DE102016112521A1

DE102016112521A1 - Laufrad für einen Abgasturbolader, Abgasturbolader und Verfahren zum Auswuchten eines Laufzeugs für einen Abgasturbolader

Info

Publication number: DE102016112521A1
Application number: DE102016112521.0A
Authority: DE
Inventors: Diana Feustel; Ingo Zähringer; Torsten Gramsch; Martin Kreschel
Original assignee: IHI Charging Systems International GmbH
Current assignee: IHI Charging Systems International GmbH
Priority date: 2016-07-07
Filing date: 2016-07-07
Publication date: 2018-01-11
Also published as: US10907654B2; WO2018007000A1; US20190145430A1; JP2019519718A; CN109477386A; CN109477386B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Laufrad für einen Abgasturbolader, wobei das Laufrad (1) in einem Gehäuse des Abgasturboladers (3) um eine Drehachse (4) drehbar gelagert ist, und wobei das Laufrad (1) eine Radnabe (6) mit einem Radrücken (7) und einer vom Radrücken (7) abgewandt ausgebildeten Radstirn aufweist, und wobei auf der Radnabe (6) eine Mehrzahl von Laufradschaufeln (5) sich zwischen dem Radrücken (7) und der Radstirn erstreckend ausgebildet ist, und wobei in einem zwischen einer ersten Schaufel (8) der Mehrzahl von Laufradschaufeln (5) und einer der ersten Schaufel (8) benachbart angeordneten zweiten Schaufel (9) der Mehrzahl von Laufradschaufeln (5) ausgebildeten Schaufelkanal (10) eine Wuchtmarke (12) angeordnet ist, wobei erfindungsgemäß eine Breite (B) der Wuchtmarke (12) kleiner ist als eine Länge (L) der Wuchtmarke (12). Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Abgasturbolader mit ebensolchem Laufrad und ein Verfahren zum Auswuchten eines Laufzeugs für einen solchen Abgasturbolader.

Description

Die Erfindung betrifft ein Laufrad für einen Abgasturbolader der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art, einen Abgasturbolader gemäß Patentanspruch 3 sowie ein Verfahren zum Auswuchten eines Laufzeugs für einen Abgasturbolader der im Oberbegriff des Patentanspruchs 4 angegebenen Art.
Die Offenlegungsschrift DE 10 2010 048 099 A1 offenbart ein Laufzeug mit einem Laufrad eines Abgasturboladers. Das Laufrad weist Laufradschaufeln auf, welche auf einer Radnabe, mit einem Radrücken und einer vom Radrücken abgewandt ausgebildeten Radstirn, angeordnet sind. Am Radrücken ist eine bogenförmige Wuchtmarke in das Laufrad eingebracht.
Ebenso ist es bekannt, Wuchtmarken in die Nabe zwischen dem Radrücken und der Radstirn einzubringen. Dabei wird in einem zwischen zwei Laufradschaufeln ausgebildeten Schaufelkanal, in dessen Kanalboden die Wuchtmarke angeordnet. Unter Umständen kann in diesem Bereich allerdings nicht genügend abtragbare Masse zur Verfügung stehen, da bevorzugt die Wuchtmarke im Bereich eines größten Raddurchmessers des Laufrades gesetzt wird. Dies führt dann im ungünstigsten Fall zu einer erhöhten Ausschussrate.
Bei Wuchtmarken, welche durch Fräsen hergestellt sind, treten hohe Materialspannungen im Boden der Wuchtmarke, d. h. im Bereich einer kleinsten Dicke des Laufrades auf. Das bedeutet, dass zur Reduzierung bzw. Eliminierung der Unwucht ausreichend Material durch eine Materialabtragung über die Dicke des Laufrades abgetragen wird.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Laufrad für einen Abgasturbolader, einen solchen Abgasturbolader sowie ein Verfahren zum Auswuchten eines Laufzeugs eines solchen Abgasturboladers bereitzustellen, wodurch ein verbessertes Auswuchten ermöglicht ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Laufrad für einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 3 sowie durch ein Verfahren zum Auswuchten eines Laufzeugs für einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Der erste Aspekt der Erfindung betrifft ein Laufrad für einen Abgasturbolader, welches in einem Gehäuse des Abgasturboladers um eine Drehachse drehbar gelagert ist. Das Laufrad weist eine Radnabe mit einem Radrücken und einer vom Radrücken abgewandt ausgebildeten Radstirn auf. Zwischen der Radnabe und dem Radrücken ist eine Mehrzahl von Laufradschaufeln sich erstreckend ausgebildet, wobei in einem zwischen einer ersten Schaufel der Mehrzahl von Laufradschaufeln und einer der ersten Schaufel benachbart angeordneten zweiten Schaufel der Mehrzahl von Laufradschaufeln ausgebildeten Schaufelkanal eine Wuchtmarke angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist eine Breite der Wuchtmarke kleiner als eine Länge der Wuchtmarke. Mit anderen Worten heißt das, dass es sich nicht wie im Stand der Technik um eine punktförmige Wuchtmarke handelt, deren Breite im Wesentlichen deren Länge entspricht, sondern dass es sich um eine in Umfangsrichtung des Laufrades erstreckende Wuchtmarke handelt.
Der Vorteil ist eine Vergrößerung der Wuchtmarke, wodurch sich ein in der Wuchtmarke auftretendes Spannungsmaxium an einen Rand der Wuchtmarke verlagert, welcher im Vergleich mit dem Stand der Technik in einem Bereich einer größeren Dicke des Laufrades ausgebildet ist. Dies führt zu einer Steigerung der Haltbarkeit und Dauerbelastbarkeit des Laufrades.
Durch diese Ausbildung der Wuchtmarke ist ein Laufzeug, dem das Laufrad zugeordnet ist und welches eine Welle umfasst, mit welchem das Laufrad drehfest zu verbinden, bzw. verbunden ist, besonders gut auszuwuchten, so dass das Laufzeug eine besonders gute und zumindest nahezu unwuchtfreie Drehbewegung während des Betriebs des Abgasturboladers durchführen kann.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Laufrades ist die Wuchtmarke gekrümmt ausgebildet. Bevorzugt ist sie einem Ausgleichsradius angepasst. Der Ausgleichsradius entspricht einem Radius ausgehend von der Drehachse des Laufrades bis zur vorgesehenen Position der Wuchtmarkte. Da die Wuchtmarke zur Reduzierung bzw. Eliminierung einer Unwucht im rotierenden Betrieb des Laufrades vorgesehen ist, ist eine der rotierenden Bewegung angepasste Form der Wuchtmarke zu bevorzugen.
Der zweite Aspekt der Erfindung betrifft einen Abgasturbolader, insbesondere für eine Verbrennungskraftmaschine, mit einem in einem Gehäuse drehbar gelagerten Laufzeug, welches eine Welle sowie wenigstens ein mit der Welle drehfest verbundenes erfindungsgemäßes Laufrad umfasst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung und umgekehrt anzusehen.
Das Laufzeug des Abgasturboladers weist in Folge des vorteilhaften Auswuchtens des Laufrads und insbesondere des Laufzeugs eine besonders ruhige Drehbewegung auf, was einem effizienten Betrieb des Abgasturboladers sowie einer langen Lebensdauer desselbigen zuträglich ist.
Der dritte Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auswuchten eines in einem Gehäuse eines Abgasturboladers drehbar zu lagernden Laufzeugs, insbesondere eines Laufrads des Laufzeugs, welches eine Mehrzahl von Laufradschaufeln auf einer Radnabe des Laufrades aufweist. Zwischen zumindest einer ersten Schaufel der Mehrzahl von Laufradschaufeln und einer der ersten Schaufel benachbarten zweiten Schaufel der Mehrzahl von Laufradschaufeln ist ein Schaufelkanal mit einem Kanalboden ausgebildet, in welchem eine Wuchtmarke ausgebildet wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zur Herbeiführung der Wuchtmarke, deren Länge größer ist als ihre Breite ein Werkzeug oder das Laufrad in Umfangsrichtung des Laufrads bewegt wird. Der Vorteil ist, dass durch die Bewegung die Wuchtmarke, welche sich von einer punktförmigen Wuchtmarke, deren Länge im Wesentlichen deren Breite entspricht, unterscheidet, durch eine im wesentlichen Schwenkbewegung des Werkzeugs oder des Laufrades bei einer vorgesehenen, eingestellten x-y-Position des Werkzeug hergestellt wird. Das heißt mit anderen Worten, dass nur eine zusätzliche Bewegung, die Schwenkbewegung, des Werkzeugs oder des Laufrades bzw. des Laufzeugs zur Herstellung der Wuchtmarke erforderlich ist. Eine Änderung der eingestellten x-y-Position des Werkzeugs ist nicht notwendig.
Eine kostengünstige Herstellung der Wuchtmarke wird mit einem materialabtragenden Verfahren, mit anderen Worten durch Materialabtragung erzielt, wobei bevorzugt ein Fräsverfahren eingesetzt wird.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Gleichen oder funktionsgleichen Elementen sind identische Bezugszeichen zugeordnet. Es zeigen:
1 in einer perspektivischen Darstellung einen Ausschnitt eines Laufrades gem. dem Stand der Technik, und
2 in einer perspektivischen Darstellung einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Laufrades.
Ein Laufrad 1 eines Laufzeugs 2 für einen Abgasturbolader 3 gemäß dem Stand der Technik ist gemäß 1 ausgebildet. Das Laufrad 1 ist in Form eines Verdichterrades ausgebildet. Das Laufzeug 2 umfasst das Verdichterrad 1 und ein nicht näher dargestelltes Turbinenrad, welches über eine nicht näher dargestellte Welle mit dem Verdichterrad 1 drehfest verbunden ist.
Das Laufzeug 2 ist in einem nicht näher dargestellten Lagerabschnitt des Abgasturboladers 3 um eine Drehachse 4 des Laufzeugs 2 drehbar gelagert. Das Turbinenrad ist in einem nicht näher dargestellten durchströmbaren Abgasführungsabschnitt des Abgasturboladers 3 drehbar aufgenommen. Über einen nicht näher dargestellten Eintrittskanal des Abgasführungsabschnitts wird das Turbinenrad mit Abgas einer nicht näher dargestellten, mit dem Abgasturbolader 3 durchströmbar verbundenen Verbrennungskraftmaschine beaufschlagt und in Rotation versetzt.
Durch die mit Hilfe der Welle ausgebildete drehfeste Verbindung mit dem Verdichterrad 1 wird das in einem nicht näher dargestellten Luftführungsabschnitt drehbar aufgenommene Verdichterrad 1 ebenfalls in eine Rotationsbewegung versetzt, wobei es Luft ansaugt und verdichtet. Die verdichtete Luft wird über einen nicht näher dargestellten Austrittskanal des Luftführungsabschnitts der Verbrennungskraftmaschine zugeführt.
Das Verdichterrad 1 umfasst eine Mehrzahl von Laufradschaufeln 5, mit deren Hilfe es die Luft ansaugt, welche auf einer Radnabe 6 des Verdichterrades 1 angeordnet sind. Die Radnabe 6 weist einen Radrücken 7 und eine nicht näher dargestellte, vom Radrücken 7 abgewandt ausgebildete Radstirn der Radnabe 6 auf. Die Mehrzahl der Laufradschaufeln 5 ist sich von der Radstirn zum Radrücken 7 erstreckend auf der Radnabe 6 angeordnet. Zwischen jeweils zwei Schaufeln der Mehrzahl von Laufradschaufeln 5, einer ersten Schaufel 8 und einer zweiten Schaufel 9, ist ein Schaufelkanal 10 mit einem Kanalboden 11 ausgebildet, entlang dessen die Luft strömt.
Zur Herbeiführung einer besonders ruhigen Drehbewegung des Laufzeugs 2 ist am Kanalboden 11 des Verdichterrades 1 eine Wuchtmarke 12 ausgebildet. Die Wuchtmarke 12, welche mit Hilfe eines Fräsverfahrens hergestellt ist, ist punktförmig ausgebildet, wobei eine Breite B der Wuchtmarke 12 im Wesentlichen einer Länge L der Wuchtmarke 12 entspricht.
In 2 ist ein erfindungsgemäßes Laufrad 1 dargestellt, welches ebenfalls in Form eines Verdichterrades ausgeführt ist. Ebenso könnte das Laufrad 1 auch in Form des Turbinenrades ausgebildet sein.
Die Wuchtmarke 12 ist sich über ihre Umfangserstreckungsrichtung U in Umfangsrichtung des Laufrades 1 erstreckend ausgeführt und im Wesentlichen kreissegmentförmig ausgebildet. Sie ist kerbformartig ausgeführt, d. h. mit anderen Worten, dass sie materialabtragend hergestellt wurde. Ebenso könnte die Wuchtmarke 12 auch linienförmig ausgebildet sein. Die Wuchtmarke 12 des erfindungsgemäßen Laufrades 1 weist eine Länge L auf, welche größer ist als die Breite B.
Zur Erzeugung der Wuchtmarke 12 im so genannten High-Speed-Balancing kann zum einen das materialabtragende Werkzeug oder zum anderen das Laufrad 1 bzw. das Laufzeug 2 selbst bewegt werden. Die geradlinige Wuchtmarke 12 lässt sich bevorzugt mit bewegtem Werkzeug erzeugen, wohingegen die gekrümmte Wuchtmarke 12 mit bewegtem Laufrad 1 bzw. bewegtem Laufzeug 2 bevorzugt herzustellen ist.
Zu Herbeiführung einer die Unwucht reduzierenden hinreichenden Materialabtragung kann ebenso eine Tiefe der Wuchtmarke 12 erhöht werden, wobei darauf zu achten ist, dass die Tiefe nicht eine zur Festigkeit des Laufrades 1 erforderliche Dicke D des Laufrades 1 überschreitet.
Der Vorteil der gekrümmten Wuchtmarke 12 ist darin zu sehen, dass ein maximaler Ausgleichsradius, und damit eine maximale unwuchttechnische Wirkung, einer abzutragenden Laufradmasse gewährleistet ist. Bei der geradlinigen Wuchtmarke 12 hingegen wird eine Sehne eines Kreisabschnitts im kreisförmigen Laufrad 1 abgetragen, wodurch üblicherweise nur an Endpunkten der Wuchtmarke 12 der maximale Ausgleichsradius erreicht ist.
Zur Herbeiführung der Wuchtmarke 12 kann grundsätzlich jedes materialabtragende Verfahren, mit anderen Worten jede Materialabtragung genutzt werden. Insbesondere ist, sofern das Laufrad 1 in Form des Turbinenrades ausgebildet ist, Schleifen denkbar. Ebenso könnte auch der Materialabtrag mit Hilfe eines Laserverfahrens erzielt werden. Auch könnte mit Hilfe eines Schneidverfahrens an einer Außenkante des Laufrades 1 die Wuchtmarke 12 erzeugt werden. Der Vorteil von Fräsen ist in einer möglichen Oberflächenbearbeitung sowie in einem Kostenvorteil gegenüber anderen Verfahren zu sehen, da Fräsen kostengünstig und flexibel einsetzbar ist.
In einem nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Wuchtmarke 12 sich zumindest teilweise in radialer Richtung über ihre Länge L erstreckend ausgebildet. Auch eine vollständige radiale Erstreckung der Wuchtmarke 12 über ihre Länge L ist möglich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010048099 A1 [0002]

Claims

Laufrad für einen Abgasturbolader, wobei das Laufrad (1) in einem Gehäuse des Abgasturboladers (3) um eine Drehachse (4) drehbar gelagert ist, und wobei das Laufrad (1) eine Radnabe (6) mit einem Radrücken (7) und einer vom Radrücken (7) abgewandt ausgebildeten Radstirn aufweist, und wobei auf der Radnabe (6) eine Mehrzahl von Laufradschaufeln (5) sich zwischen dem Radrücken (7) und der Radstirn erstreckend ausgebildet ist, und wobei in einem zwischen einer ersten Schaufel (8) der Mehrzahl von Laufradschaufeln (5) und einer der ersten Schaufel (8) benachbart angeordneten zweiten Schaufel (9) der Mehrzahl von Laufradschaufeln (5) ausgebildeten Schaufelkanal (10) eine Wuchtmarke (12) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Breite (B) der Wuchtmarke (12) kleiner ist als eine Länge (L) der Wuchtmarke (12).
Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wuchtmarke (12) gekrümmt ausgebildet ist.
Abgasturbolader, insbesondere für eine Verbrennungskraftmaschine, mit einem in einem Gehäuse des Abgasturboladers (3) drehbar gelagerten Laufzeug (2), welches eine Welle und wenigstens ein mit der Welle drehfest verbundenes Laufrad (1) nach Anspruch 1 oder 2 umfasst.
Verfahren zum Auswuchten eines in einem Gehäuse eines Abgasturboladers (3) drehbar gelagerten Laufzeugs (2), wobei das Laufzeug (2) ein Laufrad (1) umfasst, welches eine Mehrzahl von Laufradschaufeln (5) auf einer Radnabe (6) des Laufrades (1) aufweist, und wobei zwischen zumindest einer ersten Schaufel (8) der Mehrzahl von Laufradschaufeln (5) und einer der ersten Schaufel (8) benachbarten zweiten Schaufel (9) der Mehrzahl von Laufradschaufeln (5) ein Schaufelkanal (10) mit einem Kanalboden (11) ausgebildet ist, und wobei im Kanalboden (11) eine Wuchtmarke (12) ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herbeiführung einer Wuchtmarke (12), deren Länge (L) größer ist als ihre Breite (B) ein Werkzeug oder das Laufrad (1) in Umfangsrichtung des Laufrads (1) bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wuchtmarke (12) durch Materialabtragung hergestellt wird.