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Die Erfindung betrifft eine Rotorwelle für einen Abgasturbolader, welche in einem Gehäuse des Abgasturboladers drehbar gelagert angeordnet ist, und die an ihrem einen axialem Ende mit einem Verdichterrad sowie an ihrem anderen axialen Ende mit einem Turbinenrad fest verbunden ist. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Rotorwelle.
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Eine derartige Rotorwelle ist aus der
EP 0 272 151 B1 bekannt. Die Lagerung der dortigen Rotorwelle erfolgt mittels eines sogenannten Patronenlagers, bei dem zwei axial beabstandete Kugellager zwei Außenringe und einen gemeinsamen Innenring aufweisen. Bei einem Patronenlager sind alle Bestandteile des Lagers vor dessen Einbau bereits zusammengebaut, so dass dieses komplett auf eine fertig montierte Rotorwelle aufgesteckt und zusammen mit dieser in ein Gehäuse des Abgasturboladers eingebaut werden kann. Der gemeinsame Innenring des in dieser Druckschrift gezeigten Abgasturboladers ist drehfest auf einen zylindrischen Aufnahmeabschnitt der Rotorwelle aufgesteckt, welcher axial unmittelbar neben dem Verdichterrad des Abgasturboladers an der Rotorwelle ausgebildet ist. Der gemeinsame Innenring der beiden Kugellager umgreift im weiteren axialen Verlauf die Rotorwelle über den größten Teil ihrer axialen Erstreckung mit einem radialen Abstand. Diese Konstruktion wird als nicht sonderlich vorteilhaft beurteilt, weil der gemeinsame Innenring nur an seinem verdichterseitigen axialen Ende über einen vergleichsweise kurzen Abschnitt mit der Rotorwelle fest verbunden ist.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Rotorwelle eines Abgasturboladers vorzustellen, welche mittels einer durchmesserkleinen Lagerung in einem Turboladergehäuse drehbar gelagert werden kann, und welche vergleichsweise einfach aufgebaut und daher kostengünstig herstellbar ist. Außerdem soll ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Rotorwelle vorgeschlagen werden.
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Die Lösung dieser Aufgabe wird mittels einer Rotorwelle erreicht, welche die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert. Ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Rotorwelle ist im einzigen Verfahrensanspruch angegeben.
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Die Erfindung geht demnach aus von einer Rotorwelle für einen Abgasturbolader, welche in einem Gehäuse des Abgasturboladers drehbar gelagert angeordnet ist. Die Rotorwelle ist an ihrem einen axialen Ende mit einem Verdichterrad sowie an ihrem anderen axialen Ende mit einem Turbinenrad fest verbunden. Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist bei dieser Rotorwelle vorgesehen, dass die Rotorwelle aus einer Zentralwelle und einer mit der Zentralwelle verbundenen zylindrischen Hülse besteht, dass axial zwischen dem Verdichterrad und dem Turbinenrad an der Zentralwelle ein zylindrischer Aufnahmeabschnitt ausgebildet ist, dass auf diesem zylindrischen Aufnahmeabschnitt die Hülse drehfest angeordnet ist, dass ein axiales Ende der Hülse nach radial innen in eine Aufnahmenut der Zentralwelle hinein umgebördelt ist, und dass die Hülse an ihrer Außenmantelfläche zwei Innenlaufbahnen aufweist, auf denen die Wälzkörper von zwei axial beabstandeten Wälzlagern abrollen können.
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Die Rotorwelle ist demnach zweiteilig aufgebaut, nämlich aus einer Zentralwelle und einer Hülse, wobei die Hülse rein form- und kraftschlüssig fest mit der Zentralwelle verbunden ist. Die Zentralwelle wird bei der Herstellung beziehungsweise Montage der Rotorwelle des Abgasturboladers an ihren axialen Enden durch Schweißen fest mit dem Verdichterrad und dem Turbinenrad verbunden ist. Die Hülse dient hingegen mit ihren radial außen ausgebildeten Laufbahnen für die Wälzkörper als gemeinsamer Innenring der beider Wälzlager, mittels denen die Rotorwelle in einem Gehäuse des Abgasturboladers drehbar gelagert angeordnet ist. Da die Hülse vor der Anordnung der Wälzkörper auf den Laufbahnen fest mit der Zentralwelle verbunden wird, unterscheidet sich diese Konstruktion von dem eingangs beschriebenen Patronenlager, welches ja komplett montiert auf die Rotorwelle aufgeschoben und befestigt wird. Dadurch, dass der gemeinsame Innenring der beiden Wälzlager bereits ein Bestandteil der Rotorwelle ist, ist kein gesonderter Innenring für die beiden Wälzlager notwendig.
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Da die Hülse zur Erzielung eines guten Kraftschlusses über ihre gesamt Länge radial ebenso zylindrisch ausgebildet ist wie der Aufnahmeabschnitt der Zentralwelle, kann gemäß einer Ausführungsform vorgesehen sein, dass der Aufnahmeabschnitt in dem durch die Hülse radial überdeckten Bereich wenigstens eine Ringnut aufweist. Diese Ringnut reduziert die für eine Wärmeübertragung von der Zentralwelle über die Hülse in die Wälzlager zur Verfügung stehende Fläche, so dass die beiden Wälzlager im Betrieb thermisch weniger stark belastet werden.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Zentralwelle der Rotorwelle aus den Werkstoffen 42CrMo4 oder X22CrMoV12 + 1 und die Hülse aus den Werkstoffen M50 oder 31CrMoV9 besteht. Der Werkstoff M50 ist ein bekannter niedriglegierter Schnellarbeitsstahl. Die beiden zueinander alternativen Legierungen 42CrMo4 oder X22CrMoV12 + 1 sind bekanntermaßen gut schweißbar und werden auch für die Herstellung von Turbinenrädern für Abgasturbolader genutzt. Dadurch kann die Zentralwelle der Rotorwelle durch Verschweißen gut mit dem Verdichterrad sowie mit dem Turbinenrad verbunden werden.
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Die aus den Legierungen M50 oder 31CrMoV9 bestehende Hülse wird vorzugsweise mittels eines Sinterverfahrens hergestellt und anschließend im Bereich der Innenlaufbahnen für die Wälzkörper auf Maß abgedreht. Idealerweise wird die Hülse bereits während ihrer Herstellung im Sintervorgang einer Wärmebehandlung unterzogen, um zumindest im Bereich der Laufbahnen für die Wälzkörper eine ausreichende Wälzfestigkeit zu erreichen. Vorzugsweise erfolgt die Wärmebehandlung der Hülse aus der Sinterhitze des Sintervorgangs heraus, welches die Herstellkosten und die Herstelldauer senkt.
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Durch die Nutzung der die Innenlaufbahnen der Wälzlager aufweisenden Hülse muss nun nicht mehr wie beim Stand der Technik die gesamte Oberfläche der Rotorwelle des Abgasturboladers geschliffen werden. Es ist vielmehr ausreichend, wenn die Innenringlaufbahnen, ein axialer Anlaufpunkt, der Sitz für das Verdichterrad und die Fläche des später anzuschweißenden Turbinenrades geschliffen werden.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer Rotorwelle eines Abgasturboladers. Zur Lösung der verfahrensbezogenen Aufgabe sind folgende Verfahrensschritte vorgesehen:
- – Herstellen einer Zentralwelle als erstes Bauteil der Rotorwelle aus einem stangenförmigen metallischen Rohling durch Abdrehen auf Maß und Schleifen zumindest an einem Aufnahmeabschnitt für eine Hülse sowie an den Anschlussstellen für ein Verdichterrad und ein Turbinenrad,
- – Herstellen der Hülse als zweites Bauteil der Rotorwelle, wobei die Hülse an ihrer Außenmantelfläche Innenlaufbahnen für die Wälzkörper von zwei Wälzlagern aufweist,
- – Härten der Hülse zumindest im Bereich der Innenlaufbahnen für der zwei Wälzlager,
- – Aufpressen der Hülse auf den Aufnahmeabschnitt der Zentralwelle der Rotorwelle,
- – Umbördeln eines axialen Endes der Hülse nach radial innen hinein in eine Aufnahmenut der Zentralwelle.
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Gegebenenfalls kann anschließend ein weiterer Schleifvorgang erfolgen, etwa um die Innenlaufbahnen für die Wälzkörper fein zu bearbeiten.
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Demnach wird durch dieses Herstellverfahren eine Rotorwelle für einen Abgasturbolader geschaffen, welche aus zwei Bauteilen besteht, nämlich der Zentralwelle und der Hülse. Diese beiden Bauteile werden vorzugsweise aus unterschiedlichen Werkstoffen gefertigt, nämlich bei der Zentralwelle aus den Legierungen 42CrMo4 oder X22CrMoV12 + 1, welche gut schweißbar sind, weshalb das Verdichterrad und das Turbinenrad leicht mit der Rotorwelle verbindbar sind. Außerdem bleibt die Zentralwelle ohne Wärmebehandlung.
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Die Hülse besteht hingegen aus dem Legierungen M50 oder 31CrMoV9, die gut wärmebehandelbar sind, so insbesondere auch im Bereich der Innenlaufbahnen für die Wälzkörper der beiden Wälzlager. Die Hülse wird bevorzugt in einem Sinterverfahren hergestellt, durch welches an der Außenmantelfläche der Hülse die Innenlaufbahnen für die Wälzkörper bereits vorgeformt sind. Durch die Nutzung eines Sinterverfahrens kann die Wärmebehandlung der Hülse beziehungsweise der Innenlaufbahn für die Wälzkörper aus der Sintervorganghitze erfolgen, was die Herstellkosten der Hülse senkt.
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Um eine Rissbildung an dem umzubrödelnden axialen Ende der Hülse zu vermeiden, können verschiedene Maßnahmen ergriffen werden. So kann ein Durchhärten der Hülse durchgeführt werden, mit anschließendem Anlassen der Hülse im Bereich des umzubrödelnden Endes der Hülse. Das Anlassen des umzubrödelnden Endes der Hülse kann nach dem Aufschieben der Hülse auf die Zentralwelle und vor dem Umbördeln mittels einer an diesem Ende angreifenden offenen Flamme erfolgen. Eine Rissbildung im Bereich des umzubrödelnden Endes der Hülse kann auch dadurch verhindert werden, dass die Hülse nur im Bereich der Innenlaufbahnen für die Wälzkörper induktiv gehärtet wird. Schließlich kann eine Rissbildung im Bereich des umzubrödelnden Endes der Hülse verhindert werden, wenn die Hülse mit einem radial nach innen weisenden Bund hergestellt wird, dann durchgehärtet wird, dann auf die Zentralwelle aufgesteckt sowie mit dieser fest verbunden wird, und erst dann das Turbinenrad mittels Elektronenstrahlschweißen oder Reibschweißen mit der Zentralwelle verbunden wird.
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Es sei hier auch noch darauf hingewiesen, dass ein Formschluss zwischen der Zentralwelle und der Hülse dadurch erreicht werden kann, dass anstelle eines radialen Umbördelns des einen axialen Endes der Hülse in eine Nut der Zentralwelle ein Verstemmen von Material der Hülse in entsprechende Aufnahmebereich der Zentralwelle erfolgt.
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Zur weiteren Verdeutlichung der Erfindung ist der Beschreibung eine Zeichnung beigefügt, welche ein Ausführungsbeispiel zeigt.
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Die dargestellte Rotorwelle 1 eines Abgasturboladers ist im montierten Zustand an einem axialen Ende mit einem Verdichterrad 2 und am axial anderen Ende mit einem Turbinenrad 3 fest verbunden. Die Verbindung von Rotorwelle mit den beiden Strömungsrädern 2, 3 erfolgt üblicherweise mittels Reibschweißen oder Elektronenstrahlschweißen. Die Rotorwelle 1 ist im montierten Zustand in einem Gehäuse 8 des Abgasturboladers angeordnet und dort mittels zwei als Kugellager ausgebildeten Wälzlagern 15, 16 drehbar gelagert. Die beiden Wälzlager 15, 16 weisen jeweils einen Außenring 9a, 9b auf, die in einer Bohrung 21 des Gehäuse 8 drehfest und axial unbeweglich eingesetzt ist. Die beiden Wälzlager 15, 16 weisen außerdem jeweils einen Satz von als Kugeln ausgebildeten Wälzkörpern 19, 20 auf, die in zugeordneten Außenlaufbahnen 10, 11 an den beiden Außenringen 9a, 9b sowie in Innenlaufbahnen 6, 7 abrollen.
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Abweichend von dem aus der
EP 0 272 151 B1 bekannten Patronenlager zur Lagerung der dortigen Rotorwelle eines Turboladers ist hier kein gesonderter Lagerinnenring vorhanden. Die Rotorwelle
1 ist vielmehr zweiteilig ausgebildet, mit einer Zentralwelle
4 als ersten Bestandteil der Rotorwelle
1, die aus einem stangenförmigen Vollmaterial gebildet ist, welches aus einem ersten Metall besteht. Der zweite Bestandteil der Rotorwelle
1 besteht aus einer zylindrischen Hülse
5, die aus einem zweiten Metall gefertigt ist. Die Hülse
5 weist an deren Außenmantelfläche
18 die Innenlaufbahnen
6,
7 für die Wälzkörper
19,
20 der beiden Wälzlager
15,
16 auf. Radial innen sitzt die Hülse
5 formschlüssig auf einem zylindrischen Aufnahmeabschnitt
4a der Zentralwelle
4. Die Abmessungen des Innendurchmessers der Hülse
5 und des Außendurchmessers des Aufnahmeabschnitts
4a sind so hergestellt, dass die Hülse
5 drehfest mit der Zentralwelle
4 verbunden ist. Um die Hülse
5 auch axial auf dem Aufnahmeabschnitt
4a und damit an der Zentralwelle
4 zu fixieren, weist die Zentralwelle
4 axial hinter dem turbinenradseitigen Ende des Aufnahmeabschnitts
4a eine Aufnahmenut
12 auf, in die das zugeordnete axiale Ende
13 der Hülse
5 hinein gebördelt ist.
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Wie erwähnt bestehen die beiden Bestandteile 4, 5 der Rotorwelle 1 aus zwei unterschiedlichen Metallen. Diese sind so gewählt, dass mit ihnen vorbestimmte Aufgaben optimal durchführbar sind. So besteht die Zentralwelle 4 der Rotorwelle 1 aus der Legierung 42CrMo4 oder aus der Legierung X22CrMoV12 + 1, welche diejenigen guten Verschweißungseigenschaften aufweisen, die zur schweißtechnischen Verbindung der Zentralwelle mit dem Verdichterrad 2 und dem Turbinenrad 3 notwendig sind. Abweichend davon besteht die Hülse 5 aus der Legierung M50 oder der Legierung 31CrMoV9, welche sehr gut für die Ausbildung von Wälzkörperlaufbahnen, nämlich der Innenlaufbahnen 6, 7 der beiden Wälzlager 15, 16 geeignet sind. Das Metall der Hülse 5 besteht daher aus Werkstoffen, welche sich gut härten lassen.
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Erkennbar sind gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform im Aufnahmebereich 4a der Zentralwelle 4 drei Ringnuten 14 ausgebildet, welche durch eine Reduzierung der Kontaktfläche zwischen Hülse 5 und Zentralwelle 4 als Wärmedrossel eine zu starke Weiterleitung von Wärme aus der Zentralwelle 4 in den Bereich der beiden Wälzlager 15, 16 verhindern. Außerdem sind axial zwischen dem Aufnahmebereich 4a und dem Turbinenrad 3 an der Zentralwelle 4 Ringnuten 17 ausgebildet, welche zur Aufnahme von nicht dargestellten Ringdichtungen dienen.
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Wie die einzige Figur zeigt, brauchen an der Zentralwelle 4 neben dem Aufnahmeabschnitt 4a nur noch diejenigen Bereiche geschliffen werden, an denen das Verdichterrad 2 und das Turbinenrad 3 mit derselben verschweißt werden. Die Hülse 5 braucht an sich nur im Bereich der Innenlaufbahnen 6, 7 gehärtet und geschliffen werden. Sofern die Hülse 5 mittels eines Sintervorgangs hergestellt ist, können die Innenlaufbahnen 6, 7 dadurch bereits weitgehend ausgebildet sein. Bei einer vollständig gehärteten Hülse 5 kann derjenige axiale Endbereich 13 der Hülse 5, welcher nach radial innen in die Aufnahmenut 12 hinein umgebördelt wird, unmittelbar vor dem Umbördeln wärmebehandelt werden, wodurch eine Rissbildung im Umbördelbereich der Hülse vermieden wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotorwelle
- 2
- Verdichterrad
- 3
- Turbinenrad
- 4
- Zentralwelle
- 4a
- Aufnahmeabschnitt für die Hülse
- 5
- Hülse
- 6
- Erste Innenlaufbahn an der Hülse
- 7
- Zweite Innenlaufbahn an der Hülse
- 8
- Gehäuse
- 9a
- Außenring des ersten Wälzlagers 15
- 9b
- Außenring des zweiten Wälzlagers 16
- 10
- Erste Außenlaufbahn am Außenring
- 11
- Zweite Außenlaufbahn am Außenring
- 12
- Aufnahmenut in der Zentralwelle
- 13
- Umgebördeltes Ende der Hülse
- 14
- Ringnut im Aufnahmeabschnitt
- 15
- Erstes Wälzlager
- 16
- Zweites Wälzlager
- 17
- Ringnut für Ringdichtung
- 18
- Außenmantelfläche der Hülse
- 19
- Wälzkörper des ersten Wälzlagers
- 20
- Wälzkörper des zweiten Wälzlagers
- 21
- Gehäusebohrung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0272151 B1 [0002, 0019]
