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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors einer Ladeeinrichtung, insbesondere eines Abgasturboladers, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein nach diesem Verfahren hergestellten Rotor sowie einen Abgasturbolader mit einem solchen Rotor.
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Aus der
DE 10 2012 218 692 B4 ist ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Rotors einer Ladeeinrichtung bekannt, bei welchem zumindest ein, eine axiale Durchgangsöffnung aufweisendes Laufrad auf eine Welle aufgefädelt bzw. aufgesteckt wird. Dieses Laufrad wird anschließend mittels einer mit einem Außengewinde der Welle verschraubbaren Wellenmutter fixiert. Die Wellenmutter selbst besitzt dabei in Axialrichtung zwei Abschnitte, von denen einer in eine Mittelbohrung des Laufrades eingesetzt ist und der andere in Axialrichtung außerhalb der Mittelbohrung des Laufrades verbleibt, wobei der außerhalb der Mittelbohrung des Laufrades angeordnete Abschnitt der Wellenmutter einen zylinderförmigen Außenmantel aufweist und wobei die Außenmantelform des in die Mittelbohrung des Laufrades eingesetzten Abschnittes der Wellenmutter der Außenmantelform einer Sechskantmutter entspricht. Hierdurch soll insbesondere eine formschlüssige Verbindung zwischen der Welle und dem auf ihr aufgesteckten Laufrad verbessert werden können.
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Üblicherweise werden Laufräder von Rotoren von Ladeeinrichtungen mittels einer Wellenmutter gesichert, wobei eine derartige Wellenmutter aufgrund ihres beispielsweise sechskantförmigen Außenprofils ein aerodynamisch schlechtes Strömungsprofil darstellt. Hierdurch kann es zu Strömungsablösungen kommen, die vor dem eigentlichen Verdichtereintritt, die Leistung und den Massendurchsatz reduzieren. Aus diesem Grund sind bereits sogenannte Spinner bekannt, die einen Nasenkonus darstellen und dafür sorgen, dass der Luftstrom ungehindert in die Beschaufelung des Laufrades eintreten kann.
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Derartige Spinner ermöglichen zwar eine strömungsoptimierte Spitze, weisen jedoch oftmals zwei Wuchtflächen auf, die zum Auswuchten des Rotors benötigt werden, die allerdings eine unebene Strömungsfläche mit Kanten darstellt. Darüber hinaus sind die bekannten Spinner oftmals lediglich aufwändig zu montieren und müssen darüber hinaus separat gewuchtet werden.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem für ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors einer Ladeeinrichtung der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile vermeidet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, entweder bei einem Rotor einer Ladeeinrichtung zunächst das Laufrad wie gehabt über eine Wellenmutter zu fixieren und diese Kombination aus Welle, Wellenmutter und Laufrad zu wuchten, um anschließend eine als Spinner ausgebildete Abschlusskappe darauf zu fixieren oder eine Unwucht eines Rotors mit Welle, Laufrad und Wellenmutter zu bestimmen und dann eine als Spinner ausgebildete und diese Unwucht ausgleichende Abschlusskappe auf der Welle zu fixieren. Hierdurch ist es mit dem ersten Herstellungsverfahren möglich, den Rotor in bekannter Weise einfach durch ein Festziehen der Wellenmutter gegen das Laufrad zu montieren und anschließend auszuwuchten, wobei dann abschließend die als Spinner ausgebildete Abschlusskappe aufgebracht wird. Hierdurch sind insbesondere die bislang in diesem Bereich erforderlichen Wuchtmarken nicht mehr erforderlich, wodurch die in diesem Bereich auftretenden Strömungsunterbrechungen vermieden werden können. In ähnlicher Weise funktioniert auch das zweite, alternative erfindungsgemäße Herstellungsverfahren, bei welchem zunächst das Laufrad ebenfalls in konventioneller Weise mit einer Wellenmutter auf der Welle fixiert wird. Die ermittelte Unwucht wird nun jedoch durch eine entsprechende Unwucht des Spinners ausgeglichen, so dass auch bei diesem Herstellungsverfahren keine separaten Wuchtmarken mehr vorhanden sind, die zu einer unerwünschten Strömungsunterbrechung führen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können somit die Leistungsfähigkeit und auch der Wirkungsgrad einer Ladeeinrichtung, insbesondere eines Abgasturboladers, verbessert werden, wobei gleichzeitig eine gezielte Schwerpunktbeeinflussung des Rotors möglich ist. Durch den als Abschlusskappe ausgebildeten Spinner erfolgt zudem eine Zentrierung des Rotors in der Strömung und darüber eine Stabilisierung desselben. Je nach Ausgestaltung des Spinners bzw. der Abschlusskappe kann diese auch einen Hohlraum aufweisen, in dem beispielsweise Sensoren, wie insbesondere ein Drehzahl- oder Drucksensor, bzw. Bauteile von Signalgebern untergebracht werden können.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung wird die als Spinner ausgebildete Abschlusskappe mit der Wellenmutter und/oder mit dem Verdichterrad verbördelt, verschraubt, verklebt, verclipst oder verlötet. Bereits diese nicht abschließende Aufzählung lässt erahnen, welch mannigfaltige Verbindungs- bzw. Fixierungsmöglichkeiten der Abschlusskappe auf der Welle bzw. der Wellenmutter möglich sind. Als besonders hervorzuheben in diesem Zusammenhang gilt die Clipsverbindung, welche insbesondere ohne spezielle Werkzeuge und ohne zusätzlichen Wärmeeintrag bzw. ohne zusätzliche Klebstoffe erfolgen kann. Alternativ ist selbstverständlich auch denkbar, dass die Abschlusskappe mit der Wellenmutter und/oder mit dem Verdichterrad thermisch gefügt wird, das heißt beispielsweise über einen Schrumpfsitz auf der Welle bzw. der Wellenmutter fixiert wird.
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Unabhängig von dem gewählten Fixierverfahren ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des Rotors einer Ladeeinrichtung die Möglichkeit, generell das Laufrad, insbesondere ein Verdichterrad, aber auch ein Turbinenrad, in konventionell einfacher Weise mittels einer Wellenmutter auf der Welle zu fixieren und anschließend dessen Unwucht zu bestimmen, wobei dann gemäß dem ersten alternativen Verfahren diese Unwucht mittels entsprechender Ausgleichgewichte kompensiert und anschließend eine insbesondere ausgewuchtete Abschlusskappe aufgesteckt wird, oder gemäß dem zweiten alternativen erfindungsgemäßen Verfahren nach dem Bestimmen der Unwucht diese durch eine entsprechende Gegenunwucht aufweisende Abschlusskappe kompensiert wird.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, einen Rotor einer Ladeeinrichtung, insbesondere einen Rotor eines Abgasturboladers, mit dem zuvor beschriebenen Verfahren herzustellen und dadurch einen strömungsoptimierten Rotor zu schaffen, dessen Herstellung zudem vergleichsweise einfach möglich ist. Besonders die bei dem erfindungsgemäßen Rotor nicht mehr vorhandenen Wuchtmarken, die unter Umständen für einen Strömungsabriss bzw. ein Strömungshindernis verantwortlich sind, können eine besonders glatte Überströmung der Wellennase und ein besonders glatter Übergang der Strömung in die Schaufeln des Laufrades, insbesondere des Verdichterrades, erreicht werden.
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Zweckmäßig wird die als Spinner ausgebildete Abschlusskappe mit der Wellenmutter und/oder mit dem Verdichterrad verbördelt, verschraubt, verklebt, verlötet oder alternativ thermisch gefügt. Sämtliche aufgezählten Verbindungsmethoden stellen dabei einerseits eine zuverlässige Fixierung der Abschlusskappe auf der Welle dar, wobei insbesondere ein Verschrauben bzw. ein Verclipsen auch eine lösbare Befestigung der Abschlusskappe darstellt, was insbesondere im Wartungsfall zu geringeren Wartungskosten führt.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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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.
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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 Bauteile beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch,
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1 einen erfindungsgemäßen Rotor einer Ladeeinrichtung,
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2 eine Schnittdarstellung durch den Rotor im Bereich einer Abschlusskappe,
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3, 4 Darstellungen wie in 2, jedoch bei anders ausgeführten Abschlusskappen,
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5 eine Quer- und Längsschnittdarstellung durch eine mögliche Ausführungsform einer als Spinner ausgebildeten Abschlusskappe,
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6 eine Verbindung einer Abschlusskappe mittels einer Verbördelung oder einer Verclipsung.
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Entsprechend den 1 bis 4 und 6, weist ein erfindungsgemäßer Rotor 1 einer im Übrigen nicht dargestellten Ladeeinrichtung 2, insbesondere eines Abgasturboladers 3, ein, eine axiale Durchgangsöffnung 4 aufweisendes Laufrad 5 auf, welches über seine Durchgangsöffnung 4 auf eine Welle 6 aufgesteckt bzw. aufgefädelt wird. Zur Fixierung des Laufrades 5 auf der Welle 6 ist eine Wellenmutter 7 vorgesehen (vergleiche 2 bis 4 und 6), welche mit einem Innengewinde auf ein korrespondierendes Außengewinde der Welle 6 aufgeschraubt ist. Erfindungsgemäß ist zur Strömungsoptimierung eine als Spinner 8 ausgebildete Abschlusskappe 9 vorgesehen, welche stufenlos und/oder zumindest nahezu spaltfrei in das Laufrad 5 oder die Wellenmutter 7 übergeht. Das Laufrad 5 selbst kann dabei als Verdichterrad oder als Turbinenrad ausgebildet sein.
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Erfindungsgemäß wird nun der Rotor 1 wie folgt hergestellt:
Zunächst wird das Laufrad 5 mit seiner Durchgangsöffnung 4 auf die Welle 6 aufgeschoben und anschließend mit der Wellenmutter 7 verschraubt. Bei der Wellenmutter 7 kann es sich dabei um eine konventionelle Wellenmutter 7, beispielsweise eine Sechskantschraube, handeln. Anschließend teilt sich das erfindungsgemäße Verfahren in zwei alternative, aber gleichwertige Verfahrenszweige. Im ersten Verfahrenszweig wird der Rotor 1 mit dem zumindest einen darauf fixierten Laufrad 5 gewuchtet (Betriebsauswuchten), wobei zum Ausgleichen der Unwucht beispielsweise die Wellenmutter 7 oder ein Opferrand der Laufradnase 10 bearbeitet werden kann. Anschließend erfolgt das Aufbringen der als Spinner 8 ausgebildeten Abschlusskappe 9, welche selbst bereits ausgewuchtet ist bzw. keiner Auswuchtung bedarf. Alternativ ist gemäß dem zweiten Verfahrenszweig denkbar, dass zunächst eine Unwucht des Rotors 1 mit Welle 6, Laufrad 5 und Wellenmutter 7 bestimmt und anschließend eine als Spinner 8 ausgebildete und diese Unwucht ausgleichende Abschlusskappe 9 auf der Wellenmutter 7 fixiert wird. Beiden alternativen erfindungsgemäßen Verfahren ist dabei jedoch gemein, dass eine Montage des Laufrades 5 mit einer herkömmlichen einfachen Wellenmutter 7 erfolgen kann und durch das Aufbringen der Abschlusskappe 9 ein stufenloser und/oder zumindest nahezu spaltfreier Übergang von der Abschlusskappe 9 zum Laufrad 5 bzw. zur Wellenmutter 7 geschaffen werden kann. Hierdurch kann nicht nur die Fertigung bzw. Herstellung des Rotors 1 vereinfacht werden, sondern zudem ist es auch möglich, den Rotor 1 insgesamt strömungsoptimiert auszubilden, was sich indirekt auf die Leistung und den Wirkungsgrad der Ladeeinrichtung 2 positiv auswirkt.
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Eine Verbindung der Abschlusskappe 9 mit der Wellenmutter 7 und/oder mit dem Laufrad 5 kann beispielsweise mittels einer Verschraubung 11 (vergleiche 2), einer Verbördelung 13 (vergleiche 6) bzw. Verclipsung 12 (vergleiche 3 und 6) oder einer Verklebung bzw. einem Verlöten erreicht werden. Alternativ hierzu ist selbstverständlich auch denkbar, dass die Abschlusskappe 9 erhitzt und dann über einen thermischen Fügesitz auf der Wellenmutter 7 bzw. der Welle 6 fixiert wird.
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Betrachtet man die Schnittdarstellungen durch den Rotor 1 gemäß den 2 bis 4, so kann man erkennen, dass eine Innenkontur der Abschlusskappe 9 zumindest bereichsweise komplementär zu einer Außenkontur der Wellenmutter 7 ausgebildet ist. Dabei kann eine Verbindung zwischen der Abschlusskappe 9 und der Welle 6 bzw. der Wellenmutter 7 sowohl über radiale Flächen A, über schräge Flächen C und/oder über axiale Flächen B erfolgen. Betrachtet man beispielsweise die Verbindung der Abschlusskappe 9 mit der Wellenmutter 7 über eine Verbördelung 13 bzw. eine Verclipsung 12 (vergleiche die 6), so kann man erkennen, dass in der Wellenmutter 7 eine zugehörige Rastkontur 14 für die Verclipsung 12 bzw. eine zugehörige Bördelnut 15 vorgesehen ist. Bei der Herstellung der Verbördelung 13 wird ein Bördelbund 16 formschlüssig in die Bördelnut 15 der Wellenmutter 7 bzw. der Laufradnase 10 verformt.
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Betrachtet man darüber hinaus beispielsweise den Rotor 1 gemäß der 3, so kann man erkennen, dass unter der als Spinner 8 ausgebildeten Abschlusskappe 9 ein Aufnahmeraum 17 verbleibt, in welchem beispielsweise Sensoren, insbesondere Drehzahl- oder Drucksensoren bzw. Bauteile von Signalgebern untergebracht werden können.
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Ein mit einem derartigen Rotor 1 ausgestatteter Abgasturbolader 3 bietet dabei die Vorteile einer verbesserten Anströmung, insbesondere ohne Spalte bzw. den Strömungsfluss negativ beeinträchtigenden Strömungshindernisse, wodurch der Wirkungsgrad des Abgasturboladers 3 verbessert werden kann. Darüber hinaus kann auch eine gezielte Schwerpunktbeeinflussung des Rotors 1 (Rotordynamik) ermöglicht werden, ebenso wie ein gezielter Unwuchtausgleich des Rotors 1. Durch die Zentrierung des Rotors 1 in der Strömung mittels der erfindungsgemäßen Abschlusskappe 9 kann auch eine Stabilisierung des Rotors 1 erreicht werden.
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Bei Nutzfahrzeugen wird der gesamte Rotor 1 normalerweise gar nicht betriebsausgewuchtet, da in diesem Fall lediglich die Einzelteile, das heißt die Welle 6 das Laufrad 5, ggf. die Wellenmutter 7 bzw. ggf. die Abschlusskappe 9 separat gewuchtet werden. In diesem Fall könnte man hier noch gezielter die Unwucht beeinflussen. Ohne Betriebsauswuchtung des gesamten zusammengebauten Rotors ist die Notwendigkeit gegeben, die Einzelteile individuell sehr genau auszuwuchten. Nachträglich gibt es keine Möglichkeit mehr, das Gesamtsystem zu beeinflussen. Mit den erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, eine Unwuchttoleranz der Einzelteile aufzuweichen und anschließend positiv zu beeinflussen bzw. eine Gesamtunwucht positiv zu beeinflussen, ohne ein Betriebsauswuchten für Nutzfahrzeuge durchführen bzw. einführen zu müssen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012218692 B4 [0002]
