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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Verdichter für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Elektromotor, der in einem Motorraum angeordnet ist, einer Antriebswelle, die über den Elektromotor antreibbar ist, einem Laufrad, welches auf der Antriebswelle befestigt ist und in einem Strömungsraum eines Strömungsgehäuses zwischen einem Einlass und einem Auslass angeordnet ist, einem ersten Lager und einem zweiten Lager, über die die Antriebswelle in einem Lagergehäuse gelagert ist und einer Dichtung, welche zwischen dem ersten Lager und einer Rückseite des Laufrades angeordnet ist und die Antriebswelle umgibt, einer Mutter, mittels derer das Laufrad auf der Antriebswelle in Richtung des ersten Lagers axial verspannt ist.
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Derartige elektrische Verdichter werden in modernen Verbrennungsmotoren eingesetzt, um beispielsweise bei plötzlicher Laststeigerungsanforderung kurzfristig aktiv einen ausreichenden Ladedruck zur Verfügung stellen zu können. Insbesondere bei Verbrennungsmotoren mit kleinem Hubraum und hoher Leistung ermöglichen diese elektrischen Verdichter im leerlaufnahen Bereich entweder eine zusätzliche Nachverdichtung zum Abgasturbolader oder eine Vorverdichtung für diesen, wodurch dem so genannten Turboloch entgegen gewirkt werden kann. Auch ist der Einsatz als einzelnes Aufladeaggregat im Verbrennungsmotor möglich.
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Der Rotor und damit das Laufrad eines derartig genutzten Verdichters müssen in kürzester Zeit auf Drehzahlen von bis zu 100.000 U/min beschleunigt werden. Bei diesen Geschwindigkeiten entstehen hohe radiale und axiale Kräfte, so dass das Laufrad zuverlässig auf der Antriebswelle befestigt werden muss und eine Dichtung zwischen dem ersten Lager und der Rückseite des Laufrades vorgesehen werden muss, mit der ein Ausspülen des Lagers oder ein Eindringen von Schmutzstoffen in Richtung des ersten Lagers zuverlässig verhindert wird.
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Entsprechend sind prinzipiell zwei verschiedene Systeme zur Befestigung des Laufrades auf der Antriebswelle bekannt. Entweder wird das Laufrad durch Erhitzen und anschließendes Abkühlen per Presspassung auf die Antriebswelle aufgeschrumpft oder es wird ein Axialspannverbund geschaffen, bei dem das Laufrad mittels einer Mutter gegen einen Wellenabsatz belastet wird. Ein derartiger Verbund ist beispielsweise aus der
WO 2014/080501 A1 bekannt. Die Dichtung erfolgt über zwei Radialdichtringe, die an der Außenseite eines auf die Welle gepressten Lagerbundes in Nuten angeordnet sind.
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Aus der
US 2014/0090626 A1 ist ein Axialspannverbund bekannt, bei dem das Laufrad mittels einer Mutter gegen eine Buchse gespannt wird, deren entgegengesetzte Seite gegen einen Absatz der Welle anliegt. Das folgende Lager ist auf dem größeren Wellendurchmesser angeordnet.
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Entsprechend müssen bei der Herstellung der bekannten Axialspannverbünde das Lager und das Laufrad einzeln positioniert werden und entsprechende Längentoleranzen eingehalten werden. Für eine ausreichende Abdichtung sind häufig axial länger bauende Dichtflächen vorzusehen. Durch die benötigten Absätze auf der Welle ist deren Herstellung schwieriger und es müssen größere und damit teurere Kugellager verwendet werden.
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Es stellt sich daher die Aufgabe, einen elektrischen Verdichter zu schaffen, bei dem die Montage und Herstellung im Vergleich zu bekannten Ausführungen erleichtert wird und bei dem kleinere Kugellager zur Reduzierung der Kosten verwendet werden können. Zusätzlich soll ein Austausch des Laufrades ohne erhöhten Aufwand möglich sein, eine sichere Abdichtung zum Schutz des ersten Lagers sowie kurze axiale Baulängen erreicht werden.
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Diese Aufgabe wird durch einen elektrischen Verdichter mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.
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Dadurch, dass die Dichtung eine Gleitringdichtung ist und das Laufrad mit der Gleitringdichtung und dem ersten Lager einen Axialspannverbund bildet, der einerseits gegen die Mutter und andererseits gegen einen Anschlag verspannt ist, der an der Antriebswelle an der zum Laufrad entgegengesetzten axialen Seite des ersten Lagers angeordnet ist, kann in einem Montageschritt sowohl die Fixierung des Laufrades als auch des Lagers und der Gleitringdichtung erfolgen, so dass beide Einheiten direkt gepaart werden und die Funktionalität der Gleitringdichtung sichergestellt wird. Des Weiteren wird die axiale Baulänge minimiert.
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Vorzugsweise weist die Antriebswelle zwischen dem Anschlag und der Frontseite des Laufrades, gegen die die Mutter anliegt, einen im Wesentlichen konstanten Durchmesser auf. Im Wesentlichen bedeutet im vorliegenden Fall, dass der Durchmesser im Bereich des Lagers selbst zur Vereinfachung der Montage etwa 1 bis 2 mm größer ausgeführt wird, so dass die Stufe keine Funktion als Absatz aufweist. Dies ist aufgrund der gemeinsamen axialen Verspannung der Bauteile möglich und führt zu reduzierten Herstellkosten der Antriebswelle. Des Weiteren kann aufgrund des kleineren Wellendurchmessers ein kleineres Kugellager verwendet werden, wodurch ebenfalls die Kosten reduziert werden.
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Es ist besonders vorteilhaft, wenn ein Innenring der Gleitringdichtung und das Laufrad eine Spielpassung zur Antriebswelle aufweisen. Dies erleichtert das Aufschieben der Bauteile bei der Montage, ohne dass geringere Festigkeiten des Laufrades oder des Innenringes der Gleitringdichtung zu befürchten sind. Die Spielpassung wird als enge Spielpassung ausgeführt, um Restunwuchten, die durch lose Passungen entstehen zu vermeiden.
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Vorzugsweise liegt der Innenring der Gleitringdichtung einerseits gegen einen Innenring des als Kugellager ausgeführten ersten Lagers an und andererseits gegen die Rückseite des Laufrades an. Entsprechend wird die axiale Spannkraft über in Flucht liegende Kraftangriffspunkte übertragen, so dass jeweils eine gerade Krafteinleitung erfolgt, was die Festigkeit des Verbundes erhöht.
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In einer Weiterführung der Erfindung liegt ein Außenring des Kugellagers gegen eine Einschnürung einer Öffnung des Lagergehäuses an, durch die die Welle aus dem Motorraum in den Strömungsraum ragt, und an deren gegenüberliegender Seite ein Außenring der Gleitringdichtung anliegt. Das erste Lager dient somit als Festlager der Lagereinheit, wobei die Festlegung der Position des Lagers automatisch bei der Befestigung des Laufrades erfolgt.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Mutter einen Gewindeabschnitt kleineren Innendurchmessers und einen gewindefreien Bundabschnitt größeren Innendurchmessers aufweist, mit dem die Mutter axial gegen die Frontseite des Laufrades anliegt und der radial über eine Spielpassung an der Antriebswelle anliegt, wobei die Antriebswelle einen korrespondierenden Gewindeabschnitt kleineren Durchmessers aufweist, an den sich ein Absatz anschließt, von dem aus sich die Antriebswelle mit dem konstanten Durchmesser bis hinter das Kugellager erstreckt. Dies führt zu einer exakten Zentrierung und axialen Ausrichtung des Laufrades und somit des gesamten Axialspannverbundes.
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Es wird somit ein elektrischer Verdichter für eine Verbrennungskraftmaschine geschaffen, bei dem ohne zusätzlichen Wellenabsatz das Laufrad und die Gleitringdichtung direkt gepaart sind, wodurch das folgende Kugellager kleiner und somit kostengünstiger ausgeführt werden kann und eine minimierte axiale Baulänge erreicht wird. Die Funktionalität der Gleitringdichtung und die Fixierung des Laufrades werden in einem Montageschritt sichergestellt. Dies führt zu einer hohen Reversibilität und geringen Fügekosten.
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Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektrischen Verdichters ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
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1 zeigt eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen elektrischen Verdichters in geschnittener Darstellung.
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2 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts der Ansicht der 1.
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Der erfindungsgemäße elektrische Verdichter besteht aus einem Lagergehäuse 10, an welchem ein Strömungsgehäuse 12 befestigt ist. Das Lagergehäuse 10 weist ein zentrales Motorgehäuseteil 14 auf, in welches ein Stator 16 eines Elektromotors 18 eingepresst ist. Dieser Stator 16 wirkt in bekannter Weise mit einem Rotor 20 zusammen, der fest auf einer Antriebswelle 22 befestigt ist. Die Antriebswelle 22 wird über ein erstes als Kugellager ausgeführtes Lager 24, welches in einer ersten Lageraufnahme 26 angeordnet ist, die zentral am Motorgehäuseteil 14 ausgebildet ist, sowie ein zweites als Kugellager ausgebildetes Lager 28, welches in einer zweiten Lageraufnahme 30 angeordnet ist, die zentral an einem Elektronikgehäuseteil 32 des Lagergehäuses 10 ausgebildet ist, gelagert. Das Motorgehäuseteil 14 und das Elektronikgehäuseteil 32 begrenzen einen Motorraum 34, in dem der Elektromotor 18 aufgenommen wird.
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Auf der Antriebswelle 22 in einem Strömungsraum 36 ist ein Laufrad 38 des elektrischen Verdichters angeordnet, der durch das Strömungsgehäuse 12 und einen ersten sich radial zur Antriebswelle 22 erstreckenden Boden 40 des Motorgehäuseteils 14 begrenzt wird. Das Strömungsgehäuse 12 weist einen Spiralkanal 42 auf, in welchen das über einen am Strömungsgehäuse 12 ausgebildeten Einlass 44 einströmende Gas mittels des Laufrades 38 gefördert wird. Im Spiralkanal 42 wird dieses Gas verdichtet bis es den Strömungsraum 36 beziehungsweise den Spiralkanal 42 über einen ebenfalls am Strömungsgehäuse 12 ausgebildeten, in der dargestellten Ansicht nicht ersichtlichen tangentialen Auslass wieder verlässt.
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Um den Strömungsraum 36 erfindungsgemäß vom Motorraum 34 möglichst gasdicht zu trennen und zu verhindern, dass Gas aus dem Strömungsgehäuse 12 in das Lagergehäuse 10 beziehungsweise den Motorraum 34 an der Rückseite des Laufrades 38 entlang der Antriebswelle 22 strömt, ist in einer zentralen Öffnung 46 am Boden 40 des Motorgehäuses 14, durch die die Antriebswelle 22 aus dem Motorraum 34 in den Strömungsraum 36 ragt, eine Gleitringdichtung 48 angeordnet, die einen Innenring 50 und einen Außenring 52 aufweist, der gegen eine Einschnürung 54 dieser Öffnung 46 axial anliegt. An der zum Motorraum 34 weisenden Seite der Einschnürung 54 erstreckt sich vom Boden 40 ein zylindrischer Vorsprung 56 axial in Richtung des Rotors 20, der die erste Lageraufnahme 26 für das erste Lager 24 bildet.
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Das zweite Lager 28 ist an der zum Rotor 20 entgegengesetzten Seite des Lagergehäuses 10 in einem als zweite Lageraufnahme 30 dienenden zylindrischen Vorsprung 58 angeordnet, der sich axial von einem zweiten Boden 60 des Lagergehäuses 10, der am Elektronikgehäuseteil 32 ausgebildet ist, in den Motorraum 34 erstreckt. Auf der axial zum Motorraum 34 entgegengesetzten Seite dieses Bodens 60 ist ein Elektronikraum 62 ausgebildet, der durch einen Deckel 64 verschlossen wird und in dem eine Platine zur Ansteuerung des Elektromotors 18 angeordnet ist. Zur Kontaktierung der Platine mit Wicklungen 66 des Stators 16 sind im Boden 60 entsprechende Durchstecköffnungen ausgebildet, durch die Wicklungsenden der Statorwicklungen 66 gesteckt werden.
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Vom Boden 40 des Motorgehäuseteils 14 erstreckt sich im radial äußeren Bereich eine erste Umfangswand 70 in Richtung des zweiten Bodens 60 des Elektronikgehäuseteils 32, an deren Innenseite der Stator 16 eingepresst ist. Diese erste Umfangswand 70 ist von einer zweiten Umfangswand 72 des Elektronikgehäuseteils 32 umgeben, wobei das zum Boden 60 des Elektronikgehäuseteils 32 weisende axiale Ende der ersten Umfangswand 70 des Motorgehäuseteils 14 in eine ringförmige Aufnahmeöffnung 74 des Elektronikgehäuseteils 32 ragt, welche zwischen der zweiten Umfangswand 72 und einem radial weiter innen sich vom Boden 60 erstreckenden weiteren ringförmigen Vorsprung 76 angeordnet ist, wodurch das Motorgehäuseteil 14 zum Elektronikgehäuseteil 32 ausgerichtet wird.
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Im radial äußeren Bereich der ersten Umfangswand 70 weist diese eine schraubenförmige Ausnehmung 78 auf, die als Kühlmittelkanal 80 dient. Der Kühlmittelkanal 80 wird axial jeweils durch einen schraubenförmigen Steg 82 und radial durch die zweite Umfangswand 72 begrenzt, so dass eine schraubenförmige Zwangsumströmung des Motorgehäuseteils 14 hergestellt wird.
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Bei der Montage wird nach dem Einbringen des Stators 16 in das Motorgehäuseteil 14 zunächst das erste Lager 24 in die Lageraufnahme 26 eingeschoben. Anschließend werden das zweite Lager 28 und der Rotor 20 auf die Antriebswelle 22 und gegen entsprechende Schultern der Antriebswelle 22 gedrückt. Die Antriebswelle 22 wird daraufhin mit dem Rotor 20 und dem zweiten Lager 28 relativ zum Motorgehäuseteil 14 bewegt, so dass die Antriebswelle 22 in das erste Lager 24 gleitet und durch die zentrale Öffnung 46 aus dem Motorgehäuseteil 14 ragt. Dabei werden beide Innenringe 88 gestützt, um ein Stauchen der Kugeln zu vermeiden. Anschließend wird die Gleitringdichtung 48 in das Motorgehäuseteil 14 und um die Antriebswelle 18 eingeschoben. Der Innenring 50 der Gleitringdichtung 48 weist dabei zur Antriebswelle 22 eine Spielpassung auf. Im Folgenden wird das Elektronikgehäuseteil 32 gegen das Motorgehäuseteil 14 und auf die Antriebswelle 22 beziehungsweise das zweite Lager 28 geschoben.
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Im Folgenden wird das Laufrad 38 auf die Antriebswelle 22 und gegen die Gleitringdichtung 48 geschoben. Auch zwischen einer inneren zentrischen Durchgangsbohrung des Laufrades 38 und der Antriebswelle 22 besteht eine Spielpassung, so dass das Aufschieben ohne erhöhten Kraftaufwand erfolgen kann. Nach dem Aufschieben ragt ein Ende der Antriebswelle 22 aus dem Laufrad 38 heraus. Dieses Ende weist einen Gewindeabschnitt 92 auf, der durch einen Absatz 94 begrenzt wird, von dem aus sich die Antriebswelle 22 mit gleichbleibendem, im Vergleich zum Gewindeabschnitt 92 vergrößerten Durchmesser bis zum Anschlag 86 erstreckt. Auf den Gewindeabschnitt 92 wird eine Mutter 96 geschraubt, welche einen korrespondierenden Gewindeabschnitt 98 sowie einen sich daran anschließenden und zum Laufrad 38 weisenden Bundabschnitt 100 aufweist, dessen Innendurchmesser dem Außendurchmesser der Antriebswelle 22 zwischen dem Gewindeabschnitt 92 und dem Anschlag 86 entspricht. Durch diesen Bundabschnitt 100 wird die Mutter 96 exakt axial ausgerichtet, sobald dieser den Wellenabschnitt jenseits des Gewindeabschnitts 92 umgibt, so dass bei Anlage der Rückseite der Mutter 96 gegen die Frontseite des Laufrads 38 dieses ebenfalls exakt zentrisch positioniert wird. Durch das Festziehen der Mutter 96 wird der Abstand zwischen dem Anschlag 86 der Antriebswelle 22 und der Rückseite der Mutter 96 stetig verringert, was zur Folge hat, dass die auf der Antriebswelle 22 zwischen der Mutter 96 und dem Anschlag 86 angeordneten Bauteile, nämlich das erste Lager 24, die Gleitringdichtung 48 und das Laufrad 38 auf der Antriebswelle 22 fest axial verspannt werden und einen Axialspannverbund bilden, der dafür sorgt, dass der Innenring 88 des Kugellagers 24, der Innenring 50 der Gleitringdichtung 48 und das Laufrad 38 auf der Antriebswelle 22 befestigt sind und sich bei Bestromung des Elektromotors 18 mit der Antriebswelle 22 drehen.
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Zur Vervollständigung wird das Strömungsgehäuse 12 über das Laufrad 38 und gegen das Lagergehäuse 10 geschoben und am Lagergehäuse befestigt.
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Somit wird ein elektrischer Verdichter mit einem Axialspannverbund geschaffen, mit dem in nur einem Montageschritt sowohl eine Fixierung des Lagers als auch der Gleitringdichtung und des Laufrades erreicht wird. Hierzu muss lediglich die Mutter auf das Ende der Antriebswelle gedreht werden, wobei die Mutter eine zur Drehrichtung der Antriebswelle im Betrieb entgegengesetzte Steigung aufweist. Auf zusätzliche Wellenabsätze kann verzichtet werden, so dass auch das Lager aufgrund des verringerten notwendigen Durchmessers kleiner und kostengünstiger ausgeführt werden kann. Des Weiteren wird durch diesen Axialspannverbund die axiale Baulänge auf ein notwendiges Minimum reduziert. Gleichzeitig wird die Funktionalität der Gleitringdichtung sichergestellt. Fügekosten durch thermisches Aufschrumpfen entfallen und es wird ein Austausch von Komponenten ermöglicht. Zusätzlich ist die Antriebswelle einfacher und kostengünstiger herstellbar.
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Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich des Hauptanspruchs nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist. Insbesondere können die Gehäuseteile des Verdichters andere Teilungen aufweisen oder weitere Elemente in den Axialspannverbund aufgenommen werden, solange die axiale Verspannung über einen konstanten Wellendurchmesser sichergestellt wird. Andere konstruktive Änderungen sind ebenfalls denkbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2014/080501 A1 [0004]
- US 2014/0090626 A1 [0005]
