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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgasturbolader mit einer variablen Turbinengeometrie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Abgasturbolader.
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Aus der
DE 11 2012 002 909 T5 ist ein gattungsgemäßer Abgasturbolader mit einer Turbine bekannt, die mit einer verstellbaren Turbinengeometrie und/oder einem Wastegateventil ausgestattet ist. Ebenfalls vorgesehen ist eine Betätigungseinrichtung, die über ein erstes Betätigungselement gelenkig mit einem zweiten Betätigungselement des Wastegateventils oder der variablen Turbinengeometrie verbunden ist, wobei das erste Betätigungselement über einen Pin mit dem zweiten Betätigungselement gekoppelt ist.
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Aus der
US 2013/0333379 A1 ist ebenfalls ein gattungsgemäßer Abgasturbolader bekannt.
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Nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten Abgasturboladern ist dabei jedoch, dass beim drehfesten Verschweißen eines Hebels mit einer Welle, beispielsweise eines Leitschaufelhebels mit einem Leitschaufelzapfen, Schweißspannungen auftreten, die nach dem Erkalten der Schweißnaht und während des Betriebs des Abgasturboladers langfristig zu Rissen in der Schweißnaht oder in den miteinander verschweißten Bauteilen führen können. Derartige Rissen bergen jedoch unter Umständen ein nicht zu unterschätzendes Risiko.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem für einen Abgasturbolader der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch ein geringeres Schadensrisiko auszeichnet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, im Bereich einer einen Hebel mit einer zugehörigen Welle verbindenden Schweißverbindung eine Querschnittsschwächung und/oder eine Ausnehmung an zumindest einem der miteinander zu verschweißenden Bauteile vorzusehen, wodurch die Schweißspannungen durch eine einfache plastische Verformung im Bauteil aufgenommen und dadurch Risiken bezüglich einer unkontrollierten Rissbildung zumindest reduziert werden können. Durch derartige Querschnittsschwächungen bzw. Ausnehmungen lassen sich somit eine qualitativ äußerst hochwertige drehfeste Verbindung zwischen den miteinander zu verschweißenden Bauteilen schaffen, die zugleich von Rissen und damit von Schwachstellen freigehalten werden kann. Der erfindungsgemäße Abgasturbolader weist dabei in bekannter Weise eine variable Turbinengeometrie mit einem Schaufellagerring auf, in welchem Leitschaufeln über einen Leitschaufelzapfen drehbar gelagert sind. Der Leitschaufelzapfen ist dabei drehfest mit einem Leitschaufelhebel über eine erste Verbindungsstelle verbunden und steht mit einem Verstellring in Wirkverbindung. Ebenfalls in Wirkverbindung mit dem Verstellring steht ein Stellhebel, der seinerseits drehfest mit einer Welle über eine zweite Verbindungsstelle verbunden ist. An dem gegenüberliegenden Längsende dieser Welle ist ein Anlenkhebel drehfest über eine dritte Verbindungsstelle mit der Welle verbunden. Erfindungsgemäß ist nun zumindest eine dieser Verbindungsstellen als Schweißstelle ausgebildet. Darüber hinaus weist der Leitschaufelhebel ein erstes Auge auf, in welches der Leitschaufelzapfen mit einem Leitschaufelzapfenabschnitt eingreift. Zusätzlich oder alternativ weist der Stellhebel ein zweites Auge auf, in welches die Welle mit einem ersten Wellenabschnitt eingreift. Wiederum zusätzlich oder alternativ weist der Anlenkhebel ein drittes Auge auf, in welches die Welle mit einem zweiten Wellenabschnitt eingreift. Die Welle selbst ist dabei üblicherweise in einem Lagergehäuse des Abgasturboladers gelagert. Erfindungsgemäß weist nun zumindest ein das jeweilige Auge umgebender Rand und/oder zumindest einer der zuvor erwähnten Abschnitte zur Kompensation von Schweißspannungen eine Querschnittsschwächung und/oder eine Ausnehmung auf. Durch eine derartige Ausnehmung bzw. Querschnittsschwächung lässt sich – wie eingangs bereits erwähnt – das Risiko von Rissen in der Schweißnaht aufgrund von nicht im jeweiligen Bauteil plastisch aufnehmbaren Spannungen deutlich reduzieren. Die Ausnehmung und/oder die Materialschwächung bilden dabei Bereiche, welche eine plastische Verformung zur Kompensation der Schweißspannungen ermöglichen und dadurch die auftretenden Kräfte, insbesondere auch während des Abkühlens der Schweißnaht, aufnehmen können, wodurch bislang in diesem Bereich auftretende Risse zuverlässig vermieden werden können.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist in zumindest einem Rand ein Radialschlitz als Ausnehmung vorgesehen. Ein derartiger Radialschlitz lässt sich einerseits fertigungstechnisch äußerst einfach herstellen und ermöglicht andererseits sowohl ein plastisches Verformen des Randes beim Schrumpfen der Schweißnaht als auch eine für einen automatischen Fügeprozess erforderliche Spielpassung. Selbstverständlich kann eine als Radialschlitz ausgebildete Ausnehmung auch in zumindest einem der Abschnitte vorgesehen sein.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist an zumindest einem der Augen ein das Auge einfassender Rand zumindest teilweise ausgedünnt und bildet dadurch die Ausnehmung. Durch eine Ausdünnung, das heißt eine Querschnittsminderung bzw. Querschnittsschwächung des das jeweilige Auge einfassenden Randes, kann eine Zone geringerer Festigkeit geschaffen werden, welche durch eine entsprechende Plastifizierung eine Aufnahme der Spannungen ermöglicht, ohne dass es dabei zu einer Rissbildung kommt. Auch eine derartige Materialschwächung des Randes lässt sich fertigungstechnisch vergleichsweise einfach herstellen und bietet darüber hinaus den großen Vorteil, dass hiermit eine Gewichtsreduzierung erreicht werden kann, was insbesondere beim Einsatz des erfindungsgemäßen Abgasturboladers in einem Kraftfahrzeug zu einer besseren Energie- und Schadstoffbilanz führt.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist der Leitschaufelzapfenabschnitt, der erste Wellenabschnitt und/oder der zweite Wellenabschnitt rohrförmig ausgebildet und weist eine als Axialschlitz ausgebildete Ausnehmung auf. In diesem Fall kann das jeweilige Auge des zugehörigen Hebels standardmäßig ausgebildet sein, da die zur Kompensation der beim Schweißen auftretenden Spannungen durch die Beweglichkeit bzw. die Plastifizierbarkeit des jeweiligen Abschnitts gegeben ist.
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Bei einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist der Leitschaufelzapfenabschnitt, der erste Wellenabschnitt und/oder der zweite Wellenabschnitt als Vollprofil ausgebildet und weist einen Axialschlitz als Ausnehmung auf. Auch in diesem Fall ermöglicht der die Ausnehmung aufweisende Abschnitt die zur Kompensation von Schweißspannungen erforderliche Plastifizierungsmöglichkeit.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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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.
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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 Komponenten beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Abgasturbolader mit einer variablen Turbinengeometrie,
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2 eine Darstellung eines Hebels mit einer entsprechenden Ausnehmung,
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3 eine Darstellung eines entsprechenden Hebels mit einer Querschnittsschwächung an einem Rand eines Auges,
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4 eine Darstellung wie in 3, jedoch mit einer anders ausgeführten Querschnittsschwächung,
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5 ein Leitschaufelzapfen mit einem rohrförmigen Leitschaufelzapfenabschnitt,
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6 eine Darstellung wie in 5, jedoch mit einem als Vollprofil und einer Ausnehmung ausgebildeten Leitschaufelzapfenabschnitt.
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Entsprechend der 1, weist ein erfindungsgemäßer Abgasturbolader 1 einer im Übrigen nicht gezeigten Brennkraftmaschine 2 eine variable Turbinengeometrie 3 auf, über welche ein einem Turbinenrad 4 zuzuführender Abgasstrom gesteuert werden kann. In gleicher Weise könnte die gesamte Erfindung selbstverständlich auch für eine variable Verdichtergeometrie verwendet werden, wobei in diesem Fall dann das Turbinenrad 4 als Verdichterrad ausgebildet wäre.
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Die variable Turbinengeometrie 3 weist einen Schaufellagerring 5 auf, in welchem Leitschaufeln 6 über einen Leitschaufelzapfen 7 drehbar gelagert sind. Der Leitschaufelzapfen 7 seinerzeit ist dabei über einen Leitschaufelzapfenabschnitt 8 drehfest über eine erste Verbindungsstelle 9 mit einem Leitschaufelhebel 10 verbunden, der wiederum mit einem Verstellring 11 in Wirkverbindung steht. Ebenfalls mit dem Verstellring 11 in Wirkverbindung steht ein Stellhebel 12, der drehfest über eine zweite Verbindungsstelle 13 mit einem ersten Wellenabschnitt 14 einer Welle 15 verbunden ist. Darüber hinaus vorgesehen ist ein Anlenkhebel 16, der drehfest über eine dritte Verbindungsstelle 17 mit einem zweiten Wellenabschnitt 18 der Welle 15 verbunden ist. Erfindungsgemäß ist nun zumindest eine dieser Verbindungsstellen 9, 13, 17 als Schweißstelle 27 ausgebildet, das heißt zwischen dem jeweiligen Hebel 10, 12, 16 und dem zugehörigen Abschnitt 8, 14, 18 erfolgt eine Verschweißung, insbesondere mittels eines Lasers. Dabei weist der Leitschaufelhebel 10 ein erstes Auge 19 auf, in welches der Leitschaufelzapfen 7 mit seinem Leitschaufelzapfenabschnitt 8 eingreift. Zusätzlich oder alternativ weist der Stellhebel 12 ein zweites Auge 20 auf, in welches die Welle 15 mit ihrem ersten Wellenabschnitt 14 eingreift. Wiederum zusätzlich oder alternativ weist der Anlenkhebel 16 ein drittes Auge 21 auf, in welches die Welle 15 mit ihrem zweiten Wellenabschnitt 18 eingreift. Erfindungsgemäß weist nun zumindest eines der Augen 19, 20, 21 und/oder zumindest einer der Abschnitte 8, 14, 18 zur Kompensation von Schweißspannungen eine Querschnittsschwächung 22 (vergleiche die 3 und 4) und/oder eine Ausnehmung 23 (vergleiche insbesondere die 2, 5 und 6) auf. Über diese Querschnittsschwächungen 22 bzw. Ausnehmungen 23, welche alternativ oder kumulativ sowohl am jeweiligen Auge 19, 20, 21 und/oder am jeweiligen Abschnitt 8, 14, 18 vorgesehen sein können, kann eine kontrollierte Plastifizierung beim Abkühlen einer Schweißnaht erreicht werden, ohne dass dabei das Auftreten von unkontrollierbaren Rissen, die später zu einem Versagen führen können, befürchtet werden muss. Selbstverständlich ist dabei klar, dass nicht das Auge 19, 20, 21, sondern stets ein dieses umgebender Rand 24 die Querschnittsschwächung 22 bzw. die Ausnehmung 23 aufweist.
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Gemäß den 2–4 sind dabei unterschiedliche Ausführungsformen des Leitschaufelhebels 10, des Stellhebels 12 bzw. des Anlenkhebels 16 mit den jeweils zugehörigen Augen 19, 20, 21 gezeigt.
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Betrachtet man die 2, so kann man erkennen, dass am Auge 19, 20, 21 ein als Ausnehmung 23 ausgebildeter Radialschlitz 25 vorgesehen ist, welcher den Rand 24 um das Auge 19, 20, 21 herum unterbricht. Bei den gemäß den 3 und 4 gezeigten Hebeln 10, 12, 16 weist das jeweilige Auge 19, 20, 21 umgebende Rand 24 eine Querschnittsschwächung 22 auf, die beispielsweise durch einen geraden Schnitt (vergleiche 3) oder aber durch ein Abschleifen (vergleiche 4) bewirkt werden kann. Zusätzlich oder alternativ kann selbstverständlich vorgesehen sein, dass der in dem jeweiligen Auge 19, 20, 21 angeordnete Abschnitt 8, 14, 18 ebenfalls eine Ausnehmung 23 und damit eine Querschnittsschwächung 22 besitzt. Gemäß den 3 und 4 ist dabei der jeweilige Abschnitt 8, 14, 18 als Vollprofil ausgebildet und weist eine in Radialrichtung und Axialrichtung verlaufende Ausnehmung 23 auf.
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Zur Querschnittsschwächung zumindest eines der Abschnitte 8, 14, 18 kann dieser jeweilige Abschnitt 8, 14, 18 selbstverständlich auch rohrförmig mit einer Ausnehmung 23 ausgeführt sein (vergleiche insbesondere den Leitschaufelzapfenabschnitt 8 gemäß der 5), wodurch ebenfalls eine verbesserte Plastifizierung und damit ein verbesserter Spannungsabbau möglich sind. Die rohrförmige Ausbildung bietet dabei zusätzlich den großen Vorteil, dass der jeweilige Abschnitt 8, 14, 18 leichter ausgebildet werden kann. Bei den gemäß den 3, 4 und 6 dargestellten Ausnehmungen 23, sind diese als Axialschlitze 26 ausgeführt.
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Selbstverständlich können die an den jeweiligen Abschnitten 8, 14, 18 und/oder an den jeweiligen Augen 19, 20, 21 bzw. an dem diese Augen 19, 20, 21 umgebenden Rand 24 vorgesehenen Querschnittsschwächungen 22 auch auf weitere Stell- bzw. Anlenkhebel, bei welchen dieselben Schrumpfspannungen beim Herstellen der jeweiligen Schweißstelle 27 auftreten, eingesetzt werden. Insgesamt lässt sich mit der erfindungsgemäßen Ausbildung der jeweiligen Abschnitte 8, 14, 18 bzw. des zugehörigen Randes 24 der Augen 19, 20, 21 das Risiko von unkontrollierten Schrumpfrissen innerhalb oder außerhalb der Schweißstelle 27 deutlich reduzieren, ebenso wie eine Versagenswahrscheinlichkeit. Die Schweißstelle 27 wird dabei beispielsweise kreisförmig ausgeführt und mittels eines Lasers hergestellt. Insgesamt kann somit eine variabel Turbinengeometrie 3 mit deutlich gesteigerter Qualität und Lebensdauer hergestellt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 112012002909 T5 [0002]
- US 2013/0333379 A1 [0003]
