DE102018210024A1

DE102018210024A1 - Tellerfeder, insbesondere für eine variable Turbinengeometrie eines Abgasturboladers

Info

Publication number: DE102018210024A1
Application number: DE102018210024.1A
Authority: DE
Inventors: Daren Bolbolan; Kinh Toai Pham
Original assignee: BMTS Technology GmbH and Co KG
Current assignee: BMTS Technology GmbH and Co KG
Priority date: 2018-06-20
Filing date: 2018-06-20
Publication date: 2019-12-24
Also published as: US11566678B2; US20190390728A1; CN110617291A; CN110617291B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Tellerfeder (1), insbesondere für eine variable Turbinengeometrie eines Abgasturboladers. Die Tellerfeder (1) umfasst einen ringförmigen Grundkörper (2), durch dessen Mittellängsachse (M) eine axiale Richtung (A) des Grundkörpers (2) definiert ist. Ein Profil (3) des Grundkörpers (2) in einer die Mittellängsachse (M) enthaltenen Profil-Ebene (P) weist eine wellenförmige Kontur (4) mit einem radial inneren und einem radial äußeren Minimum (9a, 9b) und mit einem zwischen den beiden Minima (9a, 9b) angeordneten Zwischenmaximum (10) auf. Das Profil (3) erstreckt sich von einem radial inneren Endpunkt (5a) zu einem radial äußeren Endpunkt (5b), wobei der radial innere Endpunkt (5a) entlang der axialen Richtung (A) versetzt zum radial äußeren Endpunkt (5b) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Tellerfeder, insbesondere für eine variable Turbinengeometrie eines Abgasturboladers.
Tellerfedern in variablen Turbinengeometrien von Abgasturboladern erfüllen typischerweise zwei Funktionen: Zum einen dienen sie als Hitzeschild, um im Abgasturbolader betriebsmäßig erzeugte Abwärme gegenüber der Kinematik der variablen Turbinengeometrie abzuschirmen. Darüber hinaus können mittels der Tellerfeder bestimmte Komponenten der variablen Turbinengeometrie vorgespannt werden.
Solche herkömmlichen Tellerfedern sind beispielsweise aus der DE10 2008 032 808 A1 und aus der WO 2009/092678 A1 bekannt.
Als nachteilig bei solchen herkömmlichen Tellerfedern erweist sich, dass die Tellerfeder aufgrund der im Abgasturbolader typischerweise sehr hohen Betriebstemperaturen von bis zu 850°C relaxieren, sich also plastisch verformen kann, zumal sie im Einbauzustand in der Regel ein sehr hohes Spannungsniveau aufweist. Außerdem steht im Abgasturbolader typischerweise nur wenig Bauraum zur Verfügung, was für die Tellerfeder einen kurzen Federweg und eine hohe Steifigkeit bedingt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei der Entwicklung von Tellerfedern, insbesondere für variable Turbinengeometrien von Abgasturboladern, neue Wege aufzuzeigen. Insbesondere soll eine Tellerfeder geschaffen werden, bei welcher oben genannter Nachteil nicht mehr oder nur noch in stark abgemilderter Form auftritt.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Grundgedanke der Erfindung ist demnach, die Kontur der Tellerfeder wellenförmig mit zwei Minima und einem Zwischenmaximum auszugestalten, so dass die Kontur mit großen Krümmungsradien versehen wird. Auf diese Weise wird der elastisch verformbare Bereich der Tellerfeder gegenüber herkömmlichen Tellerfedern vergrößert. Unerwünschte betriebsbedingte Relaxationseffekte in der Tellerfeder können auf diese Weise minimiert oder sogar vollständig unterbunden werden, ohne dass damit eine Minderung der Steifigkeit oder eine Erhöhung des Federwegs einherginge.
Eine erfindungsgemäße Tellerfeder, insbesondere für eine variable Turbinengeometrie eines Abgasturboladers, umfasst einen ringförmigen Grundkörper, durch dessen Mittellängsachse eine axiale Richtung des Grundkörpers definiert ist. Das Profil des Grundkörpers weist in einer die Mittellängsachse enthaltenen Profil-Ebene eine wellenförmige Kontur mit einem radial inneren und einem radial äußeren Minimum sowie mit einem zwischen den beiden Minima angeordneten Zwischenmaximum auf. Die Kontur erstreckt sich dabei bzgl. der radialen Richtung, die senkrecht zur axialen Richtung verläuft, von einem radial inneren Endpunkt zu einem radial äußeren Endpunkt. Bezüglich der axialen Richtung ist der radial innere Endpunkt dabei versetzt zum radial äußeren Endpunkt angeordnet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Grundkörper im Profil einen ersten und einen zweiten Wendepunkt auf, die beide in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind, die sich senkrecht zur axialen Richtung erstreckt. Die mit dieser Ausführungsform einhergehende Geometrie erlaubt die Realisierung besonders großer Krümmungsradien, wodurch der Ausbildung von Relaxationszonen, in welchen die Tellerfeder plastisch verformt wird, entgegengewirkt werden kann.
Vorzugsweise sind die beiden Wendepunkte und somit auch die gemeinsame Ebene bezüglich der axialen Richtung auf Höhe des radial äußeren Endpunkts angeordnet. Diese Variante ermöglicht eine Maximierung des elastisch verformbaren Bereichs.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist das Profil einen radial inneren Profilabschnitt, der radial innen durch den inneren Endpunkt begrenzt, und einen radial äußeren Profilabschnitt auf, der radial außen vom äußeren Endpunkt begrenzt wird. Der radial äußere Profilabschnitt und der radial innere Profilabschnitt sind bei dieser Weiterbildung im Abstand zueinander angeordnet. Die Kontur des radial äußeren Profilabschnitts stellt dabei eine Spiegelung des radial inneren Profilabschnitts an einer zwischen den beiden Profilabschnitten angeordneten und parallel zur Mittellängsachse des Grundkörpers verlaufenden Spiegelachse. Dabei ist die Kontur des radial äußeren Profilabschnitts in axialer Richtung versetzt zur Kontur des radial inneren Profilabschnitts angeordnet. Auch diese Variante ermöglicht eine Vergrößerung des elastisch verformbaren Bereichs.
Besonders bevorzugt sind der radial innere und der radial äußere Profilabschnitt entlang der axialen Richtung um denselben Betrag versetzt zueinander angeordnet wie der radial innere und der radial äußere Endpunkt. Auch mit dieser Maßnahme geht eine Erhöhung des elastisch verformbaren Bereichs der Tellerfeder einher.
Zweckmäßig ist der radial innere Profilabschnitt radial außen durch den zweiten Wendepunkt begrenzt.
Besonders bevorzugt sind das radial innere Minimum im radial inneren Profilabschnitt und das radial äußere Minimum im radial äußeren Profilabschnitt angeordnet. Insbesondere kann das radial innere Minimum den radial inneren Profilabschnitt radial außen begrenzen. Auch mit dieser Maßnahme gehen besonders große Krümmungsradien in der wellenförmigen Kontur einher.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung geht der radial innere Profilabschnitt mittels eines Übergangsprofilabschnitts in den radial äußeren Profilabschnitt über, in welchem das zwischen den Minima vorgesehene Zwischenmaximum angeordnet ist. Eine derart ausgebildete Tellerfeder lässt sich bei Verwendung einer Blechlage als Ausgangsmaterial durch einfache Umformprozesse herstellen.
Zweckmäßig gehen die beiden Profilabschnitte, also der radial innere und der radial äußere Profilabschnitt, jeweils stetig und knickfrei in den Übergangsprofilabschnitt über. Eine derart ausgebildete Tellerfeder besitzt eine besonders hohe Federkonstante und, damit einhergehend, eine besonders hohe Steifigkeit.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung schließt der radial innere Profilabschnitt in dem zweiten Wendepunkt an den Übergangsprofilabschnitt an. Alternativ oder zusätzlich schließt bei dieser Weiterbildung der radial äußere Profilabschnitt in einem dritten Wendepunkt an den Übergangsprofilabschnitt an.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist der dritte Wendepunkt bzgl. der axialen Richtung versetzt zur gemeinsamen Ebene angeordnet, in welcher der erste und zweite Wendepunkt angeordnet sind.
Besonders bevorzugt ist das Profil stetig, insbesondere ohne Ausbildung einer Stufe, und knickfrei ausgebildet. Eine derart ausgebildete Tellerfeder besitzt eine besonders hohe Federkonstante.
Die Erfindung betrifft des Weiteren eine variable Turbinengeometrie für einen Abgasturbolader. Die erfindungsgemäße variable Turbinengeometrie umfasst ein Lagergehäuse, an welchem eine vorangehend vorgestellte Tellerfeder angeordnet ist. Die voranstehend erläuterten Vorteile der Tellerfeder übertragen sich daher auch auf die erfindungsgemäße variable Turbinengeometrie.
Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Abgasturbolader mit einer Turbine, mit einem Verdichter und mit einer voranstehend genannten variablen Turbinengeometrie. Die voranstehend erläuterten Vorteile der Tellerfeder übertragen sich daher auch auf den erfindungsgemäßen Abgasturbolader.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
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 Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch:

1 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Tellerfeder in einer seitlichen Schnittansicht,
2 die Tellerfeder der 1 im Profil.

Die 1 zeigt ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Tellerfeder 1 in einer seitlichen Schnittansicht. Die Tellerfeder 1 umfasst einen ringförmigen Grundkörper 2, der durch ein Blechformteil gebildet werden kann. Durch eine Mittellängsachse M des Grundkörpers 2 wird eine axiale Richtung A des Grundkörpers 2 definiert ist. Der Grundkörper 2 erstreckt sich entlang einer Umfangsrichtung U, die senkrecht zur Mittellängsachse M und somit auch zur axialen Richtung A verläuft, und fasst eine Durchgangsöffnung ein. Eine radiale Richtung R erstreckt sich senkrecht von der Mittellängsachse M weg und erstreckt sich somit auch senkrecht zur axialen Richtung A und senkrecht zur Umfangsrichtung U.
Die 2 zeigt ein Profil 3 des Grundkörpers 2 in einer Profil-Ebene P, welche die Mittellängsachse M enthält. Demnach weist das Profil 3 eine wellenförmige Kontur 4 auf, die sich von einem radial inneren Endpunkt 5a zu einem radial äußeren Endpunkt 5b erstreckt. Dabei ist der radial innere Endpunkt 5a entlang der axialen Richtung A versetzt zum radial äußeren Endpunkt 5b angeordnet. Das Profil 3 des Grundkörpers 2 ist wie in 2 dargestellt bevorzugt stetig, insbesondere ohne Ausbildung einer Stufe, und auch knickfrei ausgebildet.
Entsprechend 1 weist der Grundkörper 2 im Profil 3 einen ersten und einen zweiten Wendepunkt 6a, 6b auf, die beide in einer gemeinsamen Ebene E angeordnet sind, welche sich wiederum senkrecht zur axialen Richtung A erstreckt. Die gemeinsame Ebene E schneidet die Profil-Ebene P orthogonal. Bezüglich der axialen Richtung A sind die beiden Wendepunkte 6a, 6b und somit auch die gemeinsame Ebene E auf Höhe des radial äußeren Endpunkts 5b angeordnet.
Entsprechend 2 besitzt das Profil 3 des Grundkörpers 2 einen radial inneren Profilabschnitt 8a, der radial innen durch den inneren Endpunkt 5a begrenzt wird, und einen radial äußeren Profilabschnitt 8b, der radial außen durch den äußeren Endpunkt 5b begrenzt wird. Der radial innere Profilabschnitt 8a geht mittels eines Übergangsprofilabschnitts 8c in den radial äußeren Profilabschnitt 8b über, d.h. der radial innere Profilabschnitt 8a und der radial äußere Profilabschnitt 8b sind entlang der radialen Richtung R im Abstand zueinander angeordnet. Der radial innere Profilabschnitt 8a und der radial äußere Profilabschnitt 8b gehen dabei jeweils stetig und knickfrei in den Übergangsprofilabschnitt 8c über. Die Kontur 4 des radial äußeren Profilabschnitts 8b ist eine Spiegelung des radial inneren Profilabschnitts 8a an einer zwischen den beiden Profilabschnitten parallel zur Mittellängsachse M des Grundkörpers 2 verlaufenden Spiegelachse S.
Wie 2 anschaulich belegt, ist die Kontur 4 des radial äußeren Profilabschnitts 8b in axialer Richtung A versetzt zur Kontur 4 des radial inneren Profilabschnitts 8a angeordnet. Dabei sind der radial innere und der radial äußere Profilabschnitt 8a, 8b entlang der axialen Richtung um denselben Betrag Δh versetzt zueinander angeordnet sind wie der innere und der äußere Endpunkt 5a, 5b. Der radial innere Profilabschnitt 8a schließt im zweiten Wendepunkt 6b an den Übergangsprofilabschnitt 8c an. Der radial äußere Profilabschnitt 8b geht in einem dritten Wendepunkt 6c, der im ersten und zweiten Wendepunkt 6a, 6b verschieden ist, an den Übergangsprofilabschnitt 8c an. Der dritte Wendepunkt 6c begrenzt den radial äußeren Profilabschnitt 8b radial innen. Der radial innere Profilabschnitt 8a wird radial außen durch den zweiten Wendepunkt 6b begrenzt.
Wie 2 erkennen lässt, ist der dritte Wendepunkt 6c bzgl. der axialen Richtung A versetzt zur gemeinsamen Ebene E angeordnet, in welcher der erste und zweite Wendepunkt 6a, 6b angeordnet sind.
Wie 2 außerdem erkennen lässt, besitzt das Profil des Grundkörpers 2 ein radial inneres und ein radial äußeres Minimum 9a, 9b sowie ein zwischen diesen beiden Minima 9a, 9b angeordnetes Zwischenmaximum 10. Das radial innere Minimum 9a ist im radial inneren Profilabschnitt 8a und das radial äußere Minimum 10b im radial äußeren Profilabschnitt 9b angeordnet. Das Zwischenmaximum 10 ist im Übergangsprofilabschnitt 8c angeordnet.
Im Beispiel der 2 weist die Kontur 4 zwischen den beiden Wendepunkten 6a, 6b einen vorbestimmten Krümmungsradius R auf. Ein entlang der axialen Richtung A gemessener Abstand y des radial inneren Minimums 9a zur Ebene E beträgt ein Viertel des Krümmungsradius r, d.h. y = 0,25 r. Ein entlang der radialen Richtung R gemessener Abstand x zwischen dem radial inneren Endpunkt 5a und dem radial inneren Minimum 9a gehorcht der Beziehung: x = R + 2 * Δh.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008032808 A1 [0003]
WO 2009/092678 A1 [0003]

Claims

Tellerfeder (1), insbesondere für eine variable Turbinengeometrie eines Abgasturboladers, - mit einem ringförmigen Grundkörper (2), durch dessen Mittellängsachse (M) eine axiale Richtung (A) des Grundkörpers (2) definiert ist, - wobei ein Profil (3) des Grundkörpers (2) in einer die Mittellängsachse (M) enthaltenden Profil-Ebene (P) eine wellenförmige Kontur (4) mit einem radial inneren und einem radial äußeren Minimum (9a, 9b) und mit einem zwischen den beiden Minima (9a, 9b) angeordneten Zwischenmaximum (10) aufweist, die sich von einem radial inneren Endpunkt (5a) zu einem radial äußeren Endpunkt (5b) erstreckt, wobei der radial innere Endpunkt (5a) in der axialen Richtung (A) versetzt zum radial äußeren Endpunkt (5b) angeordnet ist.
Tellerfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2) im Profil (3) einen ersten und einen zweiten Wendepunkt (6a, 6b) aufweist, die beide in einer gemeinsamen Ebene (E) angeordnet sind, die sich senkrecht zur axialen Richtung (A) erstreckt.
Tellerfeder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Wendepunkte (6a, 6b) und somit auch die gemeinsame Ebene (E) bezüglich der axialen Richtung (A) auf Höhe des radial äußeren Endpunkts (5b) angeordnet sind.
Tellerfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass - das Profil (3) einen radial inneren Profilabschnitt (8a), der radial innen durch den radial inneren Endpunkt (5a) begrenzt ist, und einen radial äußeren Profilabschnitt (8b) aufweist, der radial außen vom radial äußeren Endpunkt (5b) begrenzt ist und im Abstand zum radial inneren Profilabschnitt (8a) aufweist, - die Kontur (4) des radial äußeren Profilabschnitts (8b) eine Spiegelung des radial inneren Profilabschnitts (8a) an einer zwischen den beiden Profilabschnitten (8a, 8b) parallel zur Mittellängsachse (M) des Grundkörpers (2) verlaufenden Spiegelachse (S) ist, wobei die Kontur (4) des radial äußeren Profilabschnitts (8b) in axialer Richtung (A) versetzt zur Kontur (4) des radial inneren Profilabschnitts (8a) angeordnet ist.
Tellerfeder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der radial innere und der radial äußere Profilabschnitt (8a, 8b) entlang der axialen Richtung (A) um denselben Betrag (Δh) versetzt zueinander angeordnet sind wie der radial innere und der radial äußere Endpunkt (5a, 5b).
Tellerfeder nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der radial innere Profilabschnitt (8a) radial außen durch den zweiten Wendepunkt (6a) begrenzt ist.
Tellerfeder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das radial innere Minimum (9a) im radial inneren Profilabschnitt (8a) und das radial äußere Minimum (9b) im radial äußeren Profilabschnitt (8b) angeordnet ist.
Tellerfeder nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der radial innere Profilabschnitt (8a) mittels eines Übergangsprofilabschnitts (8c) in den radial äußeren Profilabschnitt (8b) übergeht, in welchem das Zwischenmaximum (10) angeordnet ist.
Tellerfeder nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Profilabschnitte (8a, 8b) jeweils stetig und knickfrei in den Übergangsprofilabschnitt (8c) übergehen.
Tellerfeder nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass - der radial innere Profilabschnitt (8a) in dem zweiten Wendepunkt (6b) an den Übergangsprofilabschnitt (8c) anschließt; oder/und dass - der radial äußere Profilabschnitt (8b) in einem dritten Wendepunkt (6c) an den Übergangsprofilabschnitt (6b) anschließt.
Tellerfeder nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Wendepunkt (6c) bzgl. der axialen Richtung (A) versetzt zur gemeinsamen Ebene (E) angeordnet ist, in welcher der erste und zweite Wendepunkt (6a, 6b) angeordnet sind.
Tellerfeder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil (3) der Tellerfeder (21) stetig, insbesondere ohne Ausbildung einer Stufe, oder/und knickfrei ausgebildet ist.
Variable Turbinengeometrie für einen Abgasturbolader, - mit einem Lagergehäuse, - mit einer am Lagergehäuse angeordneten Tellerfeder (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, - mit einem Verdichter und mit einer Turbine, - mit einer variablen Turbinengeometrie nach Anspruch 14.