DE10313167A1

DE10313167A1 - Leitschaufelverstellung für Turbolader mit variabler Turbinengeometrie

Info

Publication number: DE10313167A1
Application number: DE2003113167
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl.-Ing. Becker (FH); Hermann Burmester; Akihiro Dipl.-Ing. Ohkita; Christian Dr.-Ing. Sleziona
Original assignee: IHI Charging Systems International GmbH
Current assignee: IHI Charging Systems International GmbH
Priority date: 2003-03-25
Filing date: 2003-03-25
Publication date: 2004-10-21
Anticipated expiration: 2023-03-26
Also published as: DE10313167B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Leitschaufelverstelleinrichtung 1 für einen Turbolader mit variabler Turbinengeometrie. Die Verstellung der Leitschaufeln 3 erfolgt durch einen Hebelarm 4, der drehfest mit den Leitschaufeln 3 verbunden ist und in Bezug auf eine Mittelachse 12 in Umfangsrichtung am Verstellring 5 festgelegt ist. Der Verstellring 5 ist derart koaxial zum Leitschaufellagerring 2 gelagert, dass er in Umfangsrichtung gedreht werden kann und gleichzeitig in radialer und in axialer Richtung festgelegt ist. Durch Verdrehen des Verstellrings 5 um die Mittelachse 12 wird der Hebelarm um die Leitschaufelachse 3.1 gedreht und die Leitschaufel 3 verdreht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Leitschaufelverstelleinrichtung für einen Turbolader mit variabler Turbinengeometrie, mit einem Leitschaufellagerring, einem Verstellring und mehreren synchron verstellbaren Leitschaufeln, die über im Leitschaufellagerring gelagerte Leitschaufelachsen mit jeweils einem Hebelarm drehfest verbunden sind, wobei der Hebelarm mit seiner der Leitschaufelachse gegenüberliegenden Seite formschlüssig mit dem Verstellring in Wirkverbindung steht und der Verstellring bezüglich einer Mittelachse dem Leitschaufellagerring koaxial zugeordnet ist.

Es ist bereits eine Leitschaufelverstelleinrichtung für einen Turbolader mit variabler Turbinengeometrie aus der EP 1 227 221 A2 bekannt. Diese Leitschaufelverstelleinrichtung umfasst eine Leitschaufelträgerplatte, mehrere Leitschaufeln, die über in der Leitschaufelträgerplatte gelagerte Leitschaufelachsen mit Leitschaufelhebeln verbunden sind. Ferner umfasst die Leitschaufelverstelleinrichtung einen Verstellring, der Aussparungen zur Aufnahme der Enden der Leitschaufelhebel aufweist und der mit Bezug zur Leitschaufelträgerplatte geführt ist. Zudem weist der Verstellring in axialer Richtung vorstehende Nasen auf, von denen zumindest eine die Radialführung des Verstellrings auf der Leitschaufelträgerplatte bewirkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leitschaufelverstelleinrichtung derart auszubilden und anzuordnen, dass die Reibung zum Verstellen der Leitschaufeln vermindert wird und der Verstellring eine präzise und spielfreie Verstellung der Leitschaufeln erlaubt.

Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass der Verstellring durch mindestens ein Wälzlager bezüglich der Mittelachse in radialer und in axialer Richtung festgelegt ist. Hierdurch wird erreicht, dass der Reibungswiderstand zum Verdrehen des Verstellrings aufgrund von Rollreibung reduziert wird und das Lagerspiel zwischen dem Leitschaufellagerring und dem Verstellring spielfrei einstellbar ist.

Hierzu ist es vorteilhaft, dass der Leitschaufellagerring einteilig und einstückig oder zumindest zweiteilig aus einem Außenring und einem Innenring gebildet ist, wobei der Außenring und der Innenring luftspaltisoliert miteinander verpresst sind. Der Verstellring ist bezüglich der Mittelachse in Umfangsrichtung drehbar gelagert. Hierzu weist der Leitschaufellagerring eine entsprechende Lagerfläche auf. Durch die zweiteilige Ausbildung ist die Herstellung des Leitschaufellagerrings kostengünstiger, da die Lagerfläche für die Lagerung des Verstellrings bezüglich spanabhebender Bearbeitung einfacher herzustellen ist.

Eine zusätzliche Möglichkeit ist gemäß einer Weiterbildung, dass das Wälzlager durch mindestens drei Wälzkörper und einen Lagerkäfig gebildet ist. Drei Wälzkörper bilden eine statisch bestimmte Lagerung und haben den Vorteil, dass bei entsprechender Schmierung die Reibung zwischen dem Leitschaufellagerring und dem Verstellring gegenüber mehr als drei Wälzkörpern oder gegenüber einem Gleitlager sehr stark reduziert werden kann. Die Wälzkörper sind je nach Belastung als Kugeln, Kegel oder Zylinder ausgebildet. Durch den Lagerkäfig werden die Wälzkörper auf Abstand gehalten. Zur einfachen Montage der Wälzkörper sind im Leitschaufellagerring Aussparungen vorgesehen, durch die die Wälzkörper in axialer Richtung eingeführt werden.

Ferner ist es vorteilhaft, dass der Leitschaufellagerring und der Verstellring jeweils eine Lagerschale für die Wälzkörper bilden. Damit entfällt eine zusätzliche Lagerschale für das Wälzlager, was geringere Kosten, Gewichtsersparnis und eine einfachere Montage bewirkt.

Vorteilhaft ist es hierzu auch, dass der Leitschaufellagerring und oder der Verstellring bezüglich der Mittelachse in Umfangsrichtung jeweils mindestens eine Nut, Führungsbahn oder Laufbahn für die Wälzkörper des Wälzlagers aufweisen. Gerade beim Einsatz von kugelförmigen Wälzkörpern lässt sich das Spiel zwischen dem Leitschaufellagerring und dem Verstellring durch entsprechend an die Wälzkörper angepasste Laufbahnen reduzieren.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist schließlich vorgesehen, dass dem Wälzlager, dem Leitschaufellagerring und/oder dem Verstellring eine Justiervorrichtung zugeordnet ist, über die der Verstellring relativ zum Leitschaufellagerring und bezüglich der Mittelachse in axialer und in radialer Richtung spielfrei einstellbar ist. Das kann beispielsweise durch einen nicht geschlossenen und in seinem Umfang durch die Justiervorrichtung einstellbaren Verstellring erreicht werden. Damit ist eine Möglichkeit geschaffen, das Spiel zwischen dem Leitschaufellagerring und dem Verstellring nahezu ganz zu beseitigen. Eine weitere Möglichkeit zur spielfreien Einstellung wird dadurch erreicht, dass der Verstellring relativ zum Leitschaufellagerring in seiner Position in axialer Richtung eingestellt wird.

Ferner ist es vorteilhaft, dass der Verstellring je nach Ausformung der Hebelarme eine als Aussparung und oder als Hervorhebung gebildete Aufnahme zur Verstellung der Hebelarme aufweist. Die Aufnahme greift zumindest in Umfangsrichtung am Verstellring an. Zur Montage wird der Hebelarm lediglich auf die als Hervorhebung gebildete Aufnahme aufgesteckt, oder in die als Aussparung gebildete Aufnahme eingelegt.

Von besonderer Bedeutung ist für die vorliegende Erfindung, dass dem Verstellring eine Verstelleinrichtung mit einem Zapfen zugeordnet ist, der um eine parallel zur Mittelachse angeordnete Verstellachse im Leitschaufellagerring drehbar gelagert ist. Damit ist für die Lagerung der Verstelleinrichtung kein weiteres Bauteil erforderlich.

Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung ist es von Vorteil, dass am Zapfen ein Verstellglied drehfest angeordnet ist und das Verstellglied und der Hebelarm bezüglich der Mittelachse in Umfangsrichtung formschlüssig am Verstellring angreifen. Hierzu ist am Verstellring eine Aufnahme ausgebildet. Die Drehung des Verstellrings erfolgt somit ausgehend vom Zapfen mittelbar über nur ein weiteres Bauteil, nämlich das Verstellglied, das an der Aufnahme anliegt. Das Verstellglied greift dabei auf die gleiche Weise am Verstellring an, wie der Hebelarm, der ebenfalls über eine Aufnahme am Verstellring anliegt. Dadurch ist für den Angriffspunkt des Verstellglieds am Verstellring keine weitere Bearbeitung notwendig.

Vorteilhaft ist es ferner, dass durch Distanzbuchsen koaxial und beabstandet vom Leitschaufellagerring ein Sitzring angeordnet ist, in dem die Leitschaufeln drehbar gelagert sind. Dadurch sind die Leitschaufeln beidseitig gelagert. Dies führt dazu, dass die Leitschaufelachse der Leitschaufeln frei von einem einseitigen Biegemoment gelagert ist und somit zusätzlich ein Beitrag zur Minderung der Reibung zum Verstellen der Leitschaufeln erreicht ist.

Außerdem ist es vorteilhaft, dass die Leitschaufelverstelleinrichtung mit dem Leitschaufellagerring, den Leitschaufeln, den Hebelarmen, dem Verstellring, dem Wälzlager, dem Sitzring, den Distanzbuchsen, der Verstelleinrichtung und einem oder mehreren weiteren Bauteilen ein form- und/oder kraftschlüssig verbundenes Bauteil bildet. Dieses Bauteil ist als Patrone vormontiert, bei der alle Komponenten unverlierbar miteinander verbunden sind. Diese Patrone kann einfach und schnell ein- und ausgebaut werden.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt.
Dabei zeigen:
1 eine Schnittansicht einer Leitschaufelverstelleinrichtung in Modulbauweise;
2 eine Draufsicht gemäß 1 in Strömungsrichtung;
3 eine Draufsicht gemäß 1 entgegen der Strömungsrichtung;
4 eine perspektivisches Modell einer Leitschaufelverstelleinrichtung.
Die 1 bis 4 zeigen eine Leitschaufelverstelleinrichtung 1 in Modulbauweise. Gemäß 1 und 2 ist koaxial zu einer Mittelachse 12 ein Leitschaufellagerring 2, ein Verstellring 5 und ein Sitzring 7 angeordnet. Zwischen dem Sitzring 7 und dem Leitschaufellagerring 2 sind die Leitschaufeln 3, 3', 3'' angeordnet. Die Leitschau feln 3, 3', 3'' sind im Sitzring 7 und im Leitschaufellagerring 2 beidseitig um eine Leitschaufelachse 3.1, 3.1', 3.1'' drehbar gelagert.
Ein Abgasstrom 10 wird vom Sitzring 7 kommend durch eine Blende 11 gedrosselt und dadurch zumindest teilweise bezüglich der Mittelachse 12 in radialer Richtung abgelenkt und durch die variablen Leitschaufeln 3, 3', 3'' geregelt.
Zur Verstellung der Leitschaufelverstelleinrichtung 1 während des Betriebs sind die Leitschaufeln 3 wie in 1 unten und in den 3 und 4 dargestellt, drehfest mit einem Hebelarm 4, 4', 4'' verbunden. Durch Drehen der Hebelarme 4, 4', 4'' um die Leitschaufelachsen 3.1, 3.1', 3.1'', wird die radiale Komponente des Abgasstroms 10 entsprechend variabel gedrosselt.
Zum Drehen der Hebelarme 4 sind diese mit ihrem den Leitschaufeln 3 gegenüberliegenden Kopf 4.1 bezüglich der Mittelachse 12 in Umfangsrichtung am Verstellring 5 festgelegt. Der Verstellring 5 ist hierzu auf dem Leitschaufellagerring 2 derart durch ein Wälzlager 6 gelagert, dass er zumindest in einem Winkelbereich von 30° um die Mittelachse 12 gedreht werden kann. Zudem ist der Leitschaufellagerring 2 bezüglich der Mittelachse 12 in radialer und in axialer Richtung durch das Wälzlager 6 festgelegt. Das Wälzlager 6 ist aus drei Wälzkörpern 6.1, 6.1', 6.1'' und einem Lagerkäfig 6.2 gebildet, der um den Leitschaufellagerring 2 verläuft. Der Verstellring 5 weist eine Laufbahn 5.1 und der Leitschaufellagerring 2 eine Laufbahn 2.3 für die Wälzkörper 6.1, 6.1', 6.1'' auf.
Der Kopf 4.1 des Hebelarms 4 ist gemäß 3 geschlossen als Kegel ausgebildet und wird durch eine Aufnahme 5.2 des Verstellrings 5 in Umfangsrichtung festgelegt. Hierzu bildet die Aufnahme 5.2 in diesem Ausführungsbeispiel eine Aussparung innerhalb des Verstellrings 5, in die der Kopf 4.1 eingelegt ist.
Gemäß 4 ist der Kopf 4.1 des Hebelarms 4 als Gabel ausgebildet und greift in Umfangsrichtung um eine Aufnahme 5.2, die in diesem Ausführungsbeispiel als Hervorhebung beziehungsweise als Nase ausgebildet ist. Der Kopf 4.1 und die Aufnahme 5.2 lassen sich entsprechend des Drehbereichs des Verstellrings 5 zueinander verdrehen.
Unabhängig der Ausführungsform des Kopfes 4.1 des Hebelarms 4, weist die Verbindung vom Kopf 4.1 zur Aufnahme 5.2 in radialer Richtung des Hebelarms 4 Spiel auf, um die Verdrehung des Hebelarms 4 zu gewährleisten.
Wie in den 3 und 4 dargestellt, ist die Leitschaufel 3 über eine Vierkantverbindung mit dem Hebelarm 4 verbunden. Der Hebelarm 4 wird zur Montage auf die Leitschaufel 3 in vorteilhafter Weise nur aufgesteckt. Dabei wird der Hebelarm 4 durch ein in axialer Richtung an den Hebelarm 4 angrenzendes und nicht dargestelltes Bauteil auf der Leitschaufel 3 gesichert.
Zum Verdrehen des Verstellrings 5 ist eine Verstelleinrichtung 9 drehbar um eine Verstellachse 9.2 am Leitschaufellagerring 2 gelagert. Die Verstelleinrichtung 9 weist hierzu einen koaxial zur Verstellachse 9.2 drehbar gelagerten Zapfen 9.1 auf, dem ein Verstellglied 9.3 drehfest zugeordnet ist. Das Verstellglied 9.3 greift nach dem für die Hebelarme 4 beschriebenen Prinzip in den Verstellring 5 ein. An der dem Verstellglied 9.3 gegenüberliegenden Seite des Zapfens 9.1 ist ein Verstellhebel 9.4 angeordnet, der über ein nicht dargestelltes Steuerelement um die Verstellachse 9.2 gedreht wird. Durch das Drehen des Verstellhebels 9.4 werden der Zapfen 9.1 und das Verstellglied 9.3 um die Verstellachse 9.2 gedreht. Das Verstellglied 9.3 wirkt dabei in Umfangsrichtung zur Mittelachse 12 auf den Verstellring 5. Der Verstellring 5 wiederum wirkt auf den Kopf 4.1 des Hebelarms 4 und dreht diesen um die Leitschaufelachse 3.1. Über den Zapfen 9.1 werden die Leitschaufeln 3 gedreht.
Gemäß 1 ist der Leitschaufellagerring 2 zweiteilig aus einem Außenring 2.1 und einem Innenring 2.2 gebildet. Der Außenring 2.1 und der Innenring 2.2 lassen sich einzeln einfacher herstellen und sind luftspaltisoliert miteinander verbunden.
Die Leitschaufeln 3 sind im Leitschaufellagerring 2 und im Sitzring 7 gelagert. Hierzu ist der Sitzring 7 gemäß 4 am Außenring 2.1 über drei entsprechende Distanzbuchsen 8, 8', 8'' fixiert.
Die gesamte Leitschaufelverstelleinrichtung 1 bildet somit ein form- und kraftschlüssig verbundenes Bauteil, das als Ganzes in einen Verbrennungsmotor ein- und ausgebaut wird.

1: Leitschaufelverstelleinrichtung
2: Leitschaufellagerring
2.1: Außenring
2.2: Innenring
2.3: Laufbahn
3: Leitschaufel
3': Leitschaufel
3'': Leitschaufel
3.1: Leitschaufelachse
3.1': Leitschaufelachse
3.1'': Leitschaufelachse
4: Hebelarm
4': Hebelarm
4'': Hebelarm
4.1: Kopf
5: Verstellring
5.1: Laufbahn
5.2: Aufnahme
6: Wälzlager
6.1: Wälzkörper
6.1': Wälzkörper
6.1'': Wälzkörper
6.2: Lagerkäfig
7: Sitzring
8: Distanzbuchse
8': Distanzbuchse
8'': Distanzbuchse
9: Verstelleinrichtung
9.1: Zapfen
9.2: Verstellachse
9.3: Verstellglied
9.4: Verstellhebel
10: Abgasstrom
11: Blende
12: Mittelachse

Claims

Leitschaufelverstelleinrichtung (1) für einen Turbolader mit variabler Turbinengeometrie, mit einem Leitschaufellagerring (2), einem Verstellring (5) und mehreren synchron verstellbaren Leitschaufeln (3), die über im Leitschaufellagerring (2) gelagerte Leitschaufelachsen (3.1) mit jeweils einem Hebelarm (4) drehfest verbunden sind, wobei jeder Hebelarm (4) mit seiner der Leitschaufelachse (3.1) gegenüberliegenden Seite formschlüssig mit dem Verstellring (5) in Wirkverbindung steht und der Verstellring (5) bezüglich einer Mittelachse (12) dem Leitschaufellagerring (2) koaxial zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellring (5) durch mindestens ein Wälzlager (6) bezüglich der Mittelachse (12) in radialer und in axialer Richtung festgelegt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Leitschaufellagerring (2) einteilig und einstöckig oder zumindest zweiteilig aus einem Außenring (2.1) und einem Innenring (2.2) gebildet ist, wobei der Außenring (2.1) und der Innenring (2.2) luftspaltisoliert miteinander verpresst sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager (6) durch mindestens drei Wälzkörper (6.1) und einen Lagerkäfig (6.2) gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitschaufellagerring (2) und der Verstellring (5) jeweils eine Lagerschale für die Wälzkörper (6.1) bilden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitschaufellagerring (2) und oder der Verstellring (5) bezüglich der Mittelachse (12) in Umfangsrichtung jeweils mindestens eine Nut, Führungsbahn oder Laufbahn (2.3, 5.1) für die Wälzkörper (6.1) des Wälzlagers (6) aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Wälzlager (6), dem Leitschaufellagerring (2) und/oder dem Verstellring (5) eine Justiervorrichtung zugeordnet ist, über die der Verstellring (5) relativ zum Leitschaufellagerring (2) und bezüglich der Mittelachse (12) in axialer und in radialer Richtung spielfrei einstellbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellring (5) je nach Ausformung der Hebelarme (4) eine als Aussparung und oder als Hervorhebungen gebildete Aufnahme (5.2) zur Verstellung der Hebelarme (4) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Verstellring (5) eine Verstelleinrichtung (9) mit einem Zapfen (9.1) zugeordnet ist, der um eine parallel zur Mittelachse (12) angeordnete Verstellachse (9.2) im Leitschaufellagerring (2) drehbar gelagert ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Zapfen (9.1) ein Verstellglied (9.3) drehfest angeordnet ist und das Verstellglied (9.3) und der Hebelarm (4) bezüglich der Mittelachse (12) in Umfangsrichtung formschlüssig am Verstellring (5) angreifen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Distanzbuchsen (8) koaxial und beabstandet vom Leitschaufellagerring (2) ein Sitzring (7) angeordnet ist, in dem die Leitschaufeln (3) drehbar gelagert sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufelverstelleinrichtung (1) mit dem Leitschaufellagerring (2), den Leitschaufeln (3), den Hebelarmen (4), dem Verstellring (5), dem Wälzlager (6), dem Sitzring (7), den Distanzbuchsen (8), der Verstelleinrichtung (9) und einem oder mehreren weiteren Bauteilen ein form- und/oder kraftschlüssig verbundenes Bauteil bildet.