DE102015216319A1 - Turbocharger rotor for an exhaust gas turbocharger and turbocharger - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Turboladerläufer (10) für einen eine Abgasturbine (71) und einen Frischluftverdichter (72 aufweisenden Abgasturbolader sowie einen Abgasturbolader (70) mit einem solchen Turboladerläufer (10). Der Turboladerläufer (10) weist dabei zumindest eine Läuferwelle (30) mit einem turbinenseitigen Wellenende (31) und einem verdichterseitigen Wellenende (32), ein mit dem turbinenseitigen Wellenende (31) drehfest verbundenes Turbinenlaufrad (50) und ein mit dem verdichterseitigen Wellenende (32) drehfest verbundenes Verdichterlaufrad (20) auf. Der Turboladerläufer 10 ist dabei dadurch gekennzeichnet, dass die drehfeste Verbindung des Verdichterlaufrads (20) mit dem verdichterseitigen Wellenende (32) eine in einem Reib-Rühr-Schweißverfahren hergestellte Schweißverbindung (65) aufweist. Diese Anordnung hat die Vorteile, dass eine gegen Lösen gesicherte Verbindung zwischen Verdichterlaufrad und Läuferwelle hergestellt ist, wodurch ein Durchrutschen des Verdichterlaufrades zuverlässig verhindert wirdThe invention relates to a turbocharger rotor (10) for an exhaust gas turbocharger having an exhaust gas turbocharger (71) and an exhaust gas turbocharger (70) with such a turbocharger rotor (10), wherein the turbocharger rotor (10) has at least one rotor shaft (30) a turbine-side shaft end (31) and a compressor-side shaft end (32), a turbine runner (50) connected non-rotatably to the turbine-side shaft end (31) and a compressor runner (20) connected in a rotationally fixed manner to the compressor-side shaft end (32) characterized in that the non-rotatable connection of the compressor impeller (20) to the compressor-side shaft end (32) comprises a weld joint (65) made in a friction-stir welding process.This arrangement has the advantages of providing a positive-lock connection between the compressor impeller and the rotor shaft is made, whereby a slippage of the compaction terlaufrades is reliably prevented
Description
Die Erfindung betrifft einen Turboladerläufer und einen Abgasturbolader mit einem solchen Turboladerläufer, wobei der Turboladerläufer zumindest eine Läuferwelle, ein mit dem turbinenseitigen Wellenende drehfest verbundenes Turbinenlaufrad und ein mit dem verdichterseitigen Wellenende drehfest verbundenes Verdichterlaufrad aufweist. The invention relates to a turbocharger rotor and an exhaust gas turbocharger with such a turbocharger rotor, wherein the turbocharger rotor has at least one rotor shaft, a turbine wheel rotatably connected to the turbine end and a compressor rotor rotatably connected to the compressor side shaft end.
Abgasturbolader mit entsprechenden Turboladerläufern 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, die im Abgasstrom enthaltene Energie zu nutzen um 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. Exhaust gas turbochargers with corresponding turbocharger rotors are increasingly used to increase performance in automotive internal combustion engines. This happens more frequently with the aim to reduce and the combustion engine with the same or even increased performance in size and weight at the same time the consumption and thus in this respect to reduce in view of increasingly stringent legal requirements, the CO 2 emissions. The operating principle is to use the energy contained in the exhaust gas flow to increase the pressure in the intake tract of the engine and thus to better fill the combustion chamber with air-oxygen and thus implement more fuel, gasoline or diesel, per combustion process, so to increase the performance of the internal combustion engine.
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 sind drehfest an den gegenüberliegenden Enden einer Läuferwelle befestigt und bilden so den Turboladerläufer, der mit seiner Läuferwelle in einer zwischen Turbine und Verdichter angeordneten Lagereinheit drehgelagert ist. 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. An exhaust gas turbocharger has for this purpose a turbine arranged in the exhaust gas line of the internal combustion engine with a turbine runner driven by the exhaust gas flow and a compressor arranged in the intake tract with a compressor runner building up the pressure. Turbine rotor and compressor impeller are rotatably secured to the opposite ends of a rotor shaft and thus form the turbocharger rotor, which is rotatably mounted with its rotor shaft in a bearing assembly arranged between the turbine and compressor. Thus, with the aid of the exhaust gas mass flow, the turbine wheel and the rotor shaft in turn driven the compressor and the exhaust gas energy used to build up pressure in the intake.
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. For example, an exhaust gas turbocharger has for this purpose a turbine arranged in the exhaust gas line of the internal combustion engine with a turbine runner driven by the exhaust gas flow and a compressor arranged in the intake tract with a compressor runner building up the pressure. Turbine wheel and compressor wheel each have a matched to the application blading and are rotatably secured to the opposite ends of a common rotor shaft with which they form the so-called turbocharger rotor. The turbocharger rotor is mounted with its rotor shaft radially and axially rotatably in a bearing unit arranged between the turbine and the compressor. Thus, with the aid of the exhaust gas mass flow, the turbine wheel and the rotor shaft in turn driven the compressor and the exhaust gas energy used to build up pressure in the intake.
Die konstruktive Gestaltung eines konventionellen Abgasturboladers erfordert in der Regel einen mehrteiligen Aufbau des Turboladerläufers, wie in
Die daraus resultierenden Anforderungen erfordern den Einsatz ausgewählter Materialien sowie eine robuste Lagerung des Turboladerläufers
Die Lagerung der zumeist aus einem Stahlwerkstoff bestehenden Läuferwelle
Ein solcher Aufbau des Turboladerläufers ist beispielsweise auch aus dem Dokument
Dokument
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde einen Turboladerläufer sowie einen Abgasturbolader mit erhöhter Betriebssicherheit und Lebensdauer zur Verfügung zu stellen. The invention is therefore based on the object to provide a turbocharger rotor and an exhaust gas turbocharger with increased reliability and durability available.
Die der Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben werden mit den Merkmalen des Erfindungsgegenstandes gemäß dem Hauptanspruch bezüglich eines Turboladerläufers und den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs bezüglich des Abgasturboladers gelöst. Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung dar. The objects underlying the invention are achieved with the features of the subject invention according to the main claim with respect to a turbocharger rotor and the features of the independent claim with respect to the exhaust gas turbocharger. The dependent claims represent advantageous embodiments and modifications of the invention.
Dem gemäß wird ein Turboladerläufer vorgeschlagen, für einen eine Abgasturbine und einen Frischluftverdichter aufweisenden Abgasturbolader, wobei der Turboladerläufer zumindest eine Läuferwelle mit einem turbinenseitigen Wellenende und einem verdichterseitigen Wellenende, ein mit dem turbinenseitigen Wellenende drehfest verbundenes Turbinenlaufrad und ein mit dem verdichterseitigen Wellenende drehfest verbundenes Verdichterlaufrad aufweist. Der Turboladerläufer ist dadurch gekennzeichnet, dass die drehfeste Verbindung des Verdichterlaufrads mit dem verdichterseitigen Wellenende eine in einem Reib-Rühr-Schweißverfahren hergestellte Schweißverbindung aufweist. Accordingly, a turbocharger rotor is proposed for a turbocharger having an exhaust gas turbine and a fresh air compressor, wherein the turbocharger rotor has at least one rotor shaft with a turbine end shaft end and a compressor side shaft end, a turbine wheel rotatably connected to the turbine end and a compressor impeller rotatably connected to the compressor end shaft end , The turbocharger rotor is characterized in that the rotationally fixed connection of the compressor impeller to the compressor-side shaft end has a welded connection produced in a friction-stir welding process.
Der erfindungsgemäße Abgasturbolader für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs mit einer Abgasturbine einem Frischluftverdichter und einem dazwischen angeordneten Lagergehäuse ist dadurch gekennzeichnet, dass er einen erfindungsgemäßen Turboladerläufer aufweist. The exhaust gas turbocharger according to the invention for an internal combustion engine of a motor vehicle with an exhaust gas turbine a fresh air compressor and a bearing housing arranged therebetween is characterized in that it has a turbocharger rotor according to the invention.
Die erfindungsgemäße Ausführung des Turboladerläufers und des Abgasturboladers hat den Vorteil, dass eine gegen Lösen gesicherte Verbindung zwischen Verdichterlaufrad und Läuferwelle hergestellt ist, wodurch ein Durchrutschen des Verdichterlaufrades sowie gegebenenfalls zusätzlicher Funktionsteile wie zum Beispiel Dichtungsbuchse, Axiallagerscheibe, Axiallager-Begrenzungsscheibe und Ölabweisscheibe zusammen mit dem Verdichterlaufrad zuverlässig verhindert wird. Die gesicherte Verbindung zwischen Verdichterlaufrad und Läuferwelle ist unabhängig vom Werkstoff aus dem Verdichterlaufrad und Läuferwelle hergestellt ist, da sich durch das Reib-Rühr-Schweißverfahren auch unterschiedliche Werkstoffe zuverlässig und dauerhaft stoffschlüssig verbinden lassen. The inventive design of the turbocharger rotor and the exhaust gas turbocharger has the advantage that a secured against loosening connection between the compressor impeller and rotor shaft is made, whereby slipping of the compressor impeller and optionally additional functional parts such as sealing bush, thrust washer, thrust bearing boundary plate and Ölabweisscheibe together with the compressor impeller reliably prevented. The secure connection between the compressor impeller and rotor shaft is made regardless of the material from the compressor impeller and rotor shaft, as can be connected by the friction-stir welding process and different materials reliably and permanently cohesively.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen offenbart. Advantageous embodiments of the invention are disclosed in the subclaims.
Ausführungsbeispiele und Weiterbildungen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Figuren in der Zeichnung näher erläutert. Embodiments and developments of the invention will be explained in more detail below with reference to the figures in the drawing.
Es zeigen: Show it:
Funktions- und Benennungsgleiche Teile sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Function and designation same parts are provided in the figures with the same reference numerals.
In
Das Verdichterlaufrad
Weitere Funktionskomponenten sind zwischen dem Turbinenlaufrad
Die in
Die Läuferwelle
Die im verdichterseitigen Wellenende
Bei der Herstellung bzw. Montage eines Turboladerläufers der zuvor genannten Ausführung ergeben sich zwei unterschiedliche Varianten des Montageverfahrens:
- 1.)
Der Gewindeeinsatz 27 wird mittels Reib-Rühr-Schweißverfahrens vor der eigentlichen Montage des Turboladerläufersmit dem Verdichterlaufrad 20 verschweißt.Das Verdichterlaufrad 20 wird dann wie eine Wellenmutter, mit einem vorbestimmten Anzugsmoment, aufgeschraubt und erzeugt dadurch die Vorspannung im Wellenverband. Zu diesem Zweckkann das Verdichterlaufrad 22 Merkmale, zum Beispiel eine Schlüsselweite SW aufweisen (siehe3 , rechte Darstellung), die geeignet sind ein Festschraubmoment mit einem korrespondierenden Werkzeug auf das Verdichterlaufrad zu Übertragen. Dadurch werden die sich zwischen einer Wellenschulter34 und der Laufradnabe22 angeordneten weiteren Funktionsteile, wie z. Bsp.Dichtungsbuchse 45 ,Axiallagerscheibe 46 und Axiallager-Begrenzungsscheibe 47 zwischen Laufradnabe 22 und Wellenschulter34 eingespannt - 2.)
Der Gewindeeinsatz 27 wird erst nach dem Aufschieben des Verdichterlaufrades20 auf das Außengewinde38 des verdichterseitigen Wellenendes32 geschraubt und mit einem entsprechenden Anzugsmoment festgezogen,wodurch das Verdichterlaufrad 20 zusammen mit den weiteren Funktionskomponenten, z.B. Dichtungsbuchse 45 ,Axiallagerscheibe 46 und Axiallager-Begrenzungsscheibe 47 gegen dieWellenschulter 34 eingespannt werden. Zu diesem Zweck kann der Gewindeeinsatz27 Merkmale, zum Beispiel Bohrungen28a inder Gewindeeinsatzstirnfläche 28 , aufweisen (siehe3 , linke Darstellung), die geeignet sind ein Festschraubmoment mit einem korrespondierenden Werkzeug aufden Gewindeeinsatz 27 zu übertragen. Nach dem Festziehen des Gewindeeinsatzes27 wird dieser dann mittels einer im Reib-Rühr-Schweißverfahren hergestellte Schweißverbindung 65 in der oben beschriebenen Artmit dem Verdichterlaufrad 20 verbunden.
- 1.) The
thread insert 27 is done by means of friction-stir welding process before the actual assembly of the turbocharger rotor with thecompressor impeller 20 welded. Thecompressor impeller 20 is then screwed like a shaft nut, with a predetermined torque, thereby creating the bias in the wave structure. For this purpose, thecompressor impeller 22 Features, for example, have a key width SW (see3 , right-hand illustration), which are suitable for transmitting a screwing torque with a corresponding tool to the compressor impeller. This will be between awave shoulder 34 and theimpeller hub 22 arranged further functional parts, such. Ex. Sealingbush 45 ,Thrust washer 46 and thrust bearing limitingdisc 47 betweenimpeller hub 22 andwave shoulder 34 clamped - 2.) The
thread insert 27 is only after pushing thecompressor impeller 20 on the external thread38 the compressorside shaft end 32 screwed and tightened with a corresponding torque, causing thecompressor impeller 20 together with the other functional components, eg.B. Sealing bush 45 ,Thrust washer 46 and thrust bearing limitingdisc 47 against thewave shoulder 34 be clamped. For this purpose, the threadedinsert 27 Features, for example holes28a in the threadedinsert face 28 , (see3 , left illustration), which are suitable a Festschraubmoment with a corresponding tool on the threadedinsert 27 transferred to. After tightening the threadedinsert 27 this is then by means of a welded joint produced in the frictionstir welding process 65 in the manner described above with thecompressor impeller 20 connected.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Verbindung des Verdichterlaufrads
In einer weiteren Ausführung bzw. in Weiterbildung des erfindungsgemäßen Turboladerläufer
In Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform ist der Turboladerläufer
Das in
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. 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. The advantage of this method is mainly that different materials are virtually connected in a hot forming process, with no special seam preparation is required and no additional materials are needed. Furthermore, the process is carried out in temperature ranges below the melting temperature of the material to be joined, whereby unfavorable material structure changes and residual stresses in the connection region are largely avoidable.
Die Drehfeste Verbindung zwischen dem verdichterseitigen Wellenende
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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