DE102017218303A1

DE102017218303A1 - Turboladereinrichtung mit Fixierung der VTG-Kartusche mittels aushärtendem Werkstoff

Info

Publication number: DE102017218303A1
Application number: DE102017218303.9A
Authority: DE
Inventors: Jan Ehrhard; Holger Fäth; Daniel Kraus; Lukasz Przada; Benjamin Adler; Hildegard Lang; Simon Pflaum
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2017-10-13
Filing date: 2017-10-13
Publication date: 2019-04-18
Anticipated expiration: 2037-10-14
Also published as: DE102017218303B4; WO2019072491A1

Abstract

Es wird eine Turboladereinrichtung beschrieben, die einen zwischen einem Lagergehäuse und einem Turbinengehäuse angeordneten kartuschenförmigen Leitapparat einer variablen Turbinengeometrie aufweist. Der kartuschenförmige Leitapparat ist mithilfe einer aushärtenden Werkstoffmasse am Lagergehäuse und/oder Turbinengehäuse befestigt. Auf diese Weise lässt sich eine hochgenaue und robuste Fixierung des kartuschenförmigen Leitapparates realisieren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turboladereinrichtung, insbesondere für einen Abgasturbolader eines Verbrennungsmotors, mit einem Lagergehäuse, einer im Lagergehäuse drehbar gelagerten Welle, einem auf der Welle angeordneten Turbinenrad, einem Turbinengehäuse für das Turbinenrad und einem zwischen Lagergehäuse und Turbinengehäuse angeordneten kartuschenförmigen Leitapparat einer variablen Turbinengeometrie.
In modernen Kraftfahrzeugen werden zunehmend Abgasturbolader mit variablen Turbinengeometrien eingesetzt, bei welchen die Leistungsabgaben und das Ansprechverhalten an unterschiedliche Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors angepasst werden können. Die dabei eingesetzten variablen Turbinengeometrien weisen drehbare Leitschaufeln auf. Ein solcher Leitapparat einer variablen Turbinengeometrie (VTG) weist in vielen Fällen eine Kartuschenbauform auf. Zur Befestigung der entsprechenden Kartusche benötigt man eine Zentrierung (koaxiale Ausrichtung von Kartusche und Turboladerachse), eine rotatorische Ausrichtung (Sicherung gegen Verdrehen) sowie eine axiale Fixierung bzw. Positionierung der Kartusche relativ zum Turbinenrad.
Um die Funktionalität des Leitapparates (der Kartusche), d.h. eine Schaufelverstellung bei geringer Hysterese sowie geringem Verschleiß, zu gewährleisten, ist es wesentlich, dass Zwangskräfte auf die Kartusche im Betrieb minimal sind. Das können zum einen Zwangskräfte aus dem Anbau am Motor sein (Abgasanlage, zusätzlich Verrohrung), zum anderen Kräfte, die aus der Befestigung herrühren und einen thermischen Ausgleich zwischen den Bauteilen mit unterschiedlichen Wärmedehnungen verhindern bzw. einschränken.
Es hat sich dabei in der Praxis als zielführend erwiesen, die Kartusche entsprechend zu fixieren. Typische Ausführungsformen hierfür sind eine axiale Verspannung und/oder radiale Verpressung der VTG-Kartusche mit dem Lagergehäuse und/oder dem Turbinengehäuse. Häufig kommen auch Federelemente zum Einsatz, wobei hier aufgrund der hohen Abgastemperaturen ein Kompromiss zwischen Federkonstante und Steifigkeit erforderlich ist. Herkömmliche VTG-Befestigungen sind darüber hinaus auf eine sehr hohe Genauigkeit der in Kontakt stehenden Bauteile angewiesen, um die erforderlichen Toleranzen im zusammengebauten Zustand zu gewährleisten.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Turboladereinrichtung der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, die eine besonders robuste und funktionsgerechte Fixierung des Leitapparates (der VTG-Kartusche) ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Turboladereinrichtung der angegebenen Art dadurch gelöst, dass der kartuschenförmige Leitapparat mithilfe einer aushärtenden Werkstoffmasse am Lagergehäuse und/oder Turbinengehäuse befestigt ist.
Um eine hochgenaue und robuste Fixierung des kartuschenförmigen Leitapparates (der VTG-Kartusche) zu realisieren, wird erfindungsgemäß die Befestigung mithilfe eines Mediums vorgeschlagen, welches anfänglich nicht formstabil ist und nach Aushärtung/Verfestigung die gewünschte Verbindung zwischen den relevanten Bauteilen gewährleistet. Die Befestigung der VTG-Kartusche durch ein aushärtendes Medium am Lagergehäuse und/oder Turbinengehäuse führt zu einem Verbund, der den in diesem Bereich auftretenden hohen thermischen und mechanischen Beanspruchungen gerecht wird. Vorteilhaft ermöglicht ein derartiger Verbund die Kompensation geometrischer Toleranzen der Fügepartner, da sich das aushärtende Medium entsprechend anpasst. Es entfällt die Notwendigkeit, komplexe Bauteile mit aufwendiger Bearbeitung einzusetzen. Darüber hinaus findet durch den Verbindungsprozess automatisch ein Ausgleich der Bauteiltoleranzen statt, was insbesondere bei der Massenfertigung sehr vorteilhaft ist. Darüber hinaus lassen sich mit diesem Verfahren auch (erwünschte) Vorspannungen in das System einbringen, welche die Robustheit im Betrieb erhöhen können.
Je nach Wahl des aushärtenden Mediums kann unter Umständen auch eine erwünschte Dämpfung realisiert werden. Insgesamt lässt sich durch die erfindungsgemäße Verbindungstechnik jedenfalls eine definierte Relativposition der zu verbindenden Bauteile sicherstellen, eine definierte Vorspannung zwischen den zu verbindenden Bauteilen einstellen, ein Ausgleich der Bauteiltoleranzen der umgebenden Bauteile erreichen und/oder eine Verdrehsicherung der zu verbindenden Bauteile vorsehen.
Als Beispiele für die erfindungsgemäß verwendete aushärtende Werkstoffmasse seien genannt: hitzebeständige Verbundwerkstoffe, Kaltschweißmassen auf Keramikbasis und entsprechende Metallschäume. Die Erfindung ist aber nicht auf diese Arten von Werkstoffmassen beschränkt. Es sind alle möglichen Massen einsetzbar, wenn sie die geforderten Eigenschaften aufweisen und für eine robuste und funktionsgerechte Verbindung zwischen den entsprechenden Bauteilen des Lagergehäuses und/oder Turbinengehäuses mit dem kartuschenförmigen Leitapparat sorgen.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Leitapparat an einer einzigen Stelle durch die aushärtende Werkstoffmasse fixiert ist und an allen weiteren Schnittstellen mit Spiel zum Lagergehäuse und/oder Turbinengehäuse angeordnet ist. Die Kartusche wird hierbei lediglich lokal fixiert, und zwar idealerweise nicht statisch überbestimmt, und an allen weiteren Schnittstellen mit Spiel angeordnet, um dort eine Relativbewegung zu ermöglichen.
Vorzugsweise weisen die zu verbindenden Bauteile von Lagergehäuse und/oder Turbinengehäuse und Leitapparat (Kartusche) an der Verbindungsstelle eine mit der ausgehärteten Werkstoffmasse gefüllte Kavität auf. Bei dieser Ausführungsform wird das aushärtende Medium (die Werkstoffmasse) nach Ausrichtung der zu verbindenden Bauteile in eine vorgeformte Kavität injiziert und härtet dort aus. Die entsprechende Kavität zwischen den Bauteilen kann dabei so ausgeformt sein, dass sich eine Bewegung der zu verbindenden Bauteile in eine oder mehrere Richtungen unterbinden lässt.
Neben einer speziell geformten Kavität zwischen den zu verbindenden Bauteilen kann zwischen diesen auch lediglich ein einfacher Spalt vorhanden sein, der hierbei als einfacher Klebespalt mit der aushärtenden Werkstoffmasse ausgebildet sein kann, wenn die verwendete Werkstoffmasse funktionsgemäße Adhäsionseigenschaften aufweist.
Vorzugsweise ist der Leitapparat (die Kartusche) über die aushärtende Werkstoffmasse mit Formschluss am Lagergehäuse und/oder Turbinengehäuse fixiert. Auch kann bei der Fixierung des Leitapparates eine bestimmte Richtung oder es können mehrere Richtungen bevorzugt werden, wobei insbesondere eine Fixierung in Radialrichtung und/oder Axialrichtung erfolgt.
Was die Bauteile anbetrifft, mit denen der Leitapparat (die Kartusche) am Lagergehäuse und/oder am Turbinengehäuse fixiert ist, so ist bei einer bevorzugten Lösung der kartuschenförmige Leitapparat über einen Schaufellagerring am Lagergehäuse befestigt. Hierbei kann die Befestigung radial innen oder radial außen am Lagerring erfolgen. Bei einer Befestigung des Leitapparates am Turbinengehäuse bietet sich eine Fixierung über eine Abdeckscheibe des Leitapparates am Turbinengehäuse an, wobei auch hier die Befestigungsstelle radial innen oder radial außen an der Abdeckscheibe vorhanden sein kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:

1 einen Teilvertikalschnitt durch eine Turboladereinrichtung des Standes der Technik;
2 eine vergrößerte Darstellung eines Teiles der 1, wobei eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fixierung gekennzeichnet ist;
3 eine Darstellung wie 2 mit einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fixierung;
4 eine Darstellung wie 2 mit noch einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fixierung;
5 eine Darstellung wie 2 mit noch einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fixierung;
6 eine Darstellung wie 2 mit noch einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fixierung; und
7 eine Darstellung wie 2 mit einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fixierung.

Die in 1 im Teilvertikalschnitt dargestellte Turboladereinrichtung besitzt ein Lagergehäuse 1 mit einer Axialbohrung, in der eine Welle 10 gelagert ist. An der Welle 10 ist ein Turbinenrad 9 angeordnet. Ein Hitzeschild 3 schirmt das Lagergehäuse 1 gegenüber dem Turbinenrad 9 ab. Ein Turbinengehäuse 2 umgibt das Turbinenrad 9.
Zwischen Lagergehäuse 1 und Turbinengehäuse 2 befindet sich ein kartuschenförmig ausgebildeter Leitapparat für eine variable Turbinengeometrie, der eine Vielzahl von Leitschaufeln aufweist, welche an einem Schaufellagerring 5 drehbar und einstellbar gelagert sind. Die Einstellung der Leitschaufeln erfolgt über einen Verstellring 7. Ein Schaufelhebel ist mit 8 gekennzeichnet.
Bei der hier dargestellten Ausführungsform einer Turboladereinrichtung wird der kartuschenförmige Leitapparat (VTG-Kartusche) durch ein Federelement 6 gegen das Turbinengehäuse 2 verspannt. Erfindungsgemäß ist nunmehr eine Befestigung des kartuschenförmigen Leitapparates mithilfe einer aushärtenden Werkstoffmasse am Lagergehäuse 1 und/oder Turbinengehäuse 2 vorgesehen, die zusätzlich oder anstelle eines solchen Federelementes 6 Verwendung findet.
2 zeigte eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Befestigungsart. Der kartuschenförmige Leitapparat ist hierbei mit dem Schaufellagerring 5 am Lagergehäuse 1 befestigt. Hierzu ist am Lagergehäuse 1 und am Schaufellagerring 5 jeweils eine nutförmige Kavität 11 ausgebildet, die von einer ausgehärteten Werkstoffmasse 12 gefüllt ist, bei der es sich beispielsweise um einen Metallschaum handeln kann. Die entsprechende Verbindungsstelle befindet sich radial innen am Schaufellagerring 5. Insgesamt hat die Kavität 11 an der Verbindungsstelle im Querschnitt die Form eines Sechseckes.
3 zeigt eine entsprechende Verbindung wie 2, mit dem Unterschied, dass sich hierbei die Verbindungsstelle zwischen dem Schaufellagerring 5 und dem Lagergehäuse 1 radial außen am Schaufellagerring 5 befindet. Auch hierbei ist an der Verbindungsstelle an beiden Bauelementen eine nutförmige Kavität 11 vorgesehen, die mit einem Metallschaum als ausgehärtete Werkstoffmasse 12 verfüllt ist.
4 zeigt eine Ausführungsform, bei der der kartuschenförmige Leitapparat am Turbinengehäuse 2 befestigt ist. Die Befestigung erfolgt hierbei über eine Abdeckscheibe 4 der Kartusche, und zwar ist die Abdeckscheibe radial innen über eine ausgehärtete Werkstoffmasse 12 am Turbinengehäuse 2 fixiert. Bei der Ausführungsform der 5 ist die Kartusche mithilfe der Abdeckscheibe 4 radial und axial am Turbinengehäuse 2 befestigt. Hierzu ist auf der radialen Innenfläche der Abdeckscheibe 4 eine nutförmige Kavität vorgesehen. Eine zugehörige Kavität im Turbinengehäuse 2 ist im Querschnitt dreieckförmig ausgebildet. Durch Verfüllung der Kavität mit aushärtender Werkstoffmasse 12 erfolgt eine radiale und axiale Fixierung der Kartusche mit der Abdeckscheibe 4 am Turbinengehäuse 2. Insgesamt entsteht dabei eine formschlüssige Verbindung.
Die 6 und 7 zeigen Ausführungsformen, die denen der 4 und 5 entsprechen, mit dem einzigen Unterschied, dass sich hierbei die Verbindungsstellen radial außen an der Abdeckscheibe 4 befinden. 6 zeigt eine Verbindung ohne Formschluss, während eine Verbindung mit Formschluss wie bei der Ausführungsform der 5 in 7 dargestellt ist.

Claims

Turboladereinrichtung, insbesondere für einen Abgasturbolader eines Verbrennungsmotors, mit einem Lagergehäuse (1), einer im Lagergehäuse (1) drehbar gelagerten Welle (10), einem auf der Welle (10) angeordneten Turbinenrad (9), einem Turbinengehäuse (2) für das Turbinenrad (9) und einem zwischen Lagergehäuse (1) und Turbinengehäuse (2) angeordneten kartuschenförmigen Leitapparat einer variablen Turbinengeometrie, dadurch gekennzeichnet, dass der kartuschenförmige Leitapparat mithilfe einer aushärtenden Werkstoffmasse (12) am Lagergehäuse (1) und/oder Turbinengehäuse (2) befestigt ist.
Turboladereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aushärtende Werkstoffmasse (12) ein hitzebeständiger Verbundwerkstoff ist.
Turboladereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aushärtende Werkstoffmasse (12) eine Kaltschweißmasse auf Keramikbasis it.
Turboladereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aushärtende Werkstoffmasse (12) ein Metallschaum ist.
Turboladereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitapparat an einer einzigen Stelle durch die aushärtende Werkstoffmasse (12) am Lagergehäuse (1) oder Turbinengehäuse (2) fixiert ist und an allen weiteren Schnittstellen mit Spiel zum Lagergehäuse (1) oder Turbinengehäuse (2) angeordnet ist.
Turboladereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu verbindenden Bauteile von Lagergehäuse (1) und/oder Turbinengehäuse (2) und Leitapparat an der Verbindungsstelle eine mit der ausgehärteten Werkstoffmasse (12) gefüllte Kavität (11) aufweisen.
Turboladereinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavität (11) so ausgeformt ist, dass sich eine Bewegung der zu verbindenden Bauteile in eine oder mehrere Richtungen unterbinden lässt.
Turboladereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitapparat über die aushärtende Werkstoffmasse (12) mit Formschluss am Lagergehäuse (1) und/oder Turbinengehäuse (2) fixiert ist.
Turboladereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitapparat in Radialrichtung und/oder Axialrichtung fixiert ist.
Turboladereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der kartuschenförmige Leitapparat über einen Schaufellagerring (5) am Lagergehäuse (1) fixiert ist.
Turboladereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der kartuschenförmige Leitapparat über eine Abdeckscheibe (4) am Turbinengehäuse (2) fixiert ist.