-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verdichterrad einer Ladeeinrichtung mit einer mit einer Nabe mit einem Radrücken sowie mit von der Nabe ausgehenden Schaufeln gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem einen Abgasturbolader mit einem solchen Verdichterrad.
-
Generell weisen Verdichterräder aufgrund ihrer hohen Drehzahlen auch eine hohe Spannung im Bereich einer Nabe auf, wodurch die Lebensdauer reduziert werden kann.
-
Aus diesem Grund ist bspw. aus der
US 6,164,931 A ein gattungsgemäßes Verdichterrad bekannt, dessen Nabe zur Reduzierung der im Betrieb auftretenden Spannungen kalt bearbeitet, hier konkret kugelgestrahlt ist. Dies erfordert jedoch einen zusätzlichen Arbeitsschritt, wodurch sich die Herstellungskosten erhöhen.
-
Eine weitere Möglichkeit zur Minderung der im Bereich einer Nabe auftretenden Spannungen besteht darin, gerade keine Nabenbohrung im Bereich der Nabe vorzusehen, wie dies bspw. aus der
GB 2 402 991 A bekannt ist. Bei einem derartigen Verdichterrad stellt sich jedoch wiederum das Problem einer vergleichsweise aufwendigen Fixierung auf einer Welle einer Ladeeinrichtung, bspw. eines Abgasturboladers, wozu bspw. ein Gewinde am Verdichterrad angebracht werden muss, was dessen Herstellung ebenfalls verteuert.
-
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für ein Verdichterrad der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine reduzierte Rissneigung und zugleich eine kostengünstige Fertigung auszeichnet.
-
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
-
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, an einem radial äußeren Endbereich einer Nabe eines Verdichterrades einer Ladeeinrichtung eine Fase vorzusehen, über welche ein Radrücken in einen (Außen-)Rand der Nabe des Verdichterrades übergeht. Hierdurch ist es möglich, ausgehend vom Rand über die Fase die Dicke des Radrückens schnell ansteigen zu lassen, wodurch die Spannungen im Bereich der Nabe des erfindungsgemäßen Verdichterrades überraschender Weise erheblich reduziert werden können. Die hierbei im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Verdichterrädern erhöhte Masse im radialen Außenbereich kann durch eine Materialreduktion im radial mittleren Bereich der Nabe des Verdichterrades wieder kompensiert, das heißt ausgeglichen, werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verdichterrad ist es somit ohne zusätzlichen Bearbeitungsschritt, wie bspw. einem Kugelstrahlen, möglich, die im Bereich einer Nabe bzw. einer Nabenbohrung auftretenden Spannungen und damit auch eine dort auftretende Rissneigung zu reduzieren, wodurch ein insgesamt belastungsfähiges Verdichterrad vergleichsweise kostengünstig herstellbar ist.
-
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist die Fase wie folgt definiert: 0,2s < t < 2s und 0,5mm < b < 5,0mm wobei die t die axiale Dicke der Fase, b die radiale Breite der Fase und s die axiale Dicke des Randes bezeichnen. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung wird dabei die Fase hinsichtlich ihrer axialen Dicke t, hinsichtlich ihrer radialen Breite b und hinsichtlich der axialen Dicke s des Randes noch weiter eingeschränkt, nämlich auf: 0,4s < t < 0,8s und 1,0mm < b < 5,0mm.
-
Durch die in diesen Wertebereichen liegenden Parameter b, t und s wurde in Versuchen herausgefunden, dass eine besonders starke Spannungsreduzierung im Bereich der Nabe bzw. einer Nabenbohrung des Verdichterrades erreicht werden kann, wobei insbesondere das schnelle Ansteigen der Dicke der Nabe im Bereich des Radrückens ausgehend vom Rand den gewünschten Effekt bringt.
-
Bei bislang aus dem Stand der Technik bekannten Verdichterrädern wurde ein Außenbereich der Nabe üblicherweise so dünn wie möglich ausgeführt, um die Massenträgheit zu reduzieren. Das erfindungsgemäße Verdichterrad tritt dieser bislang gängigen Überlegung nun mit einer stark zunehmenden Dicke über die ersten äußeren 5 mm entgegen, was nicht nur eine Abkehr von der bisherigen Betrachtungsweise darstellt, sondern überraschenderweise auch zu der zuvor beschriebenen Reduzierungen der Spannungen im Bereich der Nabenbohrung und damit der Erhöhung der Belastungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Verdichterrades führt.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung liegt die axiale Dicke s des Randes zwischen 0,3 mm und 2,0 mm. Wird die axiale Dicke s des Randes in diesem Bereich gehalten, können die die Spannungen und Rissneigungen reduzierende Effekte optimiert werden.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung sind/ist die Nabe und/oder die Nabenbohrung des Verdichterrades mittels Kugelstrahlverfahren oberflächenvergütet. Beim Kugelstrahlen bzw. Kugelstrahlverfestigen werden bspw. mittels eines Schleuderrades, mittels Druckluft oder Injektor-Strahlanlagen kleine Strahlmittelkörner mit hoher Geschwindigkeit auf die zu behandelnde Oberfläche geschleudert. Durch die hohe Geschwindigkeit prallen die Strahlmittelkörner mit hoher Wucht auf die Oberfläche der Nabe/Nabenbohrung und bringen künstliche Fehlstellen ins Atomgitter ein, die eine Volumenvergrößerung und damit Druckeigenspannungen hervorrufen. Da im Bereich der Nabenbohrung üblicherweise im Betrieb Zugspannungen auftreten, bietet dabei das Kugelstrahlen den positiven Effekt, dass die auftretenden Zugspannungen zunächst die aufgebrachten Druckeigenspannungen abbauen müssen, um überhaupt eine Zugspannung in die Nabe einbringen zu können. Durch das Kugelstrahlen wird dabei auch die Dauerfestigkeit des Werkstoffs gesteigert, insbesondere durch die Reduzierung der Rissneigung, bspw. durch Korrosionsermüdung. Darüber hinaus kann auch die Korrosionsbeständigkeit erhöht werden, was insbesondere bei einem Verdichterrad, welches nicht nur Frischluft, sondern auch bspw. Abgasen, das heißt hoch korrosiven Medien, ausgesetzt ist, von großem Vorteil ist.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist das Verdichterrad aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt. Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen besitzen dabei einerseits eine hohe Festigkeit und andererseits ein geringes Gewicht, wodurch insbesondere geringere Massenträgheitskräfte auftreten und dadurch ein schnelles Ansprechverhalten einer mit einem solchen Verdichterrad ausgeschalteten Ladeeinrichtung, bspw. einem Abgasturbolader, erreicht werden können.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist die Fase geradlinig oder gekrümmt ausgebildet. Eine geradlinige Ausbildung ermöglicht dabei eine vereinfachte Nachbearbeitung, sofern eine derartige Nachbearbeitung erforderlich ist. Mittels einer gekrümmten Fase hingegen ist es möglich, die Zunahme der axialen Dicke des Radrückens optimal an entsprechende Spannungsanforderungen anpassen zu können. Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, einen Abgasturbolader mit einem solchen Verdichterrad auszustatten, wobei ein derartiges Verdichterrad geringere Spannungen im Bereich einer Nabe bzw. einer Nabenbohrung aufweist und dadurch eine geringere Rissneigung zeigt. Durch die geringere Rissneigung kann insbesondere die Dauerstandfestigkeit des Verdichterrades und darüber auch diejenige des Abgasturboladers erhöht werden.
-
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
-
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.
-
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.
-
Es zeigen, jeweils schematisch,
-
1 eine Längsschnittdarstellung durch ein erfindungsgemäßes Verdichterrad,
-
2 eine Detaildarstellung eines Randes des Verdichterrades aus 1.
-
Entsprechend der 1, weist ein erfindungsgemäßes Verdichterrad 1 einer Ladeeinrichtung 2, bspw. eines Abgasturboladers 3, eine Nabe 4 mit einem Radrücken 6 sowie mit von der Nabe 4 ausgehenden Schaufeln 5 auf. Erfindungsgemäß geht nun der Radrücken 6 an einem radial äußeren Endbereich 7, welcher im Detail auch noch in 2 näher dargestellt ist, über eine Fase 8 in einen Rand 9 der Nabe 4 über.
-
Bislang aus dem Stand der Technik bekannte Verdichterräder wurden im radial äußeren Endbereich 7 so dünn als möglich ausgeführt, was gemäß der 1 mit einer punktierten Linie 10 dargestellt ist, um die Massenträgheit des Verdichterrades so gering wie möglich zu halten. Das erfindungsgemäße Verdichterrad 1 hingegen wendet sich von der bislang gängigen Betrachtungsweise komplett ab und ermöglicht über die erfindungsgemäße Fase 8 bereits im radial äußeren Endbereich 7 ein schnelles Ansteigen der axialen Dicke d, welche sich aus der Summe der axialen Dicke s des Randes 9 sowie der axialen Dicke t der Fase 8 ergibt (vgl. 2). Durch das vergleichsweise schnelle Ansteigen der axialen Dicke d der Nabe 4 im Bereich des Radrückens 6 im radial äußeren Bereich 7 wird zwar das Massenträgheitsmoment des erfindungsgemäßen Verdichterrads 1 erhöht, jedoch können die im Bereich der Nabe 4 bzw. einer Nabenbohrung 11 auftretenden Spannungen und damit auch eine dort auftretende Rissneigung deutlich reduziert werden. Die Fase 8 erstreckt sich dabei über eine radiale Breite b zwischen 0,5 mm < b < 5,0 mm, bevorzugt über eine radiale Breite b von 1,0 mm < b < 5,0 mm.
-
Die aufgrund der im radial äußeren Endbereich 7 schnell ansteigenden Dicke d des Radrückens 6 erhöhten Massenträgheitskräfte, können durch eine Materialreduktion im radial mittleren Bereich 12 (vgl. 1) des Verdichterrads 1 wieder kompensiert werden.
-
Dabei wurde durch Versuche herausgefunden, dass eine Spannungsreduzierung im Bereich der Nabe 4 bzw. der Nabenbohrung 11 und damit verbunden auch eine Reduzierung der Rissneigung in diesem Bereich besonders groß ist, sofern die Fase 8 wie folgt definiert ist: 0,2s < t < 2s und 0,5mm < b < 5,0mm, mit
- t:
- axiale Dicke der Fase 8,
- b:
- radiale Breite der Fase 8 und
- s:
- axiale Dicke des Randes 9.
-
Besonders bevorzugt ist dabei die Fase 8 sogar wie folgt definiert: 0,4s < t < 0,8s und 1,0mm < b < 5,0mm.
-
Die axiale Dicke s des Randes 9 liegt dabei üblicherweise zwischen 0,3 mm und 2,0 mm, wobei dies selbstverständlich abhängig von der Größe des Verdichterrades 1, bspw. von dessen Außendurchmesser D, ist. Ein derartiger Außendurchmesser D des Verdichterrades 1 liegt dabei üblicherweise zwischen 30 mm < D <100 mm.
-
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist die Nabe 4 bzw. eine Nabenbohrung 11 des Verdichterrades 1 kugelgestrahlt, wodurch Druckeigenspannungen in den Bereich der Nabe 4 bzw. in den Bereich der Nabenbohrung 11 eingebracht werden können, die durch die im Betrieb des Verdichterrads 1 auftretenden Zugspannungen erst abgebaut werden müssen, um überhaupt Zugspannungen auf das Verdichterrad 1, konkret die Nabe 4, aufbringen zu können. Das Verdichterrad 1 selbst ist dabei aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt, wodurch es nicht nur kostengünstig, sondern auch vergleichsweise leicht ausgebildet ist. Die leichte Ausbildung bietet dabei wiederum Vorteile hinsichtlich der Massenträgheit und damit Vorteile hinsichtlich eines Ansprechverhaltens der Ladeeinrichtung 2 bzw. des Abgasturboladers 3.
-
Betrachtet man die Fase 8 genauer, so kann diese geradlinig ausgebildet sein, wie dies gemäß den 1 und 2 mit durchgezogener Linie dargestellt ist, oder auch gekrümmt, wie dies gemäß der 2 mit strickpunktierter Linie dargestellt ist. Durch eine derartige gekrümmte Fase 8 kann insbesondere eine Kerbwirkung bei einem Übergang der Fase 8 in den Radrücken 6 und den Rand 9 reduziert werden.
-
Zusammenfassend lässt sich somit feststellen, dass mit dem erfindungsgemäßen Verdichterrad 1 und mit einem mittels eines solchen Verdichterrades 1 ausgestatteten Abgasturbolader 3 eine deutliche Spannungsreduzierung und damit auch eine Reduzierung der Rissneigung im Bereich der Nabe 4 bzw. der Nabenbohrung 11 erreicht werden kann, wodurch das Verdichterrad 1 und darüber aus die Ladeeinrichtung 2 bzw. der Abgasturbolader 3 eine höhere Dauerstandsfestigkeit erreicht.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- US 6164931 A [0003]
- GB 2402991 A [0004]
