klappenvorrichtung.
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Insbesondere sieht die Erfindung vor, dass die Klappe einen Zapfen aufweist, der der Form der Aussparung entspricht und eine Höhe besitzt, die größer ist als eine Höhe der Plattpressung am ersten Ende des Tragelements, so dass der Zapfen durch die Aussparung hindurchgreift. Nun können beide Teile, d. h. der Zapfen und das Tragelement, an der Aussparung gefügt werden. Ferner ist vorgesehen, dass das Tragelement im Bereich der Aussparung etwas eingekerbt, sprich verstemmt, wird. Somit hält die keramische Klappe im Tragelement und kann nicht mehr herausfallen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Klappenvorrichtung ist die Form der Aussparung und die Form des Zapfens derart ausgebildet, dass eine Verdrehsicherung der in der Aussparung eingesetzten Klappe gegeben ist. Dies wird dadurch ermöglicht, dass der Zapfen mindestens ein konischer Dreikant ist. Der Zapfen ist derart konisch ausgeformt, dass ein unterer Abschnitt des Zapfens kleiner ist als ein oberer Abschnitt des Zapfens. Durch die Verwendung eines konischen Zapfens an der Fügestelle, ist zusätzlich zur Verdrehsicherung ein ungewolltes Herausfallen der Klappe vermieden. Somit ist bei der erfindungsgemäßen Klappenvorrichtung eine hohe Funktionssicherheit gegeben. Vorzugsweise ist der Zapfen ein konischer Vierkant, da sich dadurch großzügige Toleranzauslegungen von +/–0,2 mm an der Aussparung ermöglichen lassen, die gewisse Form- und Lagetoleranzfehler bei der Montage ausgleichen. Denkbar ist aber beispielsweise auch ein konischer Sechskant als Zapfen.
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Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren einer Klappenvorrichtung für ein Wastegate eines Turboladers ist durch die folgenden Schritte gekennzeichnet. In einem ersten Schritt wird ein Tragelement aus einem temperaturfesten Rundstahl bereitgestellt. Dieses wird dann an einem ersten Ende platt gepresst und eine Aussparung ausgestanzt. Nach dem Pressen und Ausstanzen wird das Tragelement noch um einen Winkel gebogen werden. Vorzugsweise beträgt der Winkel 90°. Anschließend wird eine Klappe mit einem Zapfen, der vorzugsweise konisch ist, aus einem keramischen Werkstoff gesintert. Dabei entspricht der Zapfen im Wesentlichen der Form der Aussparung. Ist die Aussparung beispielsweise ein Vierkantloch, so ist der Zapfen der Klappe ein konischer Vierkant. Abschließend wird dann der Zapfen der Klappe an der Aussparung des Tragelements gefügt, wobei gleichzeitig das Tragelement im Bereich der Aussparung verstemmt wird. Mit den hier genannten Schritten des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens ist die Klappenvorrichtung leicht herstellbar, so dass dadurch auch Fertigungskosten eingespart werden können. Durch die Herstellung eines mindestens dreikantigen und konischen Zapfens, ist eine Verdrehsicherung und verliersichere Montage gewährleistet. Zudem können bei der Herstellung verschiedenste Temperaturfestigkeiten über unterschiedlichste keramische Mischungen eingestellt werden. Auch ist anzumerken, dass die Klappenvorrichtung stets gleich hergestellt werden kann, so dass durch die Übernahme von Gleichteilen weitere Fertigungskosten reduziert werden können. Ferner sind die Materialien, wie die Keramik für die Klappe und der Rundstahl für das Tragelement, gegenüber den bisher aus dem Stand der Technik bekannten und verwendeten Materialien wesentlich leichter, so dass erheblich an Gewicht eingespart werden kann.
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Ferner ist vorgesehen, dass das Tragelement vor dem Pressen in einer Drehmaschine eingespannt und drehtechnisch bearbeitet wird. Da hier das Tragelement ein Rundstahl ist, lässt sich dieses unkompliziert bearbeiten.
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Beim oben genannten Schritt, dem Sintern der Klappe mit dem Zapfen, wird ein keramisches Substrat in eine Sinterform eingefüllt und verpresst. Anschließend wird dieses dann in einem Hochtemperaturofen gebacken.
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Im Folgenden sollen Ausführungsbeispiele die Erfindung und ihre Vorteile anhand der beigefügten Figuren näher erläutern. Die Größenverhältnisse in den Figuren entsprechen nicht immer den realen Größenverhältnissen, da einige Formen vereinfacht und andere Formen zur besseren Veranschaulichung vergrößert im Verhältnis zu anderen Elementen dargestellt sind. Dabei zeigen:
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1 eine Draufsicht einer erfindungsgemäßen Klappenvorrichtung für ein Wastegate eines Turboladers;
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2 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Klappenvorrichtung nach 1;
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3 eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen Klappenvorrichtung entlang der nach 1 dargestellten Linie A-A;
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4 eine Perspektivansicht der erfindungsgemäßen Klappenvorrichtung.
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Für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung werden identische Bezugszeichen verwendet. Ferner werden der Übersicht halber nur Bezugszeichen in den einzelnen Figuren dargestellt, die für die Beschreibung der jeweiligen Figur erforderlich sind. Die dargestellten Ausführungsformen stellen lediglich Beispiele dar, wie die erfindungsgemäße Klappenvorrichtung sowie das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren für eine Klappenvorrichtung für ein Wastegate eines Turboladers ausgestaltet sein können und stellen somit keine abschließende Begrenzung der Erfindung dar.
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1 zeigt eine Draufsicht einer erfindungsgemäßen Klappenvorrichtung 1 für ein Wastegate eines Turboladers, die aus einem Tragelement 3 und einer Klappe 5 besteht. Erfindungsgemäß besteht die Klappe 5 aus einem gesinterten keramischen Werkstoff. Ferner sieht die erfindungsgemäße Klappenvorrichtung 1 vor, dass das Tragelement 3 aus einem temperaturfesten Rundstahl besteht. Beide Bauteile haben somit ein geringes Eigengewicht, so dass die Klappenvorrichtung 1 gegenüber den bisher im Stand der Technik bekannten und verwendeten, hochfesten und hitzebeständigen Stahlgüssen für die Klappe 5 und das Tragelement 3 deutlich leichter ist.
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Zudem sieht die Erfindung vor, dass ein erstes Ende 7 des Tragelements 3 eine Plattpressung 9 und eine in 2 dargestellte Aussparung 11 ausgebildet hat, über die die Klappe 5 mit dem Tragelement 3 verbunden ist. Nachdem die Plattpressung 9 und die Aussparung 11 am ersten Ende 7 des Tragelements 3 ausgebildet sind, wird das Tragelement 3 noch um einen Winkel α gebogen. Vorzugsweise beträgt der Winkel α ungefähr 90°, d. h. das erste Ende 7 des Tragelements 3 steht zu einem zweiten Ende 8 des Tragelements 3 rechtwinklig.
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2 zeigt eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Klappenvorrichtung 1 nach 1, in der neben der Plattpressung 9 die Aussparung 11 am ersten Ende 7 des Tragelements 3 ersichtlich ist.
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Auch ist in dieser Ausführungsform dargestellt, dass der temperaturfeste Rundstahl des Tragelements 3 vorzugsweise ein Rohrmaterial ist. Dieses Rohrmaterial hat den Vorteil, dass es sich leicht bearbeiten lässt. Eine andere Ausführungsform der Erfindung kann aber auch vorsehen, dass der temperaturfeste Rundstahl des Tragelements 3 ein Vollmaterial ist.
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Ferner sieht die Erfindung vor, dass die Klappe 5 einen Zapfen 13 aufweist, der der Form der Aussparung 11 entspricht und eine Höhe HZ besitzt, die größer ist als eine Höhe HP am ersten Ende 7 der Plattpressung 9 des Tragelements 3, so dass der Zapfen 13 durch die Aussparung 11 hindurchgreift. Nun können beide Teile, d. h. der Zapfen 13 und das Tragelement 3, an der Aussparung 11 gefügt werden. Zudem ist dann vorgesehen, dass das Tragelement 3 im Bereich der Aussparung etwas eingekerbt wird. Somit hält die keramische Klappe 5 im Tragelement 3 und kann nicht mehr herausfallen.
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3 zeigt eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen Klappenvorrichtung 1 entlang der in 1 eingezeichneten Schnittlinie A-A, wobei hier eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist. Hier ist nämlich die Form der Aussparung 11 und die Form des Zapfens 13 derart ausgebildet, dass eine Verdrehsicherung der in der Aussparung 11 eingesetzten Klappe 5 gegeben ist. Dies wird dadurch ermöglicht, dass der Zapfen ein konischer Vierkant 13 ist. Dabei ist der Zapfen 13 dann derart konisch ausgeformt ist, dass ein unterer Abschnitt 15 des Zapfens 13 kleiner ist als ein oberer Abschnitt 17 des Zapfens 13. Durch die Verwendung des konischen und kantigen Zapfens 13 an der Fügestelle, ist eine sichere Verdrehsicherung gewährleistet sowie die Klappe 5 gegen ein ungewolltes Herausfallen gesichert.
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4 zeigt eine Perspektivansicht der erfindungsgemäßen Klappenvorrichtung 1. Die hier dargestellten Bezugszeichen sind zwar bereits zu den vorherigen 1 bis 3 beschrieben, doch wird anhand dieser Figur das erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens der Klappenvorrichtung 1 für ein Wastegate eines Turboladers in den einzelnen Schritten näher erläutert.
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In einem ersten Schritt wird ein Tragelement 3 aus einem temperaturfesten Rundstahl bereitgestellt. Dieses wird dann an einem ersten Ende 7 platt gepresst, sprich die Plattpressung 9 gebildet, und eine Aussparung 11 ausgestanzt. Nach dem Pressen und Ausstanzen wird das Tragelement 3 noch um einen Winkel α von ungefähr 90° gebogen. Anschließend wird eine Klappe 5 mit einem Zapfen 13, der vorzugsweise konisch ist, aus einem keramischen Werkstoff gesintert. Dabei entspricht der Zapfen 13 im Wesentlichen der Form der Aussparung. Die fertig gestellte Klappe 5 wird mit dem Zapfen 13 in die Aussparung 11 eingesetzt. Da die Aussparung in der hier dargestellten Ausführungsform ein Vierkantloch 11 ist, ist der Zapfen 13 der Klappe 5 ebenfalls ein konischer Vierkant 13. Abschließend wird dann der Zapfen 13 der Klappe 5 an der Aussparung 11 des Tragelements 3 gefügt, wobei gleichzeitig das Tragelement 3 im Bereich der Aussparung 11 verstemmt wird. Mit den hier genannten Schritten des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens ist die Klappenvorrichtung leicht herstellbar, so dass dadurch auch Fertigungskosten eingespart werden können. Durch die Herstellung eines konischen und kantigen Zapfens, ist eine Verdrehsicherung und verliersichere Montage gewährleistet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Klappenvorrichtung
- 3
- Tragelement
- 5
- Klappe
- 7
- erste Ende des Tragelements
- 8
- zweite Ende des Tragelements
- 9
- Plattpressung
- 11
- Aussparung
- 13
- Zapfen
- 15
- unterer Abschnitt des Zapfens
- 17
- oberer Abschnitte des Zapfens
- A-A
- Schnittlinie
- HZ
- Höhe des Zapfens
- HP
- Höhe der Plattpressung
- α
- Winkel
