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Die Erfindung betrifft ein Verdichterlaufrad mit einer Schraubbuchse, insbesondere für einen Abgasturbolader einen Super-Charger oder sonstige Kompressoreinrichtung, einen Turboladerläufer, der ein solches Verdichterlaufrad aufweist und einen Abgasturbolader für einen Verbrennungsmotor, der einen Turboladerläufer mit dem genannten Verdichterlaufrad aufweist.
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Kompressoren, Abgasturbolader oder Super-Charger mit Verdichterlaufrädern werden vermehrt zur Leistungssteigerung bei Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren eingesetzt. Dies geschieht immer häufiger mit dem Ziel den Verbrennungsmotor bei gleicher oder gar gesteigerter Leistung in Baugröße und Gewicht zu reduzieren und gleichzeitig den Verbrauch und somit den CO2-Ausstoß, im Hinblick auf immer strenger werdende gesetzliche Vorgaben diesbezüglich, zu verringern. Das Wirkprinzip besteht darin, den Druck im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors zu erhöhen und so eine bessere Befüllung des Brennraumes mit Luft-Sauerstoff zu bewirken und somit mehr Treibstoff, Benzin oder Diesel, pro Verbrennungsvorgang umsetzen zu können, also die Leistung des Verbrennungsmotors zu erhöhen.
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Zum Beispiel ein Abgasturbolader weist dazu eine im Abgasstrang des Verbrennungsmotors angeordnete Turbine mit einem durch den Abgasstrom angetriebenen Turbinenlaufrad und einen im Ansaugtrakt angeordneten Verdichter mit einem den Druck aufbauenden Verdichterlaufrad auf. Turbinenlaufrad und Verdichterlaufrad weisen jeweils eine auf den Anwendungszweck abgestimmte Beschaufelung auf und sind drehfest an den gegenüberliegenden Enden einer gemeinsamen Läuferwelle befestigt mit der sie den sogenannten Turboladerläufer bilden. Der Turboladerläufer ist mit seiner Läuferwelle in einer zwischen Turbine und Verdichter angeordneten Lagereinheit radial und axial drehgelagert. Somit wird mit Hilfe des Abgasmassenstroms das Turbinenrad und über die Läuferwelle wiederum das Verdichterrad angetrieben und die Abgasenergie so zum Druckaufbau im Ansaugtrakt genutzt.
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Die konstruktive Gestaltung eines konventionellen Abgasturboladers erfordert in der Regel einen mehrteiligen Aufbau des Turboladerläufers, wie in 1 anhand eines Beispiels dargestellt. Gleichzeitig müssen über die Läuferwelle beträchtliche Drehmomente bei sehr hohen Drehzahlen (einige 10.000–100.000 Umdrehungen pro Minute) übertragen werden. Darüber hinaus wird der Turboladerläufer 30 im Betrieb insbesondere auf der Seite des Turbinenlaufrads 31 einer thermischen Wechselbeanspruchung mit Temperaturen bis an die 1000°C beaufschlagt.
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Die daraus resultierenden Anforderungen erfordern den Einsatz ausgewählter Materialien sowie eine robuste Lagerung des Turboladerläufers 30. So ist beispielsweise das Turbinenlaufrad 31 aus einem hochwarmfesten Werkstoff, wie zum Beispiel einer Titan-Aluminid-Legierung, die Läuferwelle 32 aus Stahl und das Verdichterlaufrad 1 aus einer Aluminiumlegierung hergestellt. Das Turbinenlaufrad 31 und die Läuferwelle 32 sind in der Regel stoffschlüssig fest zu einem Bauteil verbunden. Das Verdichterlaufrad 1 kann konstruktionsbedingt dagegen erst bei der Montage des Abgasturboladers zusammen mit den unten genannten weiteren Bauteilen auf die Läuferwelle montiert und befestigt werden.
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Die Lagerung der zumeist aus einem Stahlwerkstoff bestehenden Läuferwelle 32 ist üblicherweise als Radial-Gleitlager, zum Beispiel mit schwimmenden Radial-Lagerbuchsen 34 ausgeführt und wird über eine Schmiermittelzuführung mit Schmiermittel versorgt. Auf der Läuferwelle 32 sind dementsprechend zwei Radial-Lagerbuchsen 34 in einem durch eine Lager-Abstandshülse 33 bestimmten axialen Abstand angeordnet. Weiterhin sind auf der Läuferwelle 32 eine Dichtringbuchse 35 für die Abdichtung des Ölraums im Lagergehäuse gegenüber dem Verdichtergehäuse des Abgasturboladers, eine Axiallagerscheibe 36 und ein Axiallager-Begrenzungsscheibe 37, zur Abstützung des Turboladerläufers gegen im Betrieb auftretende Axialkräfte, zwischen einer Wellenschulter 32a und dem Verdichterlaufrad 1 angeordnet. Die Dichtringbuchse 35, die Axiallagerscheibe 36 und die Axiallager-Begrenzungsscheibe 37 sind zusammen mit dem Verdichterlaufrad 1 mit Hilfe einer Wellen-Spannmutter 40 und dem Gewindezapfen 38 auf der Läuferwelle 32 festgespannt.
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Ein solcher Aufbau des Turboladerläufers ist beispielsweise auch aus dem Dokument
DE 10 2009 060 056 A1 bekannt. Auch die Patentanmeldung
DE 10 2013 213 023.6 offenbart eine solchen Aufbau, bei dem darüber hinaus die Dichtringbuchse, die Axiallagerscheibe
36 und das Axiallager-Begrenzungselement
37 zu einem Bauteil zusammengefasst sind, wobei dieses Bauteil zusätzlich mit einem Innengewinde zur ergänzenden Verspannung gegen die Wellenschulter ausgestattet ist. Bei solchen Konzeptionen kommt es bedingt durch die lange Spannstrecke und das Setzverhalten sowie der unterschiedlichen Wärmedehnung der einzelnen Bauteile, insbesondere bei der im Betrieb auftretenden thermischen Wechselbeanspruchung, manchmal zur Lockerung der Verbindung bis hin zum totalen Versagen des Turboladerläufers.
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Eine andere Variante der Befestigung des Verdichterlaufrades auf der Läuferwelle ist in Dokument
US 6,994,526 B2 offenbart. Dort weist das Verdichterlaufrad eine axiale Nabenverlängerung mit einer darin eingebrachten Senkbohrung auf. Die Läuferwelle weist an ihrem Ende einen Zapfen auf, der in der Senkbohrung der Nabenverlängerung durch eine Pressverbindung oder mittels eines Gewindes befestigt wird. Insbesondere bei der Verwendung von unterschiedlichen Materialien für Verdichterlaufrad und Läuferwelle, wie oben genannt, ist aufgrund unterschiedlicher Wärmedehnung auch eine solche Verbindung insbesondere bei thermischer Wechselbeanspruchung im Betrieb des Abgasturboladers nicht problemlos. Darüber hinaus wird auf die Problematik hingewiesen, dass durch eine Bohrung in der Verdichterlaufradnabe die mechanische Stabilität des Verdichterlaufrades geschwächt wird.
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Dokument
US 4,705,463 offenbart ein Verdichterlaufrad für Turbolader, mit dessen Nabe ein zylinderförmiges Buchsenbauteil mittels einer Reibschweißverbindung verbunden ist. Das Buchsenbauteil weist eine konzentrisch angeordnete Gewindebohrung zur Verbindung mit einer Läuferwelle auf. Dadurch wird eine Bohrung in die Verdichterlaufradnabe und somit eine Schwächung der mechanischen Stabilität vermieden. Das Verdichterlaufrad ist beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung hergestellt, um ein niedriges Eigengewicht und somit ein niedriges Trägheitsmoment des Verdichterlaufrades im Betrieb zu gewährleisten. Das Buchsenbauteil ist beispielsweise aus Maschinenstahl hergestellt. Dem Fachmann ist jedoch bekannt, dass Reibschweißverbindungen zwischen Aluminiumlegierungen und Stahl aufgrund der auftretenden hohen Temperaturen und unterschiedlicher Wärmedehnungskoeffizienten der verschiedenen Materialien häufig zu Eigenspannungen, Rissbildung und zur Materialversprödung im Verbindungsbereich führen kann.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde ein Verdichterlaufrad zur Verfügung zu stellen, das bei niedrigem Eigengewicht und Trägheitsmoment eine einfache und sichere Verbindung zu einer Läuferwelle aus einem Stahl-Werkstoff ermöglicht bei gleichzeitiger hoher Stabilität und Dauerfestigkeit gegenüber den im Betrieb auftretenden mechanischen und thermischen Belastungen. Eine weitere Aufgabe besteht darin einen Turboladerläufer und einen Abgasturbolader mit erhöhter Betriebssicherheit und Lebensdauer zur Verfügung zu stellen.
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Die der Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben werden mit den Merkmalen des Erfindungsgegenstandes gemäß dem Hauptanspruch bezüglich eines Verdichterlaufrades und den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche bezüglich des Turboladerläufers und des Abgasturboladers gelöst. Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung dar.
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Das erfindungsgemäße Verdichterlaufrad weist einen Laufrad-Rotationskörper mit einer zentrischen Drehachse, eine auf einer radialen Laufradkörper-Außenseite angeordnete Laufradbeschaufelung, eine den Laufrad-Rotationskörper axial begrenzende Laufrad-Basisfläche sowie einen auf der Laufrad-Basisfläche konzentrisch zur Drehachse angeordneten, in axialer Richtung aus der genannten Laufrad-Basisfläche ragenden zylindrischen Laufrad-Nabenstutzen und eine konzentrisch zur Drehachse unmittelbar am Laufrad-Nabenstutzen angeordnete und damit fest verbundene, ein Innengewinde (12) aufweisende Schraubbuchse, als Komponenten auf. Das erfindungsgemäße Verdichterlaufrad zeichnet sich weiterhin dadurch aus, dass die Schraubbuchse mittels einer durch ein Reib-Rühr-Schweißverfahren hergestellten stoffschlüssigen Verbindung) mit dem Laufrad-Nabenstutzen in fester Verbindung steht. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verdichterlaufrades liegen darin, dass eine dauerhaft feste, jedoch lösbare Verbindung zwischen Läuferwelle und Verdichterlaufrad erstellt werden kann, bei gleichwohl hoher Dauerfestigkeit des Verdichterlaufrades und der Verbindung zwischen Verdichterlaufrad und Schraubbuchse.
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In vorteilhafter Ausführung des erfindungsgemäßen Verdichterlaufrades sind der Laufrad-Nabenstutzen und die Schraubbuchse in einem stumpfen Stoß aneinandergefügt wobei sowohl der Laufrad-Nabenstutzen als auch die Schraubbuchse zumindest über eine bestimmte axiale Erstreckung ausgehend von dem stumpfen Stoß den gleichen Durchmesser aufweisen, so dass eine umlaufende, ebene, sich über den stumpfen Stoß erstreckende Ringfläche ausgebildet ist. Dies unterstützt und erleichtert die Durchführung des Reib-Rühr-Schweißverfahrens wesentlich.
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In einem Ausführungsbeispiel des Verdichterlaufrades ist die in dem Reib-Rühr-Schweißverfahren hergestellte stoffschlüssige Verbindung als zumindest teilweise umlaufende oder durchgängige Verbindungsnaht im Bereich und entlang des stumpfen Stoßes ausgebildet. So können zum Beispiel mehrere kurze, sich jeweils nur über eine Teilbereich des Umfanges erstreckende Verbindungsnähte in äquidistantem Abstand zueinander ausgeführt sein. Die Verbindungsnaht kann jedoch auch über den gesamten Umfang von Schraubbuchse und Laufrad-Nabenstutzen ausgeführt sein. Dadurch wird eine zuverlässige Verbindung zwischen dem Laufrad-Nabenstutzen und der Schraubbuchse erzielt, ohne die Dauerfestigkeit des Verdichterlaufrades zu schwächen, bei gleichzeitiger Minimierung des Energie- und Zeitaufwandes in dem Verbindungsprozess.
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In weiterer vorteilhafter Ausführung des Verdichterlaufrades ist die Schraubbuchse aus einem Stahlwerkstoff gefertigt und das restliche Verdichterlaufrad aus einem Leichtmetallwerkstoff, insbesondere einer Aluminiumlegierung gefertigt. Durch das niedrige Gewicht des Verdichterlaufrades wird der Vorteil eines niedrigen Trägheitsmomentes des Verdichterlaufrades erzielt. Dadurch, dass die Schraubbuchse jedoch aus einem Stahlwerkstoff gefertigt ist, was auch dem bevorzugten Material für die Läuferwelle entspricht, kann die Schraubverbindung zwischen dem Gewindezapfen der Läuferwelle und der Schraubbuchsee mit einem höheren Anzugsmoment angezogen werden was die Standfestigkeit der Schraubverbindung erhöht. Desweiteren ist durch die zumindest ähnliche Wärmedehnung von "Stahl"-Läuferwelle und "Stahl"-Schraubbuchse die Sicherheit der Verbindung auch bei thermischer Wechselbeanspruchung erhöht.
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In weiterer Ausgestaltung des Verdichterlaufrades weist der Laufrad-Nabenstutzen eine axiale Stirnfläche mit einem darauf konzentrisch zur Drehachse angeordneten Zentriervorsprung auf, der mit einer entsprechenden Zentriersenkung der Schraubbuchse zusammenwirkt. Dies ermöglicht eine einfache und genaue konzentrische Ausrichtung zwischen dem Laufrad-Nabenstutzen des Verdichterlaufrades und der Schraubbuchse vor und während der Erstellung der stoffschlüssigen Verbindung zwischen Schraubbuchse und Laufrad-Nabenstutzen mittels Reib-Rühr-Schweißverfahrens.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführung des Verdichterlaufrades ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubbuchse an ihrem Außenumfang zumindest eine umlaufende Ringnut zur Aufnahme eines Dichtungsringes aufweist. Schraubbuchse mit Dichtungsring übernimmt zusätzlich die Funktion der Abdichtung des Verdichtergehäuses gegenüber dem Lagergehäuse. Auf diese Weise übernimmt die Schraubbuchse eine zusätzliche Funktion wodurch eine Dichtungsbuchse als zusätzliches Bauteil eingespart werden kann. Dies trägt ebenfalls zur Erhöhung der Zuverlässigkeit und des übertragbaren Drehmoments der Schraubverbindung zwischen Läuferwelle und Verdichterlaufrad bei, da die Länge des Pressverbundes gering gehalten wird.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführung des Verdichterlaufrades zeichnet sich dadurch aus, dass die Schraubbuchse an ihrem Außenumfang zumindest ein scheibenförmig ausgebildetes Axiallagerelement aufweist. Auch diese Ausführung integriert eine weitere Funktion in die Schraubbuchse, erspart zumindest ein zusätzliches Axiallagerbauteil. Es könne jedoch auch weitere Komponenten eines Axiallagers wie zum Beispiel eine Axiallager-Begrenzungsscheibe in die Schraubbuchse integriert werden. Insbesondere kann diese Ausführung auch mit der zuvor genannten Ausführung mit integrierter Dichtungsbuchsen-Funktion kombiniert werden, wodurch die durch die Verschraubung zwischen Schraubbuchse und Läuferwelle erzeugte Pressverbindung direkt zwischen der Wellenschulter und der Stirnfläche der Schraubbuchse und ohne dazwischen eingespannte zusätzliche Funktionsteile besteht. Dies reduziert nicht nur die Anzahl der Einzelteile sondern reduziert auch den Montageaufwand bei gleichzeitiger Verbesserung der Dauerfestigkeit und Drehmomentfestigkeit der Schraubverbindung zwischen Verdichterlaufrad und läuferwelle.
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Der erfindungsgemäße Turboladerläufer für einen Abgasturbolader weist ein Turbinenlaufrad und eine damit verbundene Läuferwelle sowie ein Verdichterlaufrad mit einer Schraubbuchse auf. Die Schraubbuchse weist ein Innengewinde auf und die Läuferwelle weist an einem dem Turbinenlaufrad abgewandten Ende einen Gewindezapfen mit einem Außengewinde auf, das mit dem Innengewinde der Schraubbuchse in fest verschraubtem Eingriff steht. Dabei zeichnet sich der Turboladerläufer vor allem dadurch aus, dass das Verdichterlaufrad gemäß einer der vorgenannten Ausführungen ausgebildet ist. Diese Ausgestaltung des Turboladerläufers zeichnet sich nicht nur durch eine vereinfachte Montage aus sondern hat auch den Vorteil einer erhöhten Standfestigkeit im Betrieb und somit einer erhöhten durchschnittliche Lebensdauer dieser Baugruppe.
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Der erfindungsgemäße Abgasturbolader weist eine Abgasturbine, einen Verdichter und ein zwischen Abgasturbine und Verdichter angeordnetes Lagergehäuse auf. in dem Lagergehäuse ist ein Turboladerläufer drehbar gelagert. Der Turboladerläufer zeichnet sich dadurch aus, dass er gemäß dem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Turboladerläufer ausgebildet ist. Dies hat den Vorteil einer verringerten Versagenshäufigkeit im Betrieb und somit einer erhöhten durchschnittlichen Lebensdauer des gesamten Abgasturboladers.
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Die Ausführungsbeispiele und Weiterbildungen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Darstellungen in der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Turboladerläufer-Baugruppe gemäß dem bekannten Stand der Technik, mit den wesentlichen Komponenten, in vereinfachter schematischer Schnitt-Darstellung;
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2 eine vereinfachte Darstellung des Reib-Rühr-Schweißverfahrens;
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3 eine vereinfachte Schnitt-Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verdichterlaufrades;
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4 eine vereinfachte Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verdichterlaufrades;
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5 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Turboladerläufers in Kombination mit einem erfindungsgemäßen Abgasturboladers.
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Funktions- und Benennungsgleiche Teile sind in den Figuren durchgehend jeweils mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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Die 1 dient der Erläuterung des Standes der Technik und wurde in diesem Zusammenhang bereits oben beschrieben.
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Das in
2 vereinfacht dargestellte Reib-Rühr-Schweißverfahren ist an sich bereits zum Beispiel aus der
EP 0 615 480 B1 als "Reibrührungs-Stumpfschweißen" oder "Stoßschweißen" bekannt und ermöglicht es eine Vielzahl verschiedenartiger Werkstücke mittels einer "nichtverbrauchbaren" Sonde zu verbinden. Die Darstellung in
2 soll das Verfahren verdeutlichen. Dabei wird die Sondenspitze
21 einer weitgehend unverbrauchbaren Reib-Schweiß-Sonde
20 mit einer Sondenanpresskraft F in den durch einen stumpfen Stoß
15 gebildeten Spalt zwischen den zu verbindenden Materialien eingeführt wobei sich die Reib-Schweiß-Sonde
20 mit einer bestimmten Drehzahl ω um ihre eigene Sonden-Längsachse
22 dreht, um Reibungswärme zu erzeugen. Die Sondenspitze
21 wird komplett in den Spalt eingetaucht, bis die Reib-Schweiß-Sonde
20 mit ihrer Sonden-Stirnfläche
23 auf der Werkstückoberfläche aufliegt. Bei hinreichender Erhitzung wird eine Schicht aus plastifiziertem Material um die Sonde herum gebildet, die weitgehend aus den beiden zu verbindenden Materialien besteht, so dass bei langsamem Traversieren der rotierenden Sonde um einen Sondenvorschubweg S, längs der Verbindungslinie bzw. des stumpfen Stoßes
15 und senkrecht zur Längsachse der Reib-Schweiß-Sonde
22, das plastifizierte Material längs der Verbindungslinie miteinander "verrührt" wird. Bei der Abkühlung des plastifizierten Werkstoffes, in Bezug auf den Sondenvorschubweg S hinter der Sondenspitze
21, bildet das plastifizierte Material eine stoffschlüssige Verbindung
16 entlang des stumpfen Stoßes
15 und verbindet so die Bauteile in der gewünschten Weise miteinander. Die Querschnittsfläche der stoffschlüssigen Verbindung ist abhängig von der Geometrie der Sondenspitze
21 der Reib-Schweiß-Sonde
20, die zum Beispiel Kegelform mit abgerundeter Spitze aufweisen kann.
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Der Vorteil dieses Verfahrens besteht vor Allem darin, dass unterschiedliche Materialien quasi in einem Warmumformprozess verbunden werden, wobei keine besondere Nahtvorbereitung erforderlich ist und keinerlei Zusatzmaterialien benötigt werden.
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Weiterhin erfolgt der Prozess in Temperaturbereichen unterhalb der Schmelztemperatur des zu verbindenden Materials wodurch ungünstige Material-Gefüge-Änderungen und Eigenspannungen im Verbindungsbereich weitgehend vermeidbar sind.
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3 zeigt in Schnittdarstellung eine Ausführung des erfindungsgemäßen Verdichterlaufrades 1, das einen massiv ausgebildeten Laufrad-Rotationskörper 2 mit einer zentrischen Drehachse 2a aufweist. Auf der radialen Laufrad-Rotationskörper-Außenseite, also dem Außenmantel des Laufrad-Rotationskörpers 2 ist die Laufradbeschaufelung 3 angeordnet und fest, insbesondere einstückig, mit dem Laufrad-Rotationskörper 2 verbunden bzw. an diesem ausgebildet.
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Der Laufrad-Rotationskörper 2 weist weiterhin eine diesen in einer axialen Richtung begrenzende Laufrad-Basisfläche 4 auf, die auch als Laufradrücken oder Laufradbasis bezeichnet werden kann. Auf der der Laufrad-Basisfläche 4a in axialer Richtung gegenüberliegenden Seite des Laufrad-Rotationskörpers 2 ist dieser durch eine senkrecht zur Drehachse 2a angeordnete axiale Laufrad-Endfläche 4b abgeschlossen. Sowohl die Laufrad-Basisfläche 4a als auch die Laufrad-Endfläche 4b können als ebene Flächen ausgebildet sein, wie zum Beispiel die Laufrad-Endfläche in 3, können aber auch leicht konisch oder parabelförmig zur Drehachse hin verlaufen, wie zum Beispiel die Laufrad-Basisfläche in 3.
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Auf der Laufrad-Basisfläche 4a ist konzentrisch zur Drehachse 2a ein in axialer Richtung aus der genannten Laufrad-Basisfläche 4 ragender, im Wesentlichen zylindrischer Laufrad-Nabenstutzen 5 angeordnet. Unmittelbar am Laufrad-Nabenstutzen 5 und damit fest verbunden, ist eine konzentrisch zur Drehachse 2a ausgerichtete, ein Innengewinde 12 aufweisende Schraubbuchse 10, angeordnet. Die Schraubbuchse 10 steht mittels einer durch ein Reib-Rühr-Schweißverfahren hergestellten stoffschlüssigen Verbindung 16 (siehe Darstellung in der oberen Hälfte von 3) mit dem Laufrad-Nabenstutzen 5 in fester Verbindung.
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Bei dem in 3 gezeigten Beispiel ist der Laufrad-Nabenstutzen 5 und die Schraubbuchse 10 in für das Reib-Rühr-Schweißverfahren vorteilhafter Ausführung in einem stumpfen Stoß 15 aneinandergefügt(siehe Darstellung in der unteren Hälfte von 3), wobei sowohl der Laufrad-Nabenstutzen 5 als auch die Schraubbuchse 10 über eine bestimmte axiale Erstreckung ausgehend von dem stumpfen Stoß 15 den gleichen Durchmesser aufweisen, so dass eine umlaufende, ebene, sich über den stumpfen Stoß 15 erstreckende Ringfläche ausgebildet ist. Auf dieser ebenen Ringfläche kommt im Reib-Schweiß-Verbindungsprozess die Reib-Schweiß-Sonde nach dem Eintauchen der Sondenspitze in den Spalt des stumpfen Stoßes mit ihrer Sondenstirnfläche zur ebenen Auflage, wodurch ein Aufwerfen von Material im Randbereich der Verbindungsnaht verhindert wird.
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Bei der in 3 gezeigten Schraubbuchse 10 ist weiterhin eine konzentrisch zur Schraubbuchse 10 und zur Drehachse 2a angeordnete Durchgangsbohrung mit einem Innengewinde 12 zur Verschraubung mit einer Läuferwelle (in 3 nicht dargestellt) gut zu erkennen. Darüber hinaus weist die Schraubbuchse 10 an ihrem Außenumfang eine Ringnut 11 auf. Diese Ringnut 11 dient zur Aufnahme eines Dichtungsringes zur Abdichtung eines Lagergehäuseinnenraumes gegenüber einem Verdichtergehäuseinnenraum bei Verwendung des Verdichterlaufrades in einem aus dem Stand der Technik wohl bekannten, typischen Abgasturbolader.
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Weiterhin ist in 3 die Reib-Schweiß-Sonde 20, die mit einer bestimmten Drehzahl ω um ihre eigene Sonden-Längsachse 22 rotiert, und deren Vorschubweg S (im Falle einer durchgehend umlaufenden Verbindungsnaht) dargestellt. Demnach wird die rotierende Reib-Schweiß-Sonde 20 zunächst entlang ihrer Sonden-Längsachse 22, in der Zeichnung abwärts, bewegt, bis die Sondenspitze 21 in den durch den stumpfen Stoß 15 gebildeten Spalt komplett eingetaucht ist und die Reib-Schweiß-Sonde 20 mit ihrer Sonden-Stirnfläche 23 plan auf der ebenen Auflagefläche aufliegt. Anschließend wird die rotierende Reib-Schweiß-Sonde 20 senkrecht zu ihrer Sonden-Längsachse 22 mit einer bestimmten Vorschubgeschwindigkeit entlang des Verlaufs des stumpfen Stoßes 15 zwischen den Werkstücken im Kreisbogen um die Drehachse 2a des Verdichterlaufrades verfahren und so die stoffschlüssige Verbindung 16 als durchgehende Reib-Rühr-Schweißnaht ausgebildet.
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4 zeigt eine weitere Ausführung eines erfindungsgemäßen Verdichterlaufrades 10. Laufrad-Rotationskörper 2, Laufradbeschaufelung 3, Laufrad-Basisfläche 4a sowie Laufrad-Endfläche 4b gleichen der Ausführung aus 3. Der Laufrad-Nabenstutzen 5 weist gegenüber der Ausführung in 3 eine axiale Stirnfläche mit einem zusätzlich darauf konzentrisch zur Drehachse 2a angeordneten Zentriervorsprung 6 auf, der mit einer entsprechenden Zentriersenkung 14 der Schraubbuchse 10 zusammenwirkt. Dies ermöglicht eine einfache und genaue Zentrierung der Schraubbuchse 10 zum Laufradnabenstutzen 5 bei der Montage und während des Reib-Rühr-Schweißvorgangs.
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Die in 4 gezeigte Schraubbuchse weist weiterhin in einem zylindrisch ausgebildeten Bereich im Anschluss an die Ringfläche der Stoffschlüssigen Verbindung 16, zwei Ringnuten 11 an ihrem Außenumfang auf, die wie in 3 zur Aufnahme von Dichtungsringen dienen. Im Anschluss an die Ringnuten 11 ist am Außenumfang der Schraubbuchse 10 ein scheibenförmiges Element ausgebildet, das als Axiallagerscheibe 36 zur axialen Abstützung eines gesamten, mit dem Verdichterlaufrad 10 verbundenen Turboladerläufers 30 im Lagergehäuse 53 eines Abgasturboladers 50 dient (siehe 5). Im Anschluss daran ist eine nutförmige Aussparung 36a am Außenumfang der Schraubbuchse 10 ausgebildet, in die im Betrieb ein lagergehäuseseitiges Axial-Gegenlager eingreifen kann. Darauf folgt in axialer Richtung ein weiteres scheibenförmiges Element, das als Axiallager-Begrenzungsscheibe 37 vorgesehen ist.
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Wie bei der Ausführung in 3 ist auch hier eine konzentrisch zur Schraubbuchse 10 und zur Drehachse 2a angeordnete Durchgangsbohrung mit einem Innengewinde 12 zur Verschraubung mit einer Läuferwelle 32, von der nur das Wellenende dargestellt ist, gut zu erkennen. Zur Verbindung mit der Schraubbuchse 10 des Verdichterlaufrades 1 weist das Wellenende der Läuferwelle 32 einen Gewindezapfen 38 mit einem darauf angeordneten Außengewinde 39 auf. Der Gewindezapfen 38 ist in axialer Richtung durch eine Wellenschulter 32a begrenzt, die im montierten Zustand von Läuferwelle 32 und Verdichterlaufrad 1 an der Stirnfläche der Schraubbuchse 10 anliegt und mit dieser verspannt ist.
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Die in dem Reib-Rühr-Schweißverfahren hergestellte stoffschlüssige Verbindung 16 ist hier als umlaufende, durchgängige Verbindungsnaht im Bereich und entlang des stumpfen Stoßes 15 ausgebildet. Je nach Festigkeitsanforderung an die stoffschlüssige Verbindung, kann die Verbindungsnaht auch in mehreren kürzeren Teilstücken auf dem Umfang ausgeführt sein.
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Die in den 3 und 4 gezeigten Ausführungen haben gemeinsam, dass die Schraubbuchse 10 vorteilhaft aus einem Stahlwerkstoff gefertigt und das restliche Verdichterlaufrad 10 aus einem Leichtmetallwerkstoff, insbesondere einer Aluminiumlegierung gefertigt sein kann.
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5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Turboladerläufers 30 für einen Abgasturbolader 50, der ein Turbinenlaufrad 31 und eine damit verbundene Läuferwelle 32 sowie ein Verdichterlaufrad 1 mit einer Schraubbuchse 10 aufweist. Die Schraubbuchse 10 weist ein Innengewinde 12 auf. Die Läuferwelle 32 des Turboladerläufers 30 weist an einem dem Turbinenlaufrad 31 abgewandten Ende einen Gewindezapfen 38 mit einem Außengewinde 39 auf, das mit dem Innengewinde 12 der Schraubbuchse 10 in fest verschraubtem Eingriff steht 10. Der Turboladerläufer zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass das Verdichterlaufrad 1 gemäß einer der zuvor genannten Ausführungen ausgebildet ist. Konkret zeigt 5 eine Ausführung des Verdichterlaufrades 10, die der Ausführung aus 4 entspricht.
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Weiterhin zeigt 5 schematisch die Anordnung des Turboladerläufers 30 mit einem erfindungsgemäßen Verdichterlaufrad 10 in einer erfindungsgemäßen Ausführung eines Abgasturboladers 50. Der Abgasturbolader 50 weist eine Abgasturbine 51, einen Verdichter 52 und ein zwischen Abgasturbine 51 und Verdichter 52 angeordnetes Lagergehäuse 53 auf. In dem Lagergehäuse 53 ist eine Ausführung des erfindungsgemäßen Turboladerläufers (30) drehbar mittels der Radial-Lagerbuchsen 34 gelagert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009060056 A1 [0007]
- DE 102013213023 [0007]
- US 6994526 B2 [0008]
- US 4705463 [0009]
- EP 0615480 B1 [0030]
