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Die Erfindung betrifft eine Abgasleiteinrichtung für einen Abgasturbolader, einen Abgasturbolader, insbesondere für einen Verbrennungsmotor, sowie ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Abgasleiteinrichtung.
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Abgasturbolader werden vermehrt zur Leistungssteigerung bei Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren eingesetzt. Dies geschieht immer häufiger mit dem Ziel den Verbrennungsmotor bei gleicher oder gar gesteigerter Leistung in Baugröße und Gewicht zu reduzieren und gleichzeitig den Verbrauch und somit den CO2-Ausstoß, im Hinblick auf immer strenger werdende gesetzliche Vorgaben diesbezüglich, zu verringern. Das Wirkprinzip besteht darin, die im Abgasstrom enthaltene Energie zu nutzen um den Druck im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors zu erhöhen und so eine bessere Befüllung des Brennraumes mit Luft-Sauerstoff zu bewirken und somit mehr Treibstoff, Benzin oder Diesel, pro Verbrennungsvorgang umsetzen zu können, also die Leistung des Verbrennungsmotors zu erhöhen.
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Ein Abgasturbolader weist dazu eine im Abgasstrang des Verbrennungsmotors angeordnete Abgasturbine mit einem durch den Abgasstrom angetriebenen Turbinenlaufrad und einen im Ansaugtrakt angeordneten Radialverdichter mit einem den Druck aufbauenden Verdichterlaufrad auf. Turbinenlaufrad und Verdichterlaufrad sind drehfest an den gegenüberliegenden Enden einer Läuferwelle befestigt und bilden so den sogenannten Turboläufer, der mit seiner Läuferwelle in einer zwischen Abgasturbine und Radialverdichter angeordneten Läuferlagereinheit drehgelagert ist. Somit wird mit Hilfe des Abgasmassenstroms das Turbinenlaufrad und über die Läuferwelle wiederum das Verdichterlaufrad angetrieben und die Abgasenergie so zum Druckaufbau im Ansaugtrakt genutzt.
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Abgasturbinen und Radialverdichter sind Strömungsmaschinen und haben aufgrund der physikalischen Gesetzmäßigkeiten einen jeweils von Baugröße und Bauart abhängigen optimalen Betriebsbereich der durch den Massedurchsatz, das Druckverhältnis und die Drehzahl des jeweiligen Laufrades gekennzeichnet ist. Im Gegensatz dazu ist der Betrieb eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug von dynamischen Änderungen der Last und des Betriebsbereiches gekennzeichnet.
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Um nun den Betriebsbereich des Abgasturboladers an sich ändernde Betriebsbereiche des Verbrennungsmotors anpassen zu können und so ein gewünschtes Ansprechverhalten möglichst ohne spürbare Verzögerungen (Turboloch) zu gewährleisten werden Abgasturbolader beispielsweise mit über Ventilklappen öffenbaren Bypass-Kanälen ausgestattet. Im Abgasturbinenbereich ist dies als Wastegate-Einrichtung und im Radialverdichterbereich als Schubumluft-Einrichtung bekannt.
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Bei Abgasturbinen mit höheren Anforderungen an die Anpassbarkeit an unterschiedliche Leistungsbereiche wird statt eine Wastegate-Einrichtung auch immer häufiger eine sehr aufwändige Abgasleiteinrichtung mit verstellbaren Leitschaufeln im strömungsführenden Ringspalt zwischen dem um das Turbinenlaufrad angeordneten Spiralkanal und dem Turbinenlaufrad vorgesehen. Eine solche Abgasleiteinrichtung wird auch als Variable Turbinengeometrie (VTG) bezeichnet.
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Eine solche Abgasleiteinrichtung ist eine komplexe Baueinheit die aus einer Vielzahl von Bauelementen besteht. Deshalb ist es sinnvoll eine solche Abgasleiteinrichtung als separat vormontierbare Baugruppe auszubilden, die dann als Ganzes in die Abgasturbine eingesetzt werden kann. Dies wird auch als Kartuschenbauweise bezeichnet und die Baugruppe der Abgasleiteinrichtung kann als VTG-Kartusche bezeichnet werden.
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Der übliche Aufbau einer solchen VTG-Kartusche besteht im Wesentlichen aus einem Lagerscheibenring und einem Deckscheibenring, der mittels mehrerer Abstandshaltebolzen in einem bestimmten Abstand und konzentrisch zum Lagerscheibenring angeordnet und an diesem befestigt ist und der auf diese Weise mit dem Lagerscheibenring einen Ringspalt bildet. In dem Ringspalt sind mehrere im Lagerscheibenring drehgelagerte Abgas-Leitschaufeln, zur Steuerung des Abgasmassenstroms im Ringspalt angeordnet. Auf der dem Ringspalt abgewandten Seite des Lagerscheibenrings ist eine Stellmechanik angeordnet die zur Betätigung der Abgas-Leitschaufeln vorgesehen ist. Mit Hilfe dieser Stellmechanik wird die Drehlage der Abgas-Leitschaufeln nach Bedarf verändert und so die Richtung und die Menge des von dem Spiralkanal her über den Ringspalt auf das Turbinenlaufrad geleiteten Abgas-Massenstroms bestimmt.
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Insbesondere der Lagerscheibenring der Deckscheibenring und die Abgasleitschaufeln sind im Betrieb dem heißen Abgas-Massenstrom ausgesetzt und daher thermisch stark belastet. Um trotz entsprechender Wärmedehnung und damit einhergehenden Verformungen der Einzelteile eine zuverlässige Funktion der VTG-Kartusche zu gewährleisten, muss insbesondere der den Ringspalt bildende Abstand zwischen Lagerscheibenring und Deckscheibenring sehr genau bestimmt und zuverlässig fixiert sein, damit ein ausreichendes aber andererseits möglichst geringes Spiel der Abgas-Leitschaufeln im Ringspalt gewährleistet ist.
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Bisher wurden zur sicheren, dauerhaften Verbindung von Lagerscheibenring und Deckscheibenring, die dazwischen angeordneten, den Abstand, also die Breite des Ringspalts, vorgebenden Abstandshaltebolzen mit Lagerscheibenring und Deckscheibenring verschweißt. Dies führt, bedingt durch die hohen lokal eingebrachten Scheißtemperaturen, in der Praxis jedoch häufig zu Eigenspannungen in den beteiligten Bauelementen und damit verbundenen Funktionsbeeinträchtigungen durch Verzug oder Rissbildung. Um die Funktion dennoch zu gewährleisten muss dann größeres Spiel der Abgas-Leitschaufeln im Ringspalt vorgesehen werden, was jedoch zu einem geringeren Wirkungsgrad der Abgasturbine führt, da durch die größeren Spiel-Spalte zwischen den Abgas-Leitschaufeln, Lagerscheibenring und Deckscheibenring ein Teil des Abgas-Massenstroms nicht zwischen den Schaufeln geführt wird, sondern als Nebenstrom an den Seiten der Abgas-Leitschaufeln durch die Spiel-Spalte strömt.
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Um gegebenenfalls vorbeugende Gegenmaßnahmen für die oben genannten Funktionsbeeinträchtigungen zu realisieren, die beispielsweise in der Einbringung von Freistichen oder Nuten um die Scheißstellen herum bestehen, die als Wärmedrossel wirken und die Wärmeeinbringung lokal halten sollen, ist dann mehr Bauraum erforderlich, was wiederum die Baugröße der kompletten VTG-Kartusche vergrößert, also negativ beeinflusst.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Abgasleiteinrichtung zur Steuerung eines Abgasmassenstroms in der Abgasturbine eines Abgasturboladers und einen Abgasturbolader anzugeben, bei denen die Spiel-Spalte zwischen Abgas-Leitschaufeln, Lagerscheibenring und Deckscheibenring minimiert und dadurch der Wirkungsgrad der Abgasturbine und somit des Abgasturboladers verbessert ist. Des Weiteren soll ein Verfahren zur Herstellung der oben genannten Abgasleiteinrichtung zur Verfügung gestellt werden, das einfach auszuführen ist und das ein minimiertes Spiel zwischen den Abgas-Leitschaufeln, Lagerscheibenring und Deckscheibenring ermöglicht.
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Diese Aufgaben werden gelöst durch eine Abgasleiteinrichtung zur Steuerung eines Abgasmassenstroms in der Abgasturbine eines Abgasturboladers, mit einem Abgasturbolader, insbesondere für einen Verbrennungsmotor und einem Verfahren zur Herstellung einer Abgasleiteinrichtung mit den Merkmalen gemäß des jeweiligen unabhängigen Patentanspruchs. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Erfindungsgemäß wird eine Abgasleiteinrichtung zur Steuerung eines Abgasmassenstroms in der Abgasturbine eines Abgasturboladers vorgestellt, die einen Lagerscheibenring zur Aufnahme von Abgas-Leitschaufeln und einen Deckscheibenring aufweist. Der Deckscheibenring ist mittels mehrerer Abstandshaltebolzen in einem bestimmten Abstand und konzentrisch zum Lagerscheibenring angeordnet und an diesem befestigt und bildet auf diese Weise mit dem Lagerscheibenring einen Ringspalt. In dem Ringspalt sind am Lagerscheibenring mehrere Abgas-Leitschaufeln angeordnete, insbesondere drehgelagert, die zur Steuerung des Abgasmassenstroms im Ringspalt dienen.
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Die Abstandshaltebolzen sind im Ringspalt zwischen Lagerscheibenring und Deckscheibenring angeordnet, wobei zumindest einer der Abstandshaltebolzen zumindest ein Bolzenende mit einem Auflageabsatz und einen auf dem Auflageabsatz angeordneten Nietzapfen aufweist, wobei der Nietzapfen einen gegenüber dem Auflageabsatz kleineren Zapfendurchmesser und ein Zapfenende aufweist.
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Der Abstandshaltebolzen ist mit dem genannten Nietzapfen von der Ringspaltseite her durch eine dem Zapfendurchmesser angepasste Durchgangsausnehmung im Lagerscheibenring oder Deckscheibenring hindurchgeführt, bis zu Auflage von Lagerscheibenring oder Deckscheibenring auf dem Auflageabsatz, wobei das Zapfenende des Nietzapfens über die jeweilige Außenseite von Lagerscheibenring oder Deckscheibenring hinausragt. Der jeweilige Abstandshaltebolzen ist mittels eines im Warmnietverfahren hergestellten Nietkopfes am Zapfenende fest mit dem Lagerscheibenring oder dem Deckscheibenring verbunden.
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Der Vorteil einer solchen Abgasleiteinrichtung besteht darin, dass es zu keinem übermäßigen lokalen Wärmeeintrag in den Lagerscheibenring bzw. den Deckscheibenring kommt und die im Warmnietverfahren hergestellte Nietverbindung zwischen Abstandshaltebolzen und Lagerscheibenring und/oder Deckscheibenring spielfrei ausgebildet ist, was durch die Wärmedehnung vor und die darauffolgende Schrumpfung beim Abkühlen nach dem Umformprozess des Nietkopfes erreicht wird. So wird eine sichere, spielfreie Fixierung von Lagerscheibenring und Deckscheibenring in definiertem und über den Umfang gleichbleibenden Abstand zueinander erzielt, wodurch die Toleranzzugabe gegenüber den Abgas-Leitschaufeln minimiert werden kann.
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Hier wird zunächst davon ausgegangen, dass ein Abstandshaltebolzen lediglich auf einer Seite, entweder auf der dem Lagerscheibenring zugewandten oder der dem Deckscheibenring zugewandten Seite einen Nietzapfen zur Verbindung mit entweder dem Lagerscheibenring oder dem Deckscheibenring mittels eines im Warmnietverfahren hergestellten Nietkopfes aufweist. Auf der jeweils gegenüberliegenden Seite kann der Abstandshaltebolzen mittels einer anderen Verbindungstechnik am Deckscheibenring oder am Lagerscheibenring befestigt sein. So kann beispielsweise eine Schraubverbindung oder auch eine Reibschweißverbindung zur Anwendung kommen.
Eine weiter vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Abgasleiteinrichtung ist jedoch dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstandshaltebolzen zwei Bolzenenden mit jeweils einem Auflageabsatz und einen jeweiligen auf dem Auflageabsatz angeordneten Nietzapfen, mit einem gegenüber dem jeweiligen Auflageabsatz kleineren Zapfendurchmesser aufweist. Dabei ist der Abstandshaltebolzen von der Ringspaltseite her mit einem Nietzapfen durch eine dem Zapfendurchmesser angepasste Durchgangsausnehmung im Lagerscheibenring und mit dem anderen Nietzapfen durch eine dem Zapfendurchmesser angepasste Durchgangsausnehmung des Deckscheibenrings, bis zur jeweiligen Auflage auf dem jeweiligen Auflageabsatz, hindurchgeführt, sodass das Zapfenende des jeweiligen Nietzapfens über die jeweilige Außenseite von Lagerscheibenring und Deckscheibenring hinausragt. Lagerscheibenring und der Deckscheibenring sind mittels eines jeweiligen, im Warmnietverfahren hergestellten Nietkopfes am jeweiligen Zapfenende, fest mit dem Abstandshaltebolzen verbunden.
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Bei dieser Ausführung besteht der Vorteil zum Einen darin, dass der Abstand zwischen Lagerscheibenring und Deckscheibenring durch den besonders einfach herzustellenden Abstand der beiden Auflageabsätze an den sich gegenüberliegenden Enden des Abstandshaltebolzens auf einfache Weise sehr genau definiert werden kann und zum Anderen darin, dass zur Verbindung von dem Lagerscheibenring mit dem Deckscheibenring mittels der Abstandhaltebolzen nur eine einzige Verbindungstechnik zur Anwendung kommt und so der anlagentechnische Aufwand in der Montage reduziert ist. Dies wirkt sich positiv auf die Herstellkosten und somit auf den Preis der Abgasleiteinrichtung aus.
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Eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen Abgasleiteinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest drei Abstandshaltebolzen über den Umfang des Ringspaltes verteilt angeordnet sind. Es versteht sich, dass auch eine Anzahl von vier, fünf, sechs oder mehr Abstandshaltebolzen im Ringspalt zwischen Lagerscheibenring und Deckscheibenring eingesetzt werden können. Die Abstandshaltebolzen werden dabei beispielsweise vorteilhaft in einem äquidistanten Abstand zueinander über den Umfang des Ringspaltes verteilt und im gleichen radialen Abstand zum Zentrum des Ringspaltes angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass der Abstand zwischen Lagerscheibenring und Deckscheibenring über den ganzen Umfang konstant und stabil vorgegeben ist.
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Bei einer weiteren Ausführung der erfindungsgemäßen Abgasleiteinrichtung ist der Nietkopf am Zapfenende eines Nietzapfens eines jeweiligen Abstandshaltebolzens derart ausgebildet, dass der Lagerscheibenring und/oder der Deckscheibenring spielfrei mit dem jeweiligen Abstandshaltebolzen verbunden ist. Dies verhindert vorteilhaft auch kleinste Relativbewegungen zwischen Lagerscheibenring, Deckscheibenring und Abstandshaltebolzen und beugt so einem erhöhten Verschleiß und einer störenden Geräuschbildung vor.
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Der erfindungsgemäße Abgasturbolader, der insbesondere vorgesehen ist für den Einsatz mit einem Verbrennungsmotor beispielsweise eines Kraftfahrzeugs, weist eine Abgasturbine und einem mittels der Abgasturbine angetriebenen Radialverdichter auf und ist zumindest dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasturbine mit einer Abgasleiteinrichtung nach einer der vorausgehend beschriebenen Ausführungen ausgestattet ist.
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Ein solcher Abgasturbolader zeichnet sich vor allem durch einen geräuscharmen zuverlässigen Betrieb, eine hohe Lebensdauer und einen erhöhten Wirkungsgrad aus. Durch einen geringeren Aufwand bei der Montage ist hier zudem ein Kostenvorteil zu erwarten.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Abgasleiteinrichtung nach einer der vorausgehend beschriebenen Ausführungen ist durch die folgenden Verfahrensschritte gekennzeichnet.
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Zunächst werden in parallel oder sequenziell zueinander ausführbaren Verfahrensschritten jeweils ein Lagerscheibenring ein Deckscheibenring, mehrere Abgasleitschaufeln, gemäß der konstruktiv vorgesehenen Anzahl, und die konstruktiv vorgesehene Anzahl von Abstandshaltebolzen, zumindest einer, bereitgestellt, wobei ein jeweiliger Abstandshaltebolzen zumindest ein Bolzenende aufweist, das einen Auflageabsatz und einen auf dem Auflageabsatz angeordneten Nietzapfen, mit einem gegenüber dem Auflageabsatz kleineren Zapfendurchmesser und einem Zapfenende, aufweist.
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Im Anschluss an die Bereitstellung des Lagerscheibenrings oder/und im Anschluss an die Bereitstellung des Deckscheibenrings erfolgt das Einbringen zumindest einer Durchgangsausnehmung, zur Aufnahme eines Nietzapfens, in den Lagerscheibenring oder/und den Deckscheibenring.
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Je nach Ausführung der Abgasleiteinrichtung, kann also die Anzahl der bereitzustellenden Abgas-Leitschaufeln und die Anzahl der bereitzustellenden Abstandshaltebolzen variieren. Ebenso können, je nach Ausführung der Abgasleiteinrichtung, die Anzahl der in den Lagerscheibenring oder den Deckscheibenring oder sowohl in den Lagerscheibenring als auch in Deckscheibenring einzubringenden Durchgangsausnehmungen variieren. Dabei entspricht die Anzahl der jeweils in den Lagerscheibenring oder/und den Deckscheibenring einzubringenden Durchgangsausnehmungen der Anzahl der konstruktiv vorgesehenen Anzahl einzusetzender Abstandshaltebolzen. Die Geometrie und das Maß einer jeweiligen Durchgangsausnehmung sind dabei an die Geometrie und das Maß des Nietzapfens des Abstandshaltebolzens so angepasst, dass der Nietzapfen sich mit möglichst geringem Spiel in die Durchgangsausnehmung einpasst.
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In dem folgenden Verfahrensschritt werden die Abgas-Leitschaufeln am Lagerscheibenring angeordnet. Dabei werden die Abgas-Leitschaufeln beispielsweise mit den an Ihnen vorgesehenen Drehachsen in entsprechende Lagerbohrungen in dem Lagerscheibenring eingesetzt.
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Im nächsten Verfahrensschritt erfolgt das Anordnen von Lagerscheibenring und Deckscheibenring in einem bestimmten Abstand und konzentrisch zueinander, zur Ausbildung eines Ringspaltes in dem die Abgas-Leitschaufeln aufgenommen sind.
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Im gleichen Zug erfolgt im gleichen Verfahrensschritt das Anordnen der Abstandshaltebolzen, in vorgesehener Anzahl, zumindest einer, im Ringspalt zwischen Lagerscheibenring und Deckscheibenring und dabei einfügen zumindest eines Nietzapfens in die zumindest eine Durchgangsausnehmung von Lagerscheibenring oder/und Deckscheibenring derart, dass der Abstandshaltebolzen mit dem genannten Nietzapfen von der Ringspaltseite her durch die jeweils zugeordnete Durchgangsausnehmung im Lagerscheibenring oder/und Deckscheibenring, bis zu dessen Auflage auf dem jeweiligen Auflageabsatz, hindurchgeführt ist und das Zapfenende des genannten Nietzapfens über die jeweilige Außenseite von Lagerscheibenring oder/und Deckscheibenring hinausragt.
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In dem darauffolgenden Verfahrensschritt erfolgt das Erwärmen des jeweiligen, zumindest einen, Nietzapfens auf eine Umformtemperatur.
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Im darauffolgenden Verfahrensschritt erfolgt, nachdem das Zapfenende des Nietzapfens die Umformtemperatur erreicht hat, das Umformen des über die jeweilige Außenseite des Lagerscheibenrings oder/und des Deckscheibenrings hinausragenden Zapfenendes des jeweiligen Nietzapfens zu einem jeweiligen Nietkopf und dadurch spielfreies fixieren des jeweiligen Abstandshaltebolzens am Lagerscheibenring oder/und am Deckscheibenring.
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Der in der zeitlichen Abfolge letzte Verfahrensschritt betrifft das Abkühlen des Nietzapfens mit Nietkopf auf Umgebungstemperatur.
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Eine Ausführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das Erwärmen des Nietzapfens mittels Stromfluss, elektrischer Induktion, Brennerflamme oder Laserstrahlung erfolgt. Dies hat den Vorteil dass die Umformtemperatur schnell erreicht und genau eingehalten werden kann.
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Eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Umformtemperatur, auf die der Nietzapfen erwärmt wird in einem Bereich zwischen 500°C und 1200°C, insbesondere jedoch zwischen 900°C und 1200°C liegt. Somit wird in vorteilhafter Weise gewährleistet, dass eine plastische Umformung bei geringer erforderlicher Umformkraft erfolgen kann.
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Eine Auswahl von Ausführungsbeispielen der Erfindung sowie verschiedene Kombinationsmöglichkeiten von Merkmalen verschiedener Ausführungen werden im Folgenden anhand der Darstellungen in der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine vereinfachte dreidimensionale Darstellung eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers mit im Viertelschnitt entlang der Turboladerachse aufgeschnittenem Gehäuse;
- 2 eine vereinfachte Darstellung einer Ausführung einer erfindungsgemäßen Abgasleiteinrichtung in Seitenansicht;
- 3 zwei vereinfachte Darstellungen der oberen Hälfte einer erfindungsgemäßen Ausführung der Abgasleiteinrichtung, in Schnittansicht im Bereich eines Abstandshaltezapfens, Darstellung a) vor und Darstellung b) nach Herstellung des Nietkopfes ;
- 4 Schnittdarstellungen wie in 3, für eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abgasleiteinrichtung;
- 5 Schnittdarstellungen wie in 3, für eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abgasleiteinrichtung
- 6 ein vereinfachtes Verfahrensablauf-Diagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Abgasleiteinrichtung.
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Funktions- und Benennungsgleiche Teile sind in den Figuren durchgehend mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In 1 ist eine Ausführung eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers 1 bestehend aus Abgasturbine 20, Radialverdichter 30 und der axial dazwischen angeordneten Läuferlagereinheit 40 gezeigt. Zur Sichtbarmachung der erfindungsgemäßen Abgasleiteinrichtung 50 ist entlang der Turboladerachse 11 durchgehend ein oberes Viertel des Turbinengehäuses 21 des Verdichtergehäuses 31 und des Lagergehäuses 41 herausgeschnitten. Die Schnittdarstellung erlaubt dabei einen Einblick in den Aufbau und die Anordnung der wesentlichen Komponenten des Abgasturboladers.
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Dabei sind das im Abgastrakt des Verbrennungsmotors anordenbare Turbinengehäuse 21, das im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors anordenbare Verdichtergehäuse 31 und zwischen Turbinengehäuse 21 und Verdichtergehäuse 31 das Lagergehäuse 41 der Läuferlagereinheit 40 auf einer gemeinsamen Turboladerachse 11 hintereinander angeordnet und montagetechnisch miteinander verbunden.
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Der sogenannte Turboladerläufer 10 des Abgasturboladers 1 besteht aus dem Turbinenlaufrad 12, dem Verdichterlaufrad 13 sowie der Läuferwelle 14. Das Turbinenlaufrad 12 und das Verdichterlaufrad 13 sind auf den sich gegenüberliegenden Enden der gemeinsamen Läuferwelle 14 angeordnet und mit diesen drehfest verbunden. Die Läuferwelle 14 erstreckt sich in Richtung der Turboladerachse 11 axial durch die Läuferlagereinheit 40 und ist in dieser, mittels Radiallagern und einem Axiallager, axial und radial um seine Längsachse, die Läuferdrehachse, drehgelagert, wobei die Läuferdrehachse in der Turboladerachse 11 liegt, also mit dieser zusammenfällt. Der Turboladerläufer 10 rotiert im Betrieb um die Läuferdrehachse der Läuferwelle 14. Die Läuferdrehachse und gleichzeitig die Turboladerachse 11 sind durch die eingezeichnete Mittellinie dargestellt und kennzeichnen die axiale Ausrichtung des Abgasturboladers 1.
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Im Verdichtergehäuse 31 ist das Verdichterlaufrad 13 zentrisch angeordnet, wobei das Verdichtergehäuse 31 einen um das Verdichterlaufrad angeordneten Verdichter-Spiralkanal 32, zur Abführung des verdichteten Luftmassenstroms aufweist. Im Turbinengehäuse 21 ist das Turbinenlaufrad 12 zentrisch angeordnet, wobei das Turbinengehäuse 31 einen um das Turbinenlaufrad 12 angeordneten Turbinen-Spiralkanal 22 zur Zuführung des Abgas-Massenstroms auf das Turbinenlaufrad 12 aufweist.
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Im Übergangsbereich zwischen Turbinen-Spiralkanal 22 und dem Turbinenlaufrad 12 ist ringförmig um das Turbinenlaufrad 12 verlaufend eine erfindungsgemäße Abgasleiteinrichtung 50, auch Variable Turbinengeometrie oder kurz VTG genannt, angeordnet, die als eigenständige Baugruppe, sogenannte VTG-Kartusche, ausgebildet ist. Im Wesentlichen ist diese Abgasleiteinrichtung 50 aufgebaut aus einem Lagerscheibenring 51, einem Deckscheibenring 52, die mittels Abstandshaltebolzen 60 in einem Abstand zueinander angeordnet sind und so einen Ringspalt bilden, durch den das Abgas aus dem Turbinen-Spiralkanal 22 auf das Turbinenlaufrad 12 geleitet wird.
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Zur besseren Darstellung der Einzelheiten, ist in 2 eine isoliert vom Turbolader dargestellte Ausführung einer erfindungsgemäßen Abgasleiteinrichtung 50 gezeigt, die auch als sogenannte VTG-Kartusche bezeichnet wird. Die Abgasleiteinrichtung 50 weist einen Lagerscheibenring 51 zur Aufnahme der Abgas-Leitschaufeln 53 und einen Deckscheibenring 52 auf, der mittels mehrerer Abstandshaltebolzen 60 in einem bestimmten Abstand zum Lagerscheibenring 51 angeordnet und an diesem befestigt ist. Der Deckscheibenring 52 ist bezüglich der Mittenachse des Lagerscheibenrings 51, die im montierten Zustand übereinstimmt mit der Turboladerachse 11, konzentrisch angeordnet und bildet auf diese Weise einen Ringspalt 54 mit dem Lagerscheibenring 51. In dem Ringspalt 54 sind mehrere Abgas-Leitschaufeln 53 am Lagerscheibenring 51, jeweils um eine Schaufeldrehachse drehbar im Lagerscheibenring 51 gelagert, zur Steuerung des Abgasmassenstroms im Ringspalt 54 angeordnet. Zur Steuerung des Abgasmassenstroms, können die Abgas-Leitschaufeln 53, mittels der auf der Rückseite des Lagerscheibenrings 51 angeordneten Betätigungsmechanik 55, die mit den Abgas-Leitschaufeln in Wirkverbindung steht, um ihre jeweiligen Schaufeldrehachsen in eine betriebspunktabhängige Lage gedreht werden.
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Die Abstandshaltebolzen 60 sind im Ringspalt 54 zwischen Lagerscheibenring 51 und Deckscheibenring 52 angeordnet und bestimmen den Abstand zwischen Lagerscheibenring 51 und Deckscheibenring 52 und somit also die Breite des Ringspalts 54. Zu erkennen sind in dieser Darstellung drei Abstandshaltebolzen 60 jeweils mit einem auf der Außenseite des Deckscheibenrings 52 angeordneten Nietkopf 66a, zur Fixierung des Deckscheibenrings. Vorzugsweise werden hier zumindest drei, gleichmäßig über den Umfang von Lagerscheibenring 51 bzw. Deckscheibenring 52 verteilt angeordnete Abstandshaltebolzen 60 eingesetzt. Je nach Bedarf, kann jedoch auch eine größere Anzahl von Abstandshaltebolzen 60 angeordnet werden.
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Die Anordnung und unterschiedliche Ausführungen der Abstandshaltebolzen 60 sind in den folgenden 3 bis 5 dargestellt. Dabei zeigt jeweils die Ansicht a) einen eingesetzten Abstandshaltebolzen 60 vor der Umformung des Zapfenendes 64a, 64b zum Nietkopf und die Ansicht b) zeigt den im Warmnietverfahren hergestellten Nietkopf 66a, 66b.
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Wie in den 3 und 4, jeweils in Ansicht a) erkennbar ist, weist zumindest einer der Abstandshaltebolzen 60 zumindest ein Bolzenende 61a mit einem Auflageabsatz 62a und einen auf dem Auflageabsatz 62a angeordneten Nietzapfen 63a, mit einem gegenüber dem Auflageabsatz 62a kleineren Zapfendurchmesser 65 und ein Zapfenende 64a auf.
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Der in dieser Ausführung gezeigte Abstandshaltebolzen 60 ist mit dem genannten Nietzapfen 63a von der Ringspaltseite her durch eine dem Zapfendurchmesser 65 angepasste Durchgangsausnehmung 52a im Deckscheibenring 52, bis zu dessen Auflage auf dem Auflageabsatz 62a, hindurchgeführt, wobei das Zapfenende 64a des Nietzapfens 63a über die Außenseite 52b des Deckscheibenrings 52 hinausragt. In der jeweiligen Ansicht b) der 3 und 4 ist dann der mittels eines im Warmnietverfahren hergestellte Nietkopf 66a am Zapfenende erkennbar, der eine feste Verbindung des Abstandshaltebolzens 60 mit dem Deckscheibenring 52 gewährleistet.
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Bei den Ausführungen der 3 und 4 ist das dem Nietzapfen 63a gegenüberliegenden Ende des Abstandshaltebolzens 60 in alternativer Weise mit dem Lagerscheibenring 51 verbunden.
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In 3 weist der Abstandshaltebolzen 60 dazu einen Gewindezapfen 67 auf, der auf einem Auflageabsatz 62b des Abstandshaltebolzens 60 angeordnet ist. Mit dem Gewindezapfen 67 ist der Abstandshaltebolzen in eine zugeordnete Gewindebohrung 68 im Lagerscheibenring 51, bis zum Auflageabsatz 62b eingeschraubt und somit dem Lagerscheibenring verbunden. In 4 ist dagegen eine Reibschweißverbindung 69 zwischen Abstandshaltebolzen 60 und Lagerscheibenring dargestellt.
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Es sei hier darauf hingewiesen, dass im Rahmen der Erfindung selbstverständlich auch hier nicht dargestellte Ausführungen der Abgasleiteinrichtung 50 verstanden werden, bei denen Abstandshaltebolzen 60 mit einem jeweiligen Nietzapfen von der Ringspaltseite her durch eine dem Zapfendurchmesser angepasste Durchgangsausnehmung im Lagerscheibenring 52, bis zu dessen Auflage auf einem entsprechenden Auflageabsatz, hindurchgeführt sind. Dabei ragt dann das Zapfenende des jeweiligen Nietzapfens über die Außenseite 51b des Lagerscheibenrings 51 hinaus und der Lagerscheibenring 51 ist mittels eines im Warmnietverfahren hergestellte Nietkopf am Zapfenende fest mit dem Abstandshaltebolzen 60 verbunden, wobei der jeweilige Abstandhaltebolzen 60 mit seinem jeweils gegenüberliegenden Ende mittels einer der oben genannten alternativen Verbindungsarten mit dem Deckscheibenring 52 verbunden ist.
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Schließlich ist in 5 eine weitere Ausführung der Erfindung gezeigt, wobei wiederum die Ansicht a) den Abstandshaltebolzen 60 vor Herstellung der Nietköpfe und Ansicht b) den Abstandshaltebolzen 60 nach Herstellung der Nietköpfe 66a, 66b im Warmnietverfahren zeigen. Bei dieser Ausführung ist der Abstandshaltebolzen 60 sowohl mit dem Lagerscheibenring 51 als auch mit dem Deckscheibenring 52 mittels einer im Warmnietverfahren hergestellten Nietverbindung fest verbunden.
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Diese Ausführung ist somit dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Abstandshaltebolzen 60 zwei Bolzenenden 61a, 61b mit jeweils einem Auflageabsatz 62a62b und einen jeweiligen auf dem Auflageabsatz angeordneten Nietzapfen 63a, 63b, mit einem gegenüber dem jeweiligen Auflageabsatz 62a, 62b kleineren Zapfendurchmesser 65 aufweist.
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Der Abstandshaltebolzen 60 ist von der Ringspaltseite her mit einem Nietzapfen 63b durch eine dem Zapfendurchmesser 65 angepasste Durchgangsausnehmung 51a im Lagerscheibenring 51 und mit dem anderen Nietzapfen 63a durch eine dem Zapfendurchmesser 65 angepasste Durchgangsausnehmung 52a des Deckscheibenrings 52, bis zur jeweiligen Auflage auf dem jeweiligen Auflageabsatz 62a, 62b, hindurchgeführt. Dabei ragt das Zapfenende 64a, 64b des jeweiligen Nietzapfens 63a, 63b über die jeweilige Außenseite 51b,52b von Lagerscheibenring 51 und Deckscheibenring 52 hinaus und der Lagerscheibenring 51 und der Deckscheibenring 52 sind mittels eines jeweiligen, im Warmnietverfahren hergestellten Nietkopfes 66a, 66b am jeweiligen Zapfenende 64a, 64b, fest mit dem Abstandshaltebolzen 60 verbunden.
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Abschließend ist in 6 eine Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Abgasleiteinrichtung 50, zum Beispiel gemäß einer der vorausgehend beschriebenen Ausführungen, in einem einfachen Ablaufdiagramm dargestellt, das die wesentlichen Verfahrensschritte zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Verbindung zwischen Lagerscheibenring 51 und Deckscheibenring 52, und deren zeitliche Abfolge darstellt. Abgesehen davon können selbstverständlich weitere vor-, zwischen- und/oder nachgeordnete Verfahrensschritte zur Komplettierung der Abgasleiteinrichtung 50 erforderlich sein, wie zum Beispiel zur Montage der Betätigungsmechanik.
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Zeitlich unabhängig voneinander, also ggf. auch gleichzeitig können die mit B1, B2, B3 und B4 gekennzeichneten Verfahrensschritte erfolgen.
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Die Verfahrensschritte B1 und B2 kennzeichnen dabei die Bereitstellung eines Lagerscheibenrings 51 und eines Deckscheibenrings 52.
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Verfahrensschritt B3 kennzeichnet die Bereitstellung von mehreren Abgas-Leitschaufeln 53, wobei die Anzahl der Abgas-Leitschaufeln 53 entsprechend der konstruktiv vorgegebenen Anzahl entspricht.
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Verfahrensschritt B4 kennzeichnet die Bereitstellung von zumindest einem Abstandshaltebolzen 60 mit zumindest einem Bolzenende 61a, 61b das einen Auflageabsatz 62a, 62b und einen auf dem Auflageabsatz angeordneten Nietzapfen 63a, 63b, mit einem gegenüber dem Auflageabsatz kleineren Zapfendurchmesser 65 und einem Zapfenende 64a, 64b, aufweist. Auch hier hängt die Anzahl der bereitzustellenden Abstandshaltebolzen 60 von der konstruktiv vorgegebenen Anzahl ab. Im Rahmen der Erfindung ist hier zumindest ein solcher Abstandshaltebolzen vorgegeben es können jedoch in vorteilhafter Weise auch zwei, drei, vier, fünf oder mehr solcher Abstandshaltebolzen 60 eingesetzt werden, je nach Erfordernis der Gesamtkonzeption.
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In den zeitlich auf die Schritte B1 und B2 folgenden „Fertigungs“-Verfahrensschritten F1 bzw. F2 erfolgt das Einbringen zumindest einer, dem Zapfendurchmesser 65 angepassten Durchgangsausnehmung 51a,52a, zur Aufnahme eines jeweiligen Nietzapfens 63a, 63b, in den Lagerscheibenring 51 oder/und den Deckscheibenring 52. Das heißt, dass jeweils gemäß dem konstruktiven Konzept und er Anzahl der einzusetzenden Abstandshaltebolzen entweder in den Lagerscheibenring 51 oder den Deckscheibenring 52 oder sowohl in den Lagerscheibenring 51 als auch den Deckscheibenring 52, entsprechend auf deren Umfang verteilt angeordnete Durchgangsausnehmungen 51a, 52a, zur Aufnahme eines jeweiligen Nietzapfens 63a, 63b, eingebracht werden.
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In dem zeitlich auf den Verfahrensschritt F2 folgenden „Montage“-Verfahresnschritt M1 erfolgt das Anordnen der Abgas-Leitschaufeln 53 am Lagerscheibenring 51.
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In den folgenden „Montage“-Verfahrensschritten M1/M2, die zusammen durchgeführt werden müssen, erfolgt das Anordnen von Lagerscheibenring 51 und Deckscheibenring 52 in einem bestimmten Abstand und konzentrisch zueinander zur Ausbildung eines Ringspaltes 54 in dem die Abgas-Leitschaufeln 53 aufgenommen sind. Dazu werden gleichzeitig die zuvor bereitgestellten Abstandshaltebolzen 60 im Ringspalt 54 zwischen Lagerscheibenring 51 und Deckscheibenring 52 angeordnet, wobei der oder die Nietzapfen 63a, 63b (zumindest einer) in die zugehörigen Durchgangsausnehmungen 51a, 52a (zumindest eine) von Lagerscheibenring 51 oder/und Deckscheibenring 52 eingefügt werden. Dies erfolgt derart, dass der jeweilige Abstandshaltebolzen 60 mit dem jeweiligen Nietzapfen 63a, 63b von der Ringspaltseite her durch die jeweils zugeordnete Durchgangsausnehmung 51a, 52a im Lagerscheibenring 51 oder/und Deckscheibenring 52, bis zu dessen Auflage auf dem jeweiligen Auflageabsatz 62a, 62b, hindurchgeführt ist und das Zapfenende 64a, 64b des jeweiligen Nietzapfens 63a, 63b über die jeweilige Außenseite 51b, 52b von Lagerscheibenring 51 oder/und Deckscheibenring 52 hinausragt.
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In dem zeitlich auf den Schritt M2/M3 folgenden Verfahrensschritt U1 erfolgt die Erwärmung eines jeweiligen Nietzapfens 63a, 63b auf eine vorgegebene Umformtemperatur durch Aufheizen des Nietzapfens, zum Beispiel vom jeweiligen Zapfenende 64a, 64b her. Dies kann beispielsweise erfolgen durch Aufheizen mittels Stromfluss, elektrischer Induktion, Brennerflamme oder Laserstrahlung. Dabei kann die vorgegebene Umformtemperatur, auf die der Nietzapfen aufgeheizt wird in einem Bereich zwischen 500°C und 1200°C, insbesondere jedoch zwischen 900°C und 1200°C liegen. Je nach Zugänglichkeit am jeweiligen Werkstück und Gestaltung des erforderlichen Werkzeugs können gegebenenfalls mehrere Nietzapfen 63a, 63b gleichzeitig auf Umformtemperatur erwärmt werden.
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In zeitlicher Abfolge folgend auf den Schritt U1 erfolgt, nachdem die vorgegebene Umformtemperatur erreicht ist, in einem Verfahrensschritt U2 das Umformen des über die jeweilige Außenseite 51b, 52b des Lagerscheibenrings 51 oder/und Deckscheibenrings 52 hinausragenden Zapfenendes 64a, 64b des jeweiligen Nietzapfens 63a, 63b zu einem jeweiligen Nietkopf 66a, 66b und dadurch spielfreies fixieren des jeweiligen Abstandshaltebolzens 60 am Lagerscheibenring 51 oder/und am Deckscheibenring 52. Die Umformung kann dabei beispielsweise mittels eines formgebenden Stempels oder mittels eines Taumelnietwerkzeugs erfolgen. Auch hier können gegebenenfalls und je nach Zugänglichkeit am jeweiligen Werkstück und Gestaltung des erforderlichen Werkzeugs, und unter Voraussetzung der vorausgehenden gemeinsamen Erwärmung auf Umformtemperatur, mehrere Nietzapfen 63a, 63b gleichzeitig zu Nietköpfen 66a, 66b umgeformt werden.
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In dem das Verfahren abschließenden Schritt U3 erfolgt das Abkühlen des jeweiligen Nietzapfens 63a, 63b, mit umgeformtem Nietkopf 66a, 66b auf Umgebungstemperatur.
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Der besonders vorteilhafte Effekt der hier durch das Warmnieten erzielt wird besteht darin, dass sich das Zapfenende 64a, 64b des Nietzapfens 63a, 63b bei der Erwärmung durch Wärmedehnung längt. Dann erfolgt die Umformung bei niedrigem Kraftaufwand und herabgesetzter Elastizität des Werkstoffes des Zapfenendes 64a, 64b, wodurch es zu einer wesentlich geringeren Rückfederung des umgeformten Nietkopfes 66a, 66b nach der Umformung kommt. Im Anschluss schrumpft nun das Zapfenende 64a, 64b bei Abkühlung wieder, verkürzt sich also, wodurch ggf. beim Umformen verbliebenes Spiel eliminiert wird und die Anpresskraft zwischen Nietkopf 66a, 66b und Lagerscheibenring bzw. Deckscheibenring vorteilhaft erhöht ist.
