DE102015219374A1

DE102015219374A1 - Verfahren zum Einbringen einer Wuchtmarke in das Verdichterrad eines Abgasturboladers und Abgasturbolader mit einem eine Wuchtmarke aufweisenden Verdichterrad

Info

Publication number: DE102015219374A1
Application number: DE102015219374.8A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Lehmayr; Markus Graf
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2015-10-07
Filing date: 2015-10-07
Publication date: 2017-04-13
Anticipated expiration: 2035-10-08
Also published as: CN108136518A; CN108136518B; DE102015219374B4; US20180313366A1; WO2017060086A1; US11135661B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbringen einer Wuchtmarke in das Verdichterrad eines Abgasturboladers. Bei diesem Verfahren erfolgt zunächst ein Bewegen eines Fräswerkzeugs in einer ersten Richtung zum Einbringen einer Aussparung in das Verdichterrad und anschließend ein Auslaufen des in der Aussparung befindlichen Fräswerkzeugs in eine zweite Richtung zur Umwandlung der Aussparung in eine birnensegmentförmige Wuchtmarke. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Abgasturbolader, welcher ein Verdichterrad enthält, das eine oder mehrere birnensegmentförmige Wuchtmarken aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbringen einer Wuchtmarke in das Verdichterrad eines Abgasturboladers und einen Abgasturbolader mit einem eine Wuchtmarke aufweisenden Verdichterrad.
Es ist bereits bekannt, die Rumpfgruppe eines Abgasturboladers zu wuchten. Dies erfolgt beispielsweise, indem auf der zugänglichen Seite des Verdichterrades mittels eines Fräswerkzeugs Material abgetragen wird. Da bei diesem Abtragen von Material darauf geachtet werden muss, dass die Schaufeln des Verdichterrades nicht beschädigt werden, wird an der Nabenkontur des Verdichterrades eine Abtragung gewünschter Tiefe durch einen eindimensionalen Vorschub des Fräswerkzeugs vorgenommen. Diese Vorgehensweise ist in strömungstechnischer und auch in festigkeitstechnischer Hinsicht und auch in Bezug auf den Platzbedarf nicht optimal. So ist der zum Abtragen von Material zur Verfügung stehende Platz durch die bestehenden kleinen Abstände zwischen einander benachbarten Schaufeln des Verdichterrades begrenzt. Eine Vergrößerung dieser Schaufelabstände ist aus aerodynamischen Gründen nachteilig. Des Weiteren zeigt eine nach dem Einbringen der Abtragungen vorgenommene Festigkeitsanalyse, dass eine Verwendung von Fräswerkzeugen mit größerem Werkzeugradius und geringeren Abtragstiefen zu kleineren Spannungsüberhöhungen, aber gleichzeitig zu geringeren Abtragsmengen führt.
Aus der DE 10 2008 016 937 A1 ist ein Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine bekannt, welcher ein durchströmbares Gehäuse sowie ein Laufzeug aufweist, das drehbar im Gehäuse gelagert ist. Das Laufzeug weist ein erstes und ein zweites Laufrad auf. Das erste Laufrad ist mit dem zweiten Laufrad über eine Welle drehfest verbunden. Das erste und/oder das zweite Laufrad weist eine Wuchtmarke auf, die an einem Radrücken des entsprechenden Laufrades positioniert ist. Die Wuchtmarke weist ein radiales Wuchtmarkenprofil sowie eine äußere Wuchtmarkenkante und eine innere Wuchtmarkenkante auf. Das radiale Wuchtmarkenprofil weist an der äußeren Wuchtmarkenkante einen ersten Tangentenwinkel und an der inneren Wuchtmarkenkante einen zweiten Tangentenwinkel auf. Der Wert des ersten Tangentenwinkels und/oder des zweiten Tangentenwinkels ist kleiner als 40 Grad.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Einbringen einer Wuchtmarke in das Verdichterrad eines Abgasturboladers und einen mit einer derartigen Wuchtmarke versehenen Abgasturbolader anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, bei welchem zunächst ein Bewegen eines Fräswerkzeugs in einer ersten Richtung auf das Verdichterrad zum Einbringen einer Aussparung in die Strömungsseite des Verdichterrades und anschließend ein Auslaufen des in der Aussparung befindlichen Fräswerkzeugs in eine zweite Richtung zur Umwandlung der Aussparung in eine birnensegmentförmige Wuchtmarke vorgenommen wird.
Die Vorteile dieser Vorgehensweise bestehen insbesondere darin, dass mittels des beanspruchten Verfahrens ohne erhöhten Platzbedarf und bei geringerer Beeinflussung der Festigkeit der tragenden Querschnitte des Verdichterradgrundkörpers eine höhere Abtragsmenge erreicht wird. Insbesondere erlaubt die Erfindung das Einbringen einer birnensegmentförmigen Wuchtmarke in die Strömungsseite des Verdichterrades in einem Zug, d.h. ohne dass das Fräswerkzeug mehrmals neu angesetzt werden muss. Ein derartiges Einbringen einer birnensegmentförmigen Wuchtmarke in die Strömungsseite des Verdichterrades bringt des Weiteren die Vorteile einer reduzierten Fertigungszeit und einer erhöhten Fertigungsgenauigkeit.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren beispielhaft erläutert. Es zeigt
1 zeigt eine Blockdarstellung zur Erläuterung des grundsätzlichen Aufbaus eines Abgasturboladers 1,
2 eine perspektivische Darstellung eines Teils eines Verdichterrads mit eingebrachten kugelsegmentförmigen Wuchtmarken,
3 eine perspektivische Darstellung eines Teils eines Verdichterrads mit eingebrachten birnensegmentförmigen Wuchtmarken,
4 eine perspektivische Darstellung eines Teils eines Verdichterrads mit eingebrachten gebogenen birnensegmentförmigen Wuchtmarken,
5 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
6 eine Skizze zur Veranschaulichung des Winkels α, den die birnensegmentförmige Wuchtmarke bei einem linearen Auslauf des Fräswerkzeugs einnimmt,
7 eine Skizze zur Veranschaulichung einer Seitenansicht eines mit einer birnensegmentförmigen Wuchtmarke versehenen Verdichterrades und
8 eine Skizze zur Veranschaulichung einer Seitenansicht eines mit einer birnensegmentförmigen Wuchtmarke versehenen Verdichterrades im Vergleich zu einer kugelsegmentförmigen Wuchtmarke.
Die 1 zeigt eine Blockdarstellung zur Erläuterung des grundsätzlichen Aufbaus eines Abgasturboladers 1.
Dieser Abgasturbolader 1 weist eine Turbine 2 auf, die ein in einem Turbinengehäuse 3 angeordnetes Turbinenrad 4 enthält. Weiterhin weist der Abgasturbolader 1 einen Verdichter 5 auf, der ein in einem Verdichtergehäuse 6 angeordnetes Verdichterrad 7 enthält. Ferner weist der Abgasturbolader 1 eine Lagervorrichtung 9 auf, die ein Lagergehäuse 10 enthält, welches mit dem Verdichtergehäuse 6 und dem Turbinengehäuse 3 verbunden ist. Im Lagergehäuse 10 ist eine Welle 8 gelagert, in deren einem Endbereich das Turbinenrad 4 und in deren anderem Endbereich das Verdichterrad 7 angeordnet sind. Das Turbinenrad 4 und das Verdichterrad 7 können dabei an der Welle 8 befestigt sein oder integraler Bestandteil der Welle 8 sein.
Im Betrieb des Abgasturboladers treibt ein dem Abgasturbolader zugeführter Abgasstrom eines Kraftfahrzeugs das Turbinenrad 4 an, wodurch die fest mit dem Turbinenrad 4 verbundene Welle 8 in eine Drehbewegung versetzt wird. Diese Drehbewegung wird auf das ebenfalls fest mit der Welle 8 verbundene Verdichterrad 7 übertragen. Mittels des Verdichterrades 7 wird dem Verdichter 5 zugeführte Frischluft verdichtet und zusammen mit dem benötigten Kraftstoff den Brennräumen des Motors des Kraftfahrzeugs zur Erhöhung der Motorleistung zugeführt.
Die 2 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Teils des Verdichterrads 7 mit eingebrachten kugelsegmentförmigen Wuchtmarken 11 und 12. Diese Wuchtmarken befinden sich auf der Strömungsseite des Verdichterrades und werden dadurch eingebracht, dass ein Fräswerkzeug jeweils in einer Richtung, d.h. eindimensional, auf das Verdichterrad zubewegt wird, um dann nach Kontaktaufnahme mit dem Verdichterrad die genannte kugelsegmentförmige Aussparung, die eine gewünschte Tiefe hat, in das Verdichterrad einzubringen.
Die 3 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Teils eines Verdichterrads 7 mit eingebrachten birnensegmentförmigen Wuchtmarken 13 und 14, wie sie mittels eines Verfahrens gemäß der Erfindung in das Verdichterrad eingebracht werden können. Diese Wuchtmarken 13 und 14 befinden sich ebenfalls auf der Strömungsseite des Verdichterrades, welche gekrümmt ausgebildet ist, und werden durch ein Verfahren eingebracht, das nachfolgend anhand der 5 erläutert wird.
Aus dieser 5 ist ersichtlich, dass in einem ersten Schritt S1 zunächst ein Einbringen einer kugelsegmentförmigen Aussparung in die gekrümmt ausgebildete Strömungsseite des Verdichterrades 7 erfolgt, indem ein Fräswerkzeug jeweils in einer ersten Richtung, d.h. eindimensional, auf das Verdichterrad 7 zubewegt wird, um dann nach Kontaktaufnahme mit dem Verdichterrad 7 die genannte kugelsegmentförmige Aussparung in das Verdichterrad 7 einzubringen. Anschließend erfolgt in einem zweiten Schritt S2 ein Auslaufen des in der kugelsegmentförmigen Aussparung befindlichen Fräswerkzeugs in eine zweite Richtung, um die jeweilige kugelsegmentförmige Aussparung in eine birnensegmentförmige Aussparung umzuwandeln und dadurch eine birnensegmentförmige Wuchtmarke zu generieren.
Demnach erfolgt bei der vorliegenden Erfindung der Vorschub des Fräswerkzeus zweidimensional in dem Sinne, dass das Fräswerkzeug zunächst in einer Richtung auf das Verdichterrad zubewegt wird, um eine kugelsegmentförmige Aussparung gewünschter Tiefe herzustellen, und anschließend das in der kugelsegmentförmigen Aussparung positionierte Fräswerkzeug in eine zweite Richtung umzulenken und in dieser zweiten Richtung auslaufen zu lassen, um die letztendlich gewünschte insgesamt birnensegmentförmige Aussparung zu generieren, die die gewünschte birnensegmentförmige Wuchtmarke bildet.
Dabei wird das Umlenken des Fräswerkzeugs vorzugsweise in einem Winkel vorgenommen, der in etwa mit dem Winkel der Schaufeln des Verdichterrades übereinstimmt, so dass die Engstelle im Kanal zwischen benachbarten Schaufeln optimal genutzt wird. Zusätzlich wird vorzugsweise der Vorschub des Fräswerkzeugs in Axialrichtung gestoppt, so dass der tragende Querschnitt des Verdichterradgrundkörpers im Bereich der gesamten birnensegmentförmigen Aussparung konstant bleibt. Die Kerbe, die aufgrund der birnensegmentförmigen Abtragung entsteht, hat aufgrund der Verwendung desselben Fräswerkzeugs wie bei der Herstellung einer bekannten kugelsegmentförmigen Wuchtmarke denselben Radius, der dem Radius des Fräswerkzeugs entspricht, hat aber eine geringere Kerbwirkung, da die Kerbe eine längliche Form aufweist. Das Abtragsvolumen, das bei Einbringung einer birnensegmentförmigen Abtragung erzielt wird, ist höher als das Abtragsvolumen, das bei Einbringung einer kugelsegmentförmigen Abtragung übereinstimmender Tiefe erzielt wird. Der bei der Einbringung einer birnensegmentförmigen Aussparung bestehende Platzbedarf stimmt mit dem Platzbedarf überein, wie er bei der Einbringung einer kugelsegmentförmigen Aussparung vorliegt.
Beim oben beschriebenen Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der im ersten Verfahrensschritt in das Verdichterrad eingebrachten Aussparung um eine kugelsegmentförmige Aussparung. Gemäß weiterer, nicht in den Figuren dargestellter Ausführungsformen kann es sich bei dieser Aussparung auch um eine anders geformte Aussparung handeln, wobei die Form der Aussparung von der Form des Kopfes des Fräswerkzeugs abhängig ist. Die resultierende Form der oberen Randkante der Aussparung ist dann beispielsweise kreisförmig, elliptisch oder parabelförmig.
Das Auslaufen des Fräswerkzeugs in der zweiten Richtung kann geradlinig oder bogenförmig erfolgen. Bei einem geradlinigen Auslauf, der in einfacher Weise realisierbar ist, wird die in der 3 veranschaulichte Form der Wuchtmarke erreicht. Die 6 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung des Winkels α, den die birnensegmentförmige Wuchtmarke bei einem linearen Auslauf des Fräswerkzeugs einnimmt
Bei einem bogenförmigen Auslauf des Fräswerkzeuges ist die Gefahr einer Beschädigung des Schaufelrades durch das Fräswerkzeug reduziert. Bei einem derartigen bogenförmigen Auslauf des Fräswerzeugs entsteht letztendlich eine gebogene birnensegmentförmige Wuchtmarke. Derartige gebogene birnensegmentförmige Wuchtmarken 13‘ und 14‘ in einem Verdichterrad sind in der 4 veranschaulicht.
Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, die Axialkoordinate des Vorschubs des Fräswerkzeugs während des Auslaufens konstant zu halten. In diesem Falle wird erreicht, dass der tragende Querschnitt des Verdichterrades konstant bleibt.
Eine andere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, die Axialkoordinate des Vorschubs des Fräswerkzeugs während des Auslaufens zu verändern. In diesem Falle ist es möglich, bei Bedarf gezielt unterschiedliche tragende Querschnitte des Verdichterrades zu erzeugen.
Grundsätzlich bedeutet das Einbringen einer Wuchtmarke in einem größeren radialen Abstand zur Längsmittelachse des Verdichterrades eine höhere Wirksamkeit der Wuchtmarke. In diesem größeren Abstand zur Längsmittelachse des Verdichterrades ist aber generell die Wandstärke des Verdichterrades geringer, so dass ein Einbringen der Wuchtmarke in diesen Bereich des Verdichterrades Probleme hinsichtlich der Festigkeit des Verdichterrades mit sich bringen kann.
Bei einem Einbringen einer Wuchtmarke in einem kleineren radialen Abstand zur Längsmittelachse des Verdichterrades liegt zwar eine größere Wandstärke des Verdichterrades vor, doch ist dort der Platz zwischen den Schaufeln des Verdichterrades gering. Folglich ist dort die mögliche Abtragsmenge aufgrund der größeren Wandstärke erhöht, andererseits aber durch den begrenzten Platz erniedrigt.
Ein Verfahren gemäß der Erfindung bringt demgegenüber den Vorteil, dass im Falle des Einbringens einer Wuchtmarke in einem größeren Abstand zur Längsmittelachse des Verdichterrades größere Abtragsmengen realisiert werden können, ohne dass es hierzu einer tieferen Bohrung bedarf.
Wie aus einem Vergleich der 2, 3 und 4 ersichtlich ist, bleibt beim Einbringen einer birnensegmentförmigen Wuchtmarke die radial innere Kante der Wuchtmarke im Vergleich zum Einbringen einer kugelsegmentförmigen Wuchtmarke unverändert, während die radial äußere Kante beim Einbringen einer birnensegmentförmigen Wuchtmarke einen anderen Verlauf erhält als beim Einbringen einer kugelsegmentförmigen Wuchtmarke.
Die 7 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung einer Seitenansicht eines mit einer birnensegmentförmigen Wuchtmarke versehenen Verdichterrades. Dieser Darstellung ist insbesondere entnehmbar, dass beim Einbringen einer birnensegmentförmigen Wuchtmarke, die mit einer gestrichelten Linie symbolisiert ist, der tragende Querschnitt des Verdichterrades erhalten bleibt.
Die 8 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung einer Seitenansicht eines mit einer birnensegmentförmigen Wuchtmarke versehenen Verdichterrades im Vergleich zu einer kugelsegmentförmigen Wuchtmarke. Dieser Darstellung ist insbesondere entnehmbar, dass beim Einbringen einer birnensegmentförmigen Wuchtmarke im Vergleich zum Einbringen einer kugelsegmentförmigen Wuchtmarke, die mit einer gepunkteten Linie angedeutet ist, keine Reduzierung des tragenden Querschnitts des Verdichterrades verbunden ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008016937 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Einbringen einer Wuchtmarke in das Verdichterrad eines Abgasturboladers mit folgenden Schritten: – Bewegen eines Fräswerkzeugs in einer ersten Richtung zum Einbringen einer Aussparung in die Strömungsseite des Verdichterrades und – anschließendes Auslaufen des in der Aussparung befindlichen Fräswerkzeugs in eine zweite Richtung zur Umwandlung der Aussparung in eine birnensegmentförmige Wuchtmarke.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Bewegen des Fräswerkzeugs in der ersten Richtung eine Aussparung in die Strömungsseite des Verdichterrads eingebracht wird, deren obere Randkante kreisförmig, elliptisch oder parabelförmig ausgebildet ist
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Aussparung kugelsegmentförmig ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung in eine gekrümmte Oberfläche der Strömungsseite des Verdichterrads eingebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslaufen des Fräswerkzeugs geradlinig erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslaufen des Fräswerkzeugs bogenförmig erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das bogenförmige Auslaufen des Fräswerkzeugs an die Krümmung der Schaufeln des Verdichterrades angepasst ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Axialkoordinate des Vorschubs des Fräswerkzeugs während des Auslaufens konstant gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Axialkoordinate des Vorschubs des Fräswerkzeugs während des Auslaufens verändert wird.
Abgasturbolader, welcher ein Verdichterrad aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in die Strömungsseite des Verdichterrades (7) eine oder mehrere birnensegmentförmige Wuchtmarken (13, 14) eingebracht sind.
Abgasturbolader nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsseite des Verdichterrades gekrümmt ausgebildet ist.