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Die Erfindung betrifft eine Verbindungsvorrichtung für einen Abgasturbolader der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.
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Zweckmäßigerweise besteht ein Abgasturbolader aus mehreren Gehäuseabschnitten: Einem ersten Gehäuseabschnitt, welcher im Allgemeinen von heißen Gasen, in der Regel Abgas einer Brennkraftmaschine, durchströmt wird, einem zweiten Gehäuseabschnitt, welcher ein drehbar im zweiten Gehäuseabschnitt gelagertes Laufzeug aufnehmbar ausgebildet ist und zwischen dem ersten Gehäuseabschnitt und einem dritten Gehäuseabschnitt, welcher von im Allgemeinen Umgebungsluft durchströmbar ist, positioniert ist. Zwischen den einzelnen Gehäuseabschnitten sind Flanschflächen ausgebildet, derart, dass diese Flanschflächen einander berührbar ausgestaltet sind, so dass ein Ausströmen des heißen Gases und der Umgebungsluft weitestgehend vermieden wird. Sofern es zwischen den Flanschflächen zu Undichtheiten kommt, reduziert sich einerseits ein Gesamtwirkungsgrad des Abgasturboladers und andererseits treten zwischen dem ersten Gehäuseabschnitt und dem zweiten Gehäuseabschnitt umweltbelastende Abgase aus, was insbesondere zu vermeiden ist. Zu berücksichtigen ist, dass der Abgasturbolader zerlegbar sein sollte, das heißt, dass beispielsweise eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den einzelnen Flanschflächen zwar eine Dichtheit zwischen den Flanschflächen herbeiführen könnte, allerdings der Abgasturbolader dann nicht mehr einfach zerlegbar und wieder montierbar ist.
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Insbesondere problematisch ist eine Verbindung zwischen dem abgasdurchströmten ersten Gehäuseabschnitt und dem luft- oder Schmiermittel- und/oder wasserdurchströmten zweiten Gehäuseabschnitt, da es hier zu großen Temperaturunterschieden sowie -schwankungen zwischen den Gehäuseabschnitten kommt. Das bedeutet, dass das Verbindungselement unterschiedliche Wärmeausdehnungen der Gehäuseabschnitte kompensieren muss und selbst unterschiedlichen und wechselnden Spannungen unterliegt.
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Die Verbindungsvorrichtung ist üblicherweise rohrschellenformartig ausgebildet, wobei zwei sich über einen Umfang der Verbindungsvorrichtung erstreckende Elemente an ihren einander zugewandt ausgebildeten Enden zumindest einseitig lösbar mit Hilfe einer Schrauben-Mutter-Verbindung verbunden sind.
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So kann beispielsweise der Offenlegungsschrift
DE 10 2014 103 683 A1 eine Profilschelle entnommen werden, deren im Bereich der Schrauben-Mutter-Verbindung einander zugewandt ausgebildete Enden der Elemente, jeweils mit einer Nase versehen sind, derart, dass Flanschbereiche der Elemente bevorzugt ausschließlich mit den Nasen einen Kontakt aufweisen. Die Elemente sind profiliert ausgeführt und weisen Flanken auf, welche trapezformartig ausgeführt sind, da die Profilschelle zur Herstellung einer Kegelflanschverbindung vorgesehen ist.
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Im Betrieb eines die Verbindungsvorrichtung aufweisenden Abgasturboladers treten an bestimmten Stellen der Verbindungsvorrichtung, in der Regel an Endbereichen der im Wesentlichen schalenförmig ausgebildeten Elemente, die miteinander in Verbindung stehen, hohe Zug- und Druckspannungen auf. Diese Zug- und Druckspannungen können zu Dehnungen und im schlimmsten Fall zu Versagen durch Bruch im Betrieb führen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine eine sichere Verbindung herbeiführende Verbindungsvorrichtung für einen Abgasturbolader bereitzustellen. Die weitere Aufgabe ist die Angabe eines verbesserten Abgasturboladers.
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Diese Aufgabe wird durch eine Verbindungsvorrichtung für einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die weitere Aufgabe wird mit einem Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung betrifft eine Verbindungsvorrichtung für einen Abgasturbolader, mit einem im Wesentlichen gebogenen ersten Element und einem im Wesentlichen gebogenen zweiten Element. Das erste Element und das zweite Element sind in einem ersten Endbereich bzw. in einem zweiten Endbereich lösbar und in einem dritten Endbereich bzw. einem vierten Endbereich bewegbar miteinander verbunden, und wobei sich zwischen dem ersten Endbereich und dem dritten Endbereich ein erster Aufnahmeabschnitt und zwischen dem zweiten Endbereich und dem vierten Endbereich ein zweiter Aufnahmeabschnitt erstreckt, wobei die Aufnahmeabschnitte zur Aufnahme von Gehäuseabschnitten des Abgasturboladers vorgesehen sind. Erfindungsgemäß ist zur Reduzierung von Spannungen im ersten Element und/oder im zweiten Element eine Ausnehmung ausgebildet. Mit Hilfe der Ausnehmung, insbesondere sofern beide Elemente Ausnehmungen aufweisen, können sich die über den Umfang der Verbindungsvorrichtung ausgebildeten Spannungen besser verteilen. Das heißt mit anderen Worten, dass eine Kumulation der entsprechenden Spannung an einer bestimmten Stelle vermieden wird, derart, dass an dieser Stelle ein hoher Wert der Spannung vorliegt, während an einer anderen Stelle keine bzw. eine nur unwesentlich große Spannung vorliegt.
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Es ergibt sich eine verbesserte Stabilität im Betrieb des Abgasturboladers, da die insbesondere unter schwankenden Betriebstemperaturen des Abgasturboladers auftretende Deformation aufgrund der besseren Verteilung der Spannung wesentlich reduziert ist.
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Insbesondere ist die Ausnehmung in einem hohe Zug- und Druckspannungen aufweisenden Bereich des entsprechenden Elements ausgebildet. Ein Querschnitt der Verbindungsvorrichtung ist im Bereich der Ausnehmung zwar reduziert, jedoch wird die sich ergebende Umfangskraft besser in der gesamten Verbindungsvorrichtung verteilt, derart, dass eine Kumulation von Zug- und Druckspannungen reduziert ist.
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Insbesondere haben sich drei Ausnehmungen in dem Aufnahmeabschnitt als vorteilhaft erwiesen. Dies ist darin zu begründen, dass insbesondere an den Endbereichen des Elementes der im wesentlichen gebogen ausgebildete Aufnahmeabschnitt mit Hilfe einer extremen Richtungsänderung einer Erstreckung des Elementes in den jeweiligen Endbereich überführt wird. So ergeben sich fast rechtwinklige Kontaktbereiche der Endbereiche mit dem Aufnahmeabschnitt. Diese Kontaktbereiche sind hohen Zug- und Druckspannungen ausgesetzt. Damit diese insbesondere reduziert werden können ist somit jeweils eine Ausnehmung im Aufnahmeabschnitt nahe den Kontaktbereichen resp. den Endbereichen des Elementes anzuordnen. Des Weiteren ist eine Ausnehmung in dem zuerst mit den aufzunehmenden Gehäuseabschnitten, insbesondere mit deren an Flanschflächen ausgebildeten Abschnittsbunden, sich berührenden Bereich des Aufnahmeabschnitts auszubilden, da dieser bei Herstellung der festen Verbindung mit dem Abgasturbolader unter hohen Zugspannungen steht. Somit ist es vorteilhaft zumindest drei Ausnehmungen in dem Aufnahmeabschnitt vorzusehen.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist die Ausnehmung in einem Band des Aufnahmeabschnitts ausgebildet. Dadurch bleibt eine Festigkeit des Aufnahmeabschnitts bei gleichzeitiger Reduzierung eines Bandquerschnitts. Bevorzugt sind die Elemente profiliert, ein u-formartig ausgeführtes Querschnittsprofil aufweisend, ausgebildet. Unter dem u-formartigen Querschnittsprofil fällt auch ein V-formartiges Querschnittsprofil mit einem speziell abgestimmten Winkel zwischen Profilflanken des Querschnittsprofils. Dadurch kann eine verbesserte Gesamtelastizität der Verbindungsvorrichtung erzielt werden, die zu einer verbesserten relativen Anpassung der Verbindungsvorrichtung an die zu verbindenden Gehäuseabschnitte führt. Beim Anziehen, mit anderen Worten beim Verspannen der Verbindungsvorrichtung entstehen an Flanschen des Lager- und Turbinengehäuses durch die eingebrachte Axialkraft am Umfang der Verbindungsvorrichtungen Biegespannungen. Diese Biegespannungen haben im Bereich der Endabschnitte, insbesondere an abgeknickten Bereichen, ein Maximum. Die Ausnehmungen führen zu einer Reduzierung der Steifigkeit an diesen Stellen und reduzieren die Spannungsspitzen in der Verbindungsvorrichtung und den Gehäusen.
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Zur Erhaltung eines hinreichend großen Widerstandsmomentes des die Ausnehmung aufweisenden Elementes weist die Ausnehmung eine maximale Breite und eine entsprechende optimierte Form auf, wobei die maximale Breite einen Wert aufweist, der höchstens so groß ist wie ein Wert einer Breite des Bandes. Die optimierte Form ist abgestimmt auf die am Umfang verteilte einzuleitende axiale Kraftkomponente.
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In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung ist die Ausnehmung überwiegend abgerundet ausgebildet, wodurch eine Spannungrissbildung aufgrund von scharfen Ecken und/oder Kanten der Ausnehmung ausgeschlossen werden kann.
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Der zweite Aspekt der Erfindung betrifft einen Abgasturbolader, mit einem insbesondere von heißem Abgas durchströmbaren ersten Gehäuseabschnitt und einem zweiten Gehäuseabschnitt, wobei der erste Gehäuseabschnitt und der zweite Gehäuseabschnitt miteinander mit Hilfe einer Verbindungsvorrichtung verbunden ausgebildet sind. Erfindungsgemäß ist die Verbindungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgestaltet.
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Im Betrieb des Abgasturboladers weisen die Gehäuseabschnitte aufgrund hoher Abgastemperaturen eine Wärmeausdehnung auf. Damit diese Wärmeausdehnung erfolgen kann ohne wesentliche Beeinträchtigung eines Wirkungsgrades des Abgasturboladers ist die Verbindungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet. Dies führt zu einer sicheren Verbindung zwischen den Gehäuseabschnitten und somit zu einer Reduzierung oder Eliminierung einer Schadstoffleckage.
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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. Es zeigen:
- 1 in einer perspektivischen Darstellung eine erfindungsgemäße Verbindungsvorrichtung für einen Abgasturbolader,
- 2 in einem Querschnitt die Verbindungsvorrichtung gem. 1,
- 3 in einer Draufsicht die Verbindungsvorrichtung gem. 1,
- 4 in einer Draufsicht einen Ausschnitt der Verbindungsvorrichtung in einem ersten alternativen Ausführungsbeispiel,
- 5 in einer Draufsicht einen Ausschnitt der Verbindungsvorrichtung in einem zweiten alternativen Ausführungsbeispiel, und
- 6 in einer Draufsicht einen Ausschnitt der Verbindungsvorrichtung in einem dritten alternativen Ausführungsbeispiel.
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Ein nicht näher dargestellter Abgasturbolader weist einen ersten Gehäuseabschnitt auf, in Form eines durchströmbaren Abgasführungsabschnitts, welcher im Betrieb des Abgasturboladers von einem Fluid, in der Regel von Abgas durchströmt wird. Das Abgas ist im Allgemeinen, aber nicht zwangsweise, ein Verbrennungsprodukt einer nicht näher dargestellten Brennkraftmaschine.
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Dem Abgasturbolader ist ein zweiter Gehäuseabschnitt zugeordnet, welcher in Form eines Lagerabschnitts ausgebildet ist und der Lagerung eines nicht näher dargestellten Laufzeugs des Abgasturboladers dient. Der Lagerabschnitt ist zwischen einem nicht näher dargestellten durchströmbaren Luftführungsabschnitt des Abgasturboladers und dem Abgasführungsabschnitt positioniert.
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Das nicht näher dargestellte Laufzeug weist ein nicht näher dargestelltes Verdichterrad und ein nicht näher dargestelltes Turbinenrad auf, welche miteinander mit Hilfe einer nicht näher dargestellten Welle drehfest verbunden sind. Das Verdichterrad ist in einer nicht näher dargestellten Verdichterradkammer des Luftführungsabschnitts zum Ansaugen von im Allgemeinen Frischluft angeordnet. Das nicht näher dargestellte Turbinenrad ist in einer nicht näher dargestellten Radkammer des Abgasführungsabschnitts drehbar aufgenommen.
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Das Turbinenrad wird im Betrieb des Abgasturboladers von dem den Abgasführungsabschnitt durchströmenden Abgas beaufschlagt und angetrieben, wobei es eine Drehbewegung ausführen kann. Diese Drehbewegung ist mit Hilfe der Welle auf das Verdichterrad übertragbar, welches somit simultan zur Drehbewegung des Turbinenrads eine Drehbewegung ausführen kann. Mit Hilfe des Verdichterrades und dessen Drehbewegung wird Frischluft angesaugt, welche im Luftführungsabschnitt verdichtet wird.
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Der Abgasführungsabschnitt weist an seinem dem Lagerabschnitt zugewandt ausgebildeten Ende eine erste Flanschfläche auf. Dieser ersten Flanschfläche gegenüberliegend ist eine zweite Flanschfläche des Lagerabschnitts ausgebildet, wobei die beiden Flanschflächen überwiegend komplementär ausgebildet sind.
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Die beiden Flanschflächen sind bezogen auf eine Längsachse des Abgasturboladers, welche einer Drehachse des Turbinenrades entspricht, sich sowohl radial als auch in Umfangsrichtung erstreckend ausgebildet. Der Abgasführungsabschnitt weist einen dem Lagerabschnitt gegenüberliegenden ersten Abschnittsbund auf, welchem axial benachbart ein zweiter Abschnittsbund des Lagerabschnitts zugeordnet ist. Die erste Flanschfläche und die zweite Flanschfläche erstrecken sich über den ersten Abschnittsbund bzw. den zweiten Abschnittsbund.
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Der Abgasführungsabschnitt und der Lagerabschnitt sind mittels einer erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung 1 im Bereich der Flanschflächen miteinander verbunden. Die Verbindungsvorrichtung 1 umfasst ein überwiegend in Umfangsrichtung gebogenes erstes Element 2 und ein überwiegend in Umfangsrichtung gebogenes zweites Element 3, die einends lösbar mittels eines ersten Verbindungselements 4 und anderenends bewegbar mittels eines zweiten Verbindungselements 5 miteinander verbunden sind, s. 1, in der die Verbindungsvorrichtung 1 in einer perspektivischen Ansicht illustriert ist. Die Verbindungsvorrichtung 1 ist prinzipiell ähnlich einer Rohrschellenverbindung ausgebildet. Mit anderen Worten ist zur Verbindung der beiden Gehäuseabschnitte eine den ersten Abschnittsbund und den zweiten Abschnittsbund in radialer, in axialer Richtung und in Umfangsrichtung zumindest teilumfänglich umfassende bandformartige Verbindungsvorrichtung 1 vorgesehen.
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Ein erster Endbereich 6 des ersten Elementes 2 und ein zweiter Endbereich 7 des zweiten Elementes 3 sind zur Herstellung einer Verbindung mit Hilfe des ersten Verbindungselementes 4, welches in Form eines Schrauben-Mutter-Elementes ausgebildet ist, ausgestaltet und weisen hierzu einen ersten Spannarm 8 bzw. einen zweiten Spannarm 9 auf. In den Spannarmen 8, 9 ist jeweils eine Öffnung 10 ausgeführt, durch die das erste Verbindungselement 4, die Schraube, hindurch steckbar ist. Ein Kopf 11 des ersten Verbindungselementes 4 ist auf den ersten Spannarm 8 aufliegend ausgeführt. An dem vom Kopf 11 abgewandt ausgebildeten Elementende 12 sind eine Klemmscheibe 13 und ein Sicherungselement 14, in diesem Ausführungsbeispiel in Form einer Mutter, angeordnet, damit die beiden Elemente 2, 3 mit Hilfe einer Vorspannkraft des ersten Verbindungselementes 4 miteinander verspannt werden können.
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Das erste Element 2 erstreckt sich ausgehend vom ersten Spannarm 8 mit einem ersten Anschlag 15, über einen ersten Aufnahmeabschnitt 16 bis zu einem dritten Endbereich 17, welcher ein ösenformartig ausgebildetes erstes Sicherungselement 18 aufweist. Das zweite Element 3 ist identisch ausgebildet und erstreckt sich ausgehend vom zweiten Spannarm 9 über einen zweiten Aufnahmeabschnitt 19 bis zu einem ösenformartig ausgebildeten zweiten Sicherungselement 20 in einem vierten Endbereich 21. An seinem vom zweiten Sicherungselement 20 abgewandt ausgebildeten zweiten Endbereich 7 weist der zweite Spannarm 9 einen zweiten Anschlag 22 auf.
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Die beiden Elemente 2, 3 sind zur Realisierung einer relativen Anpassung eines Innenumfangs 23 der Verbindungsvorrichtung 1 an einen Außenumfang der Abschnittsbunde aus einem Profilmaterial mit zwischen einem Band 24 ausgebildeten Schenkeln 25 hergestellt, welches im Wesentlichen ein u-förmiges oder v-förmiges Profil aufweist. Ebenso könnte das Profil auch als trapezformartiges Profil bezeichnet werden.
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In 2 ist die Verbindungsvorrichtung 1 in einem Querschnitt illustriert. Die mit einem Pfeil markierten Stellen 26 kennzeichnen Stellen, an denen Zug- und Druckspannungen im Betrieb auftreten, wobei die Stellen 26, insbesondere im dritten Endbereich 17 und vierten Endbereich 21 Stellen mit einer intensiven Materialumformung sind.
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Zur Reduzierung dieser Zug- und Druckspannungen weisen der erste Aufnahmeabschnitt 16 und der zweite Aufnahmeabschnitt 19 Ausnehmungen 27 auf. Die Ausnehmungen 27 sind nahe den Stellen 26 ausgebildet, wobei ebenso ein insbesondere während der Montage auf Zugspannung belasteter Abschnittsbereich 28 der Aufnahmeabschnitte 16, 19 Ausnehmungen 27 aufweist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die im Abschnittsbereich 28 ausgebildete Ausnehmung 27 mittig zwischen den beiden im Bereich der Stelle 26 ausgebildeten Ausnehmungen angeordnet. Das bedeutet, dass bevorzugt das Element 2; 3 drei Ausnehmungen 27 aufweist.
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Idealerweise werden die Stellen der Zug- und Druckspannungen simulativ mit Hilfe von Rechenprogrammen ermittelt, damit die Positionierung der Ausnehmungen 27 zur Reduzierung oder Eliminierung der Druck- und Zugspannungen führt.
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In den 4 bis 6 dargestellt sind unterschiedliche Formen der Ausnehmungen 27 dargestellt. Die Wahl der geeigneten Form der Ausnehmung 27 ist abhängig von den auftretenden bzw. zu erwartenden Spannungen sowie abhängig von dem gewählten Material der Elemente 2, 3. Eine weitere Abhängigkeit ist in den konstruktiven Ausführungen der Verbindungselemente 4, 5 zu sehen.
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Wie insbesondere in 3, in einer Draufsicht auf die erfindungsgemäße Verbindungsvorrichtung 1 zu erkennen ist, ist die hier gewählte Form der Ausnehmung 27 eine Langlochöffnung. Bevorzugt sind scharfe Kanten der Ausnehmung 27 zu vermeiden, da es hier zu einer Rissbildung kommen kann.
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Die Ausnehmungen 27 sind das Band 24 in seiner Dicke D vollständig durchdringend ausgebildet. Zur Vermeidung einer Festigkeitsreduzierung der Aufnahmeabschnitte 16, 19 sind die Ausnehmungen 27 abschnittsweise an diesen ausgebildet. Sie sind bevorzugt symmetrisch zu einer Bandmitte 29 auszubilden, wobei ihre maximale Breite Bmax die Hälfte einer Bandbreite B nicht überschreitet. Eine Überschreitung der Hälfte der Bandbreite B könnte zu einer Schwächung, d.h. einer Reduzierung eines Widerstandsmomentes eines die Ausnehmung 27 aufweisenden Querschnitts des entsprechenden Aufnahmeabschnitts 16; 19 führen, wodurch sich insbesondere durch erhöhte Temperaturen eine Aufweitung und damit Lockerung der Verbindungsvorrichtung 1 ergeben könnte.
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Bei der Positionierung der Ausnehmungen 27 ist auch die Anordnung der Verbindungsvorrichtung 1 relativ zu den Gehäuseabschnitten zu berücksichtigen. So wird eine ausgeprägtere Wärmedehnung auf der dem Abgasführungsabschnitt zugewandt angeordneten Seite der Verbindungsvorrichtung 1 zu erwarten sein, im Vergleich zu der dem Lagerabschnitt zugewandt angeordneten Seite der Verbindungsvorrichtung 1.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014103683 A1 [0005]
