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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer variablen Turbinengeometrie für einen Abgasturbolader sowie eine variable Turbinengeometrie, die mittels dieses Verfahrens hergestellt ist. Die Erfindung betrifft schließlich einen Abgasturbolader mit einer solchen variablen Turbinengeometrie.
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Zur Regelung der Turbinen- oder Verdichterleistung in einem Abgasturbolader kommen oftmals Strömungsmaschinen mit einer sogenannten variablen Turbinen- bzw. Verdichtergeometrien zum Einsatz, welche eine Variation der Zuströmung eines Fluids wie etwa Abgas oder Frischluft zum Laufrad der Strömungsmaschine mittels verstellbarer Leitschaufeln erlauben, die zwischen einer Öffnungsstellung und einer Schließstellung verstellbar sind. Eine solche Verstellbarkeit ermöglicht eine optimale Anpassung der Anströmung des Laufrads mit dem Fluid in Abhängigkeit von der momentan in den Abgasturbolader eintretenden Fluidmenge.
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Zur Verstellung der Leitschaufeln zwischen der Öffnungs- bzw. Schließstellung werden oftmals Stellhebel verwendet, die mit den drehbaren Leitschaufeln direkt oder indirekt gekoppelt sind. Der Schließstellung der Leitschaufeln kann dabei einer ersten vorbestimmten Position der Stelleinrichtung entsprechen, einer Öffnungsstellung der Leitschaufeln eine von der ersten Position verschiedene, zweite Position. Um sicherzustellen, dass die Leitschaufeln mit Hilfe der Stelleinrichtung reproduzierbar und hochgenau in der Schließstellung positioniert werden können, ist es bekannt, für die Stelleinrichtung einen Anschlag vorzusehen, welcher den Stellweg der Stelleinrichtung geeignet einschränkt.
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Vor diesem Hintergrund schlägt die
DE 10 2004 058 719 A1 die Bereitstellung einer Stiftschraube zur Realisierung besagten Anschlags vor.
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Die
WO 2014/081602 A1 verwendet ein direkt in den Verstellring der variablen Turbinengeometrie eingreifendes Element.
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Die variable Turbinengeometrie der
DE 10 2008 053 170 A1 verwendet einen Anschlag, der sich während der Montage plastisch deformiert.
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Schließlich offenbart die
EP 2 247 831 A1 die Verwendung einer exzentrischen Schraube, die an einem in der variablen vorhandenen Leitschaufelhebel anliegt.
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Allen vorangehend genannten, herkömmlichen Anschlägen ist gemeinsam, dass sie in der variablen Turbinengeometrie als bewegbare Bauteile realisiert sind. Dies erhöht den Aufwand bei der Herstellung der variablen Turbinengeometrie und erhöht die Gefahr von verschleißbedingten Fehlfunktionen des Anschlags im Langzeit-Betrieb der variablen Turbinengeometrie.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Herstellungsverfahren für eine variable Turbinengeometrie zu schaffen, bei welcher die vorangehend genannten Probleme nicht mehr oder nur noch in stark eingeschränktem Ausmaß auftreten.
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Diese Aufgaben werden durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Grundgedanke der Erfindung ist demnach, einen der Schließstellung der Leitschaufeln zugeordneten mechanischen Anschlag einer variablen Turbinengeometrie ortsfest, etwa mittels Einpressen, am Leitschaufelträgerring zu montieren und anschließend sowohl die Leitschaufeln als auch die zur Bewegung der Leitschaufeln vorgesehenen Stellhebel relativ zum Anschlag zu justieren. Hierzu wird der dem Anschlag zugeordnete Stellhebel mechanisch am Anschlag zur Anlage gebracht. Über den Stellring werden dabei auch alle verbleibenden Stellhebel in eine Position bewegt, die der Schließstellung der Leitschaufeln zugeordnet sein soll. Schließlich werden die Leitschaufeln – unabhängig von den Stellhebeln – in ihre Schließstellung bewegt und anschließend drehfest an die Leitschaufeln gefügt. In diesem Zustand liegt der oben genannte Stellhebel mechanisch am Anschlag an, und die Leitschaufeln befinden sich in der gewünschten Schließstellung. Eine aufwändige Justierung des Anschlags, wie dies bei den eingangs genannten variablen Turbinengeometrien gemäß dem Stand der Technik erforderlich ist, entfällt bei dem hier vorgestellten Verfahren. Dies bedeutet eine erhebliche Vereinfachung des Herstellungsverfahrens. Die Realisierung des Anschlags als relativ zum Leitschaufelträgerring unbeweglichem Teil führt darüber hinaus zu einer verbesserten Resistenz des Aufbaus gegenüber Verschleiß, insbesondere im Langzeitbetrieb der variablen Turbinengeometrie.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer variablen Turbinengeometrie für einen Abgasturbolader umfasst mehrere Schritte. In einem ersten Schritt a) wird ein Leitschaufelträgerring zur drehverstellbaren Aufnahme einer Mehrzahl von Leitschaufeln bereitgestellt. Im Zuge von Schritt a) wird auch eine solche Mehrzahl von Leitschaufeln jeweils drehverstellbar am Leitschaufelträgerring angebracht. Hierzu kann jede Leitschaufel mit ihrer Welle oder Spindel in eine sich am Leitschaufelträgerring in axialer Richtung erstreckende Durchgangsöffnung eingebracht werden. Dies kann derart erfolgen, dass eine Mittellängsachse der Welle bzw. Spindel, die sich parallel zur axialen Richtung des Leitschaufelträgerrings erstreckt, die Drehachse der Leitschaufel definiert.
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In einem zweiten Schritt b) wird an jeder Leitschaufel ein jeweiliger Stellhebel drehbar relativ zur Leitschaufel angebracht. Hierzu kann die Welle bzw. Spindel der Leitschaufel mit einem axialen Endabschnitt in eine an einem Endabschnitt des Stellhebels vorhandene Durchgangsöffnung eingebracht werden.
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Im Zuge des zweiten Schritts des Verfahrens wird auch ein Verstellring am Leitschaufelträgerring angeordnet, und zwar entlang seiner Umfangsrichtung drehverstellbar relativ zum Leitschaufelträgerring. Besagter Stellring wirkt dabei derart mit den Stellhebeln zusammen, dass die vorhandenen Stellhebel mittels einer Drehbewegung des Verstellrings relativ zum Leitschaufelträgerring drehbar sind. Mit anderen Worten, eine Drehbewegung des Stellrings bewirkt eine Drehbewegung aller Leitschaufeln um ihre Drehachse. Umgekehrt wird eine Drehbewegung von einem der Stellhebel über den Stellring auf alle anderen Stellhebel übertragen. Da die Leitschaufeln zu diesem Zeitpunkt noch nicht drehfest an dem Stellhebel befestigt sind, geht mit der Drehung der Stellhebel noch keine Drehung der Leitschaufeln einher.
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In einem dritten Schritt c) wird wenigstens einer der Stellhebel relativ zum Leitschaufelträgerring in eine Position gedreht, in welcher der wenigstens eine Stellhebel an einem am Leitschaufelträgerring ausgebildeten Anschlag anliegt. Da alle Stellhebel über den Stellring miteinander gekoppelt sind, geht mit einer solchen Ausrichtung des wenigstens einen Stellhebels an besagtem Anschlag eine Drehbewegung aller verbleibenden Stellhebel einher.
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In einem vierten Schritt d) werden alle vorhandenen Leitschaufeln relativ zum Leitschaufelträgerring und relativ zu den Stellhebeln in die bereits erwähnte Schließstellung gedreht. Danach wird jede vorhandene Leitschaufel drehfest an den ihr jeweils zugeordneten Stellhebel gefügt. Dies geschieht mit Hilfe einer stoffschlüssigen Verbindung, vorzugsweise mittels einer Schweißverbindung.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist der wenigstens eine Anschlag als axial von einer Stirnseite des Leitschaufelträgerrings abstehender Vorsprung ausgebildet. Bei dieser Variante wird der Vorsprung in eine komplementär zum Vorsprung ausgebildete, auf der Stirnseite des Leitschaufelträgerrings vorhandene Ausnehmung eingepresst. Auf die Bereitstellung beweglicher Teile, die für den Stellhebel als Anschlag wirken, kann bei dieser Variante verzichtet werden.
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Besonders zweckmäßig erfolgt das Einpressen des wenigstens einen Anschlags in die Ausnehmung nach der Durchführung von Schritt a) und vor der Durchführung von Schritt b). Dies bedeutet, dass der Anschlag unmittelbar vor dem Anordnen des Verstellrings und der Stellhebel am Leitschaufelträgerring auf diesem montiert wird. Dies vereinfacht den Zusammenbau der variablen Turbinengeometrie, wodurch sich Kostenvorteile bei der Fertigung ergeben.
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Als besonders vorteilhaft erweist sich eine weitere bevorzugte Ausführungsform, bei welcher das Verstellen des wenigstens einen Stellhebels in Schritt c) durch Drehen des Verstellrings erfolgt, so dass alle vorhandenen Stellhebel mit gedreht werden. Auf diese Weise werden alle vorhandenen Stellhebel in eine Position gebracht, welche der Schließstellung der Leitschaufeln zugeordnet ist.
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Soll sichergestellt werden, dass die Leitschaufeln bzw. die Stellhebel mittels des Verstellrings auch im Falle einer Beschädigung oder gar Zerstörung des Anschlags präzise in der Schließstellung positioniert werden können, so erweist es sich als vorteilhaft, nicht nur einen einzigen, sondern zwei oder mehr Anschläge am Leitschaufelträgerring vorzusehen.
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Diese wenigstens zwei Anschläge können bezüglich einer Umfangsrichtung des Leitschaufelträgerrings im Abstand zueinander auf diesem angeordnet werden, derart, dass in Schritt c) an jedem vorhandenen Anschlag jeweils ein Stellhebel zur Anlage gebracht wird.
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Mit besonders geringen Fertigungskosten ist eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung verbunden, gemäß welcher genau zwei Anschläge vorgesehen werden. Bei dieser Variante werden beiden Anschläge bezüglich einer Draufsicht auf die Stirnseite des Leitschaufelträgerrings unter einem Winkel von 160° bis 200° zueinander angeordnet. Als besonders bevorzugt mag eine Variante erachtet werden, bei welcher die beiden Anschläge in besagter Draufsicht auf die Stirnseite einander gegenüberliegen.
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In einer dazu alternativen Variante werden genau drei Anschläge vorgesehen. Auf diese Weise kann die auf die einzelnen Anschläge bei mechanischem Kontakt mit den jeweiligen Stellhebeln wirkende mechanische Belastung reduziert werden, da diese, vorzugsweise gleichmäßig, auf die drei Anschläge verteilt wird. Die Gefahr einer Beschädigung oder gar Zerstörung eines Anschlags kann auf diese Weise verringert werden. Bei dieser Variante werden zwei bezüglich der Draufsicht auf die Stirnseite des Leitschaufelträgerrings benachbarte Anschläge jeweils unter einem Winkel von 100° bis 140°, vorzugsweise von 120°, zueinander angeordnet.
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Die Erfindung betrifft ferner eine variable Turbinengeometrie, insbesondere für einen Abgasturbolader, die mittels des vorangehend vorgestellten Verfahrens hergestellt ist.
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Die Erfindung betrifft schließlich einen Abgasturbolader mit einem Turbinengehäuse und/oder einem Lagergehäuse, an welchem die vorangehend genannte eine variable Turbinengeometrie angebracht ist.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
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1 einen der variablen Turbinengeometrie den Leitschaufelträgerring in Blickrichtung einer ersten Stirnseite des Leitschaufelträgerrings,
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2 den Leitschaufelträgerring der 1 in Blickrichtung auf eine der ersten Stirnseite gegenüberliegende, zweite Stirnseite,
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3 die Darstellung der 2 mit auf der zweiten Stirnseite des Leitschaufelträgerrings montierten Anschlägen,
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4 die Darstellung der 3 mit auf der zweiten Stirnseite des Leitschaufelträgerrings montiertem Stellring einschließlich Stellhebeln,
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5 den Leitschaufelträgerring der 4 in Blickrichtung auf dessen erste Stirnseite,
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6 den Leitschaufelträgerring der 5 in Blickrichtung auf dessen zweite Stirnseite nach dem Justieren der Leitschaufeln in ihre Schließstellung.
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Anhand der 1 bis 6 wird im Folgenden die Durchführung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens zur Herstellung einer variablen Turbinengeometrie 1 erläutert.
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In einem ersten Schritt a) des Verfahrens wird ein Leitschaufelträgerring 2 bereitgestellt. Die 1 und 2 zeigen den Leitschaufelträgerring 2 jeweils in einer Draufsicht. Die 1 zeigt eine Ansicht in Richtung einer vorderen Stirnseite 6a, die 2 in Richtung auf eine der ersten Stirnseite 6a gegenüberliegende, zweite Stirnseite 6b. Man erkennt, dass im Leitschaufelträgerring 2 entlang seiner Umfangsrichtung U eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen 3 vorgesehen ist, die sich jeweils in axialer Richtung A des Leitschaufelträgerrings 2 erstrecken. In jeder der Durchgangsöffnungen 3 ist eine Welle 4 einer Leitschaufel 5 drehverstellbar aufgenommen, sodass die Leitschaufeln 5 mittels der Wellen 4 drehverstellbar am Leitschaufelträgerring 2 gelagert werden. Im Beispiel der 1 und 2 sind exemplarisch elf Durchgangsöffnungen 3 und somit elf Leitschaufeln 5 vorhanden. Wie die 1 und 2 erkennen lassen, durchsetzen die Wellen 4 die Durchgangsöffnungen 3, so dass ein axialer Endabschnitt 7 der Wellen 4 axial über die zweite Stirnseite 6b des Leitschaufelträgerrings 2 hinaus vorsteht.
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Wie die 3 anschaulich belegt, werden im Zuge des hier beschriebenen Herstellungsverfahrens zwei Vorsprünge 10 in zwei komplementär zu diesen Vorsprüngen 10 ausgebildete Ausnehmungen 11 in die zweite Stirnseite 6b des Leitschaufelträgerrings 2 eingepresst. Folglich stehen von der zweiten Stirnseite 6b in axialer Richtung A des Leitschaufelträgerrings 2 zwei Vorsprünge 10 ab. In Varianten des Beispiels kann die Anzahl an vorhandenen Vorsprünge 10 variieren. Diese bilden Anschläge 12 für die Leitschaufeln 5 aus Die beiden in 3 gezeigten Anschläge 12 können bezüglich einer Draufsicht auf die zweite Stirnseite 6b des Leitschaufelträgerrings 2 unter einem Winkel von 160° bis 200° zueinander angeordnet werden. Besonders bevorzugt beträgt besagter Winkel 180° (nicht gezeigt), d. h. die beiden Vorsprünge 10 bzw. Anschläge 12 liegen einander in der Draufsicht auf die Stirnseite 6b gegenüber. In einer im Beispielszenario nicht gezeigten Variante können genau drei Anschläge 12 vorgesehen werden, wobei dann zwei bezüglich der Draufsicht auf die zweite Stirnseite 6b benachbarte Anschläge 12 jeweils unter einem Winkel von 100° bis 140° zueinander angeordnet werden. Besonders bevorzugt beträgt dieser Winkel 120°.
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Das Einpressen der beiden Anschläge 12 erfolgt vorzugsweise nach der Durchführung von Schritt a) und vor der Durchführung von Schritt b), welcher im Folgenden genauer erläutert wird: Entsprechend 4 wird in einem zweiten Schritt b) des Verfahrens an jeder Leitschaufel 5 ein jeweiliger Stellhebels 8 angebracht, und zwar zunächst drehbar relativ zur jeweiligen Leitschaufel 5. Die Stellhebel 8 werden im Zuge der Anbringung eines Verstellrings 9, der auf der zweiten Stirnseite 6b des Leitschaufelträgerrings 2 montiert wird, ebenfalls drehbar am Leitschaufelträgerring 2 gelagert. Der Verstellring 9 dient dazu, durch eine Drehbewegung relativ zum Leitschaufelträgerring 2 alle Stellhebel 8 gleichzeitig zu verstellen.
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In einem weiteren Schritt c) werden zwei der insgesamt elf Stellhebels 8 – diese sind in 4 zusätzlich mit dem Bezugszeichen 8* bezeichnet – relativ zum Leitschaufelträgerring 2 in eine Position bewegt, in welcher sie an den am Leitschaufelträgerring 2 ausgebildeten und als Anschlag 12 wirkenden Vorsprüngen 10 anliegen. Diese Position der Stellhebel 8* entspricht einer Schließstellung der Leitschaufeln 5. Das Verstellen der beiden Stellhebels 8* erfolgt derart, dass über den Verstellring 9 alle verbleibenden Stellhebel 8 mit verstellt werden. Somit befinden sich alle Stellhebel 8, 8* in einer Position, die einer Schließstellung der Leitschaufeln 5 entspricht.
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Da die Leitschaufeln 5 momentan noch relativ zu den Stellhebeln 8, 8* drehbar sind, werden sie in Schritt d) des Verfahrens relativ zum Leitschaufelträgerring 2 und auch zu den Stellhebeln 8 – einschließlich der Stellhebel 8* – in eine Schließstellung gedreht.
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Dieses Szenario ist in 5 exemplarisch für drei Leitschaufeln 5 mittels eines jeweiligen Pfeils 13 angedeutet, der eine Drehbewegung der jeweiligen Leitschaufel 5 relativ zum Stellhebel 8 in ihre Schließstellung andeuten soll. Die Stellhebel 8, 8* werden dabei nicht bewegt, d. h. die beiden Stellhebel 8* bleiben in Kontakt mit den Anschlägen 12. Alternativ dazu können alle Leitschaufeln 5 mittels des Verstellrings 9 so lange gedreht werden, bis wenigstens einer der beiden Stellhebel 8* den jeweiligen Anschlag 12 berührt.
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Danach kann jede Leitschaufel 5 – ebenfalls im Zuge von Schritt d) – drehfest an den ihr jeweils zugeordneten Stellhebel 8 gefügt werden. Dies kann etwa mittels einer stoffschlüssigen Verbindung 14 zwischen der Welle 4 der Leitschaufel 5 und dem Stellhebel 8 geschehen, wie sie in 6 exemplarisch mittels der mit dem Bezugszeichen 14 bezeichneten Pfeile angedeutet ist. Besonders bevorzugt kommt für die stoffschlüssige Verbindung eine Schweißverbindung in Betracht.
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Die vorangehend vorgestellte variable Turbinengeometrie 1 kann nun an einem Turbinengehäuse oder einem Lagergehäuse eines Kraftfahrzeugs montiert werden (nicht gezeigt).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004058719 A1 [0004]
- WO 2014/081602 A1 [0005]
- DE 102008053170 A1 [0006]
- EP 2247831 A1 [0007]
