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GEBIET DER ERFINDUNG
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Ausführungsformen, die im Allgemeinen Turbolader und insbesondere Lamellenpakete für Turbolader mit variabler Turbinengeometrie betreffen.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Turbolader sind ein Typ forciertes Ansaugsystem. Sie liefern Luft mit höherer Dichte als in der normal angesaugten Auslegung möglich wäre, zu einem Lufteinlass, erlauben es, mehr Kraftstoff zu verbrennen, wodurch die Leistung des Verbrennungsmotors ohne signifikante Steigerung des Gewichts des Motors geboostet wird. Ein kleinerer aufgeladener Motor, der einen physikalisch größeren Motor mit normaler Ansaugung ersetzt, verringert die Masse und kann den aerodynamischen Frontbereich des Fahrzeugs verringern.
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1 zeigt einen typischen Turbolader 10 mit variabler Geometrie. Im Allgemeinen verwenden Turbolader 10 den Abgasstrom von dem Auspuffkrümmer des Motors, um ein Turbinenlaufrad 12 anzutreiben, das sich in einem Turbinengehäuse 14 befindet, um eine Turbinenstufe 16 zu bilden. Die von dem Turbinenlaufrad 12 extrahierte Energie wird in eine drehende Bewegung umgewandelt, die dann ein Verdichterrad 18 antreibt, das sich in einem Verdichterdeckel 20 befindet, um eine Verdichterstufe 22 zu bilden. Das Verdichterrad 18 saugt Luft in den Turbolader 10, verdichtet diese Luft und liefert sie zu der Einlassseite des Motors.
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Turbolader mit variabler Geometrie verwenden typisch eine Mehrzahl drehbarer Leitschaufeln 24, um den Abgasmassestrom zu steuern, der auf das Turbinenrad 12 auftrifft, und um die Leistung der Turbinenstufe 16 zu steuern. Diese Leitschaufeln 24 steuern daher das Druckverhältnis, das von der Verdichterstufe 22 erzeugt wird. Bei Motoren, die die NOx-Produktion durch Verwendung von Hochdruck-Abgasrezirkulationstechniken (High Pressure Exhaust Gas Recirculation (HP EGR)) verwenden, stellt die Funktion des Lamellenpakets in einem Turbolader mit variabler Geometrie auch ein Mittel zum Steuern und Erzeugen von Abgasgegendruck bereit.
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Eine Mehrzahl von Leitschaufeln 24 wird zwischen einem allgemein ringförmigen oberen Leitschaufelkranz (UVR) 28 und einem allgemein ringförmigen unteren Leitschaufelkranz (LVR) 30 bereitgestellt. Die Einheit, die aus der Mehrzahl von Leitschaufeln 24 und den zwei Leitschaufelkränzen 28, 30 besteht, ist typischerweise als Lamellenpaket 26 bekannt. Jede Leitschaufel 24 dreht auf einem Paar gegenüberliegender Achsen 32, die von gegenüberliegenden Seiten der Leitschaufel 24 mit den Achsen 32 auf derselben Mittenlinie vorstehen. Für jede Leitschaufel 24 befindet sich eine der Achsen 32 in einer Öffnung 34 in dem LVR 30, und die andere Achse 32 befindet sich in einer Öffnung 36 in dem UVR 28. Die Winkelausrichtung des UVR 28 ist derart eingestellt, dass die komplementären Öffnungen 34, 36 in den Leitschaufelkränzen 28, 30 zu den Achsen 32 der Leitschaufel 24 konzentrisch sind. Die Leitschaufel 24 kann frei um die Mittenlinie der zwei Achsen 32, die zu der jetzt etablierten Mittenlinie der zwei Öffnungen 34, 36 konzentrisch ist, drehen. Jede Achse 32 auf der UVR-Seite der Leitschaufel 24 steht durch den UVR 28 durch und ist an einem jeweiligen Leitschaufelarm 38 befestigt, der die Drehungsposition der Leitschaufel 24 in Bezug auf die Leitschaufelkränze 28, 30 steuert. Typischerweise besteht ein getrennter „Einklangring”, der alle Leitschaufelarme 38 im Einklang steuert. Dieser Einklangring wird von einem Stellantrieb gesteuert, der typischerweise von der elektronischen Motorsteuereinheit (ECU) gesteuert wird.
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Der Abstand zwischen den drehbaren Leitschaufeln 24, genauer genommen zwischen den Backen 40 der Leitschaufeln 24 und den inneren Oberflächen 29, 31 des oberen und des unteren Leitschaufelkranzes 28, 30 trägt den Hauptteil zu einem Effizienzverlust sowohl der Steuerung der Abgase, welchen es erlaubt wird, auf das Turbinenrad 14 aufzutreffen, als auch beim Erzeugen von Gegendruck stromaufwärts des Turbinenrads 14 bei. Es ist wünschenswert, die Abstände zwischen den Leitschaufelbacken 40 und dem komplementären inneren Oberflächen 29, 31 der Leitschaufelkränze 28, 30 zu minimieren und daher die Effizienz des Lamellenpakets 26 zu steigern. Leider ist die Steigerung der Effizienz aufgrund der Seitenabstände umgekehrt proportional zur Tendenz des Lamellenpakets 26 sich abzunutzen, zu haften oder sich vollständig aufgrund von Wärmeverformung in dem Turbinengehäuse 14, die auf das Lamellenpaket 26 übertragen wird, zu blockieren. Das Lamellenpaket 26 muss daher präzis platziert und innerhalb des Turbinengehäuses 14 auf eine Art eingespannt werden, die Übertragung von durch Wärme induzierter Verzerrung minimiert. Auch wenn sie innerhalb des Lamellenpakets 26 liegen, müssen die erwähnten Abstände derart sein, dass sie die Effizienz maximieren, während sie das Potenzial für Haften, Blockieren und Abnutzung minimieren.
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Bei einigen Turboladern mit variabler Geometrie (VTG), wie in 2 abgebildet, wird der LVR 30 gegen das Turbinengehäuse 14 durch eine Mehrzahl von Stiftbolzen 42 eingespannt. Der UVR 30 und der untere Leitschaufelkranz LVR 20 werden durch Stifte oder Stiftbolzen 44 zusammengehalten, die dazu dienen, eine Vorspannkraft an die Leitschaufelkränze 28, 30 und an eine Mehrzahl von Abstandhaltern 46, die zwischen den Leitschaufelkränzen 28, 30 angeordnet sind, derart anzulegen, dass die Länge der Abstandhalter 46 die Entfernung zwischen dem UVR 28 und dem LVR 30 und daher den Abstand zwischen den Backen 40 der Leitschaufel 24 und den inneren Oberflächen 29, 31 der Leitschaufelkränze 28, 30 bestimmt. Die Stiftbolzen oder Stifte 4 dienen auch dazu, eine winkelige Ausrichtung der Öffnungen 34, 36, in welchen die Achsen 32 der Leitschaufeln eingespannt sind, bereitzustellen. Solche Stifte sind jedoch schwer so abzusichern, dass sie sich nicht aufdrehen, wenn sie Schwingung ausgesetzt sind, insbesondere in Situationen, bei welchen hohe Temperaturen vorliegen (von 740°C bis 1050°C). Ähnlich ist es in einer Situation, bei der die Temperatur von unter dem Gefrierpunkt bis zu hohen verbrennungsähnlichen Temperaturen (von 740°C bis 1050°C) reichen kann, schwierig, die Vorspannkraft über eine Mutter 48 aufrechtzuerhalten, so dass sich die Mutter 48 nicht aufgrund von Unterschieden in den Wärmedehnungskoeffizienten zwischen den Werkstoffen der Bauteile in dem Vorspannkraftsatz lockert. Was daher als eine einfache Klemmvorrichtung erscheinen kann (das heißt eine Mutter und ein Stiftbolzen), ist in Wirklichkeit ein kompliziertes Engineeringproblem, das typischerweise den Gebrauch exotischer und teurer Werkstoffe für die Bauteile erfordert, so dass die Vorspannkraft über den oben erwähnten Temperaturbereich aufrechterhalten bleibt.
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An Stelle von Stiftbolzen oder Stiften ist es auch bekannt, dass der UVR 30 und der untere Leitschaufelkranz LVR 20 von Stiften (nicht gezeigt) zusammengehalten werden, die an beiden Enden taumelgenietet werden, um eine Vorspannkraft an die Leitschaufelkränze 28, 30 und eine Mehrzahl von Abstandhaltern 46, die zwischen den Leitschaufelkränzen 28, 30 platziert sind, anzulegen. Das Taumelnieten beider Enden der Stifte steigert jedoch die Herstellungszeit, und seine Fähigkeit, das Lamellenpaket 26 bei Betriebstemperaturen und hohen Temperaturen zu halten, ist ungewiss.
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Während des Zusammenfügens des Lamellenpakets 26 wird viel Mühe aufgewandt, um sicherzustellen, dass die richtigen Bauteile verwendet und die richtigen Vorspannkräfte angewandt werden. Es besteht daher ein Bedarf an einer kosteneffektiven und relativ schnellen Art, die gewünschte Vorspannkraft an ein Lamellenpaket anzulegen.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Ausführungsformen diese Erfindung können die oben stehenden Probleme minimieren, indem sie eine Mehrzahl von Stiften verwenden, die an einem Ende einen Kopf haben. Das andere Ende jedes Stifts kann durch irgendeinen geeigneten Vorgang verformt werden, wie zum Beispiel durch Taumelnieten. Aufgrund einer solchen Anordnung, kann die Vorspannkraft auf die Leitschaufelkränze und den Abstandhalter angelegt werden. Daher kann die axiale Beabstandung des Leitschaufelkranzes gesteuert werden. Ferner kann die winkelige Ausrichtung zwischen den Leitschaufelkränzen aufrechterhalten werden, so dass die Achsen der Leitschaufeln zu den Öffnungen, in welchen sie drehen, konzentrisch sein können.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Ausführungsformen werden beispielhaft und ohne Einschränkung in den begleitenden Zeichnungen veranschaulicht, in welchen dieselben Bezugszeichen ähnliche Teile anzeigen, und in welchen:
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1 einen typischen Turbolader mit variabler Geometrie zeigt,
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2 eine Schnittansicht und eine weitere vergrößerte Ansicht eines typischen Lamellenpakets ist,
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3 eine Querschnittansicht eines beispielhaften Lamellenpakets ist,
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4 eine Ansicht des Lamellenpakets ist,
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5 eine Querschnittansicht eines Beispiels eines verformten zweiten Endes eines Stifts für ein Lamellenpaket ist, und
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6 eine Querschnittansicht eines Beispiels eines verformten zweiten Endes eines Stifts für ein Lamellenpaket ist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die hier beschriebenen Anordnungen betreffen ein Haltesystem und ein Verfahren für eine Leitschaufelkranzeinheit. Ausführliche Ausführungsformen werden hier offenbart, es ist jedoch klar, dass die offenbarten Ausführungsformen nur als beispielhaft zu verstehen sind. Spezifische Struktur- und Funktionseinzelheiten, die hier offenbart werden, können daher nicht als einschränkend ausgelegt werden, sondern allein als eine Grundlage für die Ansprüche und eine darstellende Basis zur Belehrung des Fachmanns zur unterschiedlichen Verwendung der Aspekte in so gut wie jeder entsprechend detaillierten Struktur. Die hier verwendeten Begriffe und Ausdrucksweisen sollen nicht einschränkend sein, sondern vielmehr eine verständliche Beschreibung möglicher Umsetzungen bereitstellen. Anordnungen sind in den 3 bis 6 gezeigt, aber die Ausführungsformen sind nicht auf die veranschaulichte Struktur oder Anwendung beschränkt.
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Unter Bezugnahme auf 3, ist eine Querschnittansicht eines Beispiels eines Lamellenpakets 50, das gemäß der vorliegenden Ausführungsform ausgelegt ist, gezeigt. Das Lamellenpaket 50 weist einen unteren Leitschaufelkranz (LVR) 52 und einen oberen Leitschaufelkranz (UVR) 54 auf. Der LVR 52 und der UVR 54 können allgemein ringförmig sein. Der LVR 52 kann eine äußere Oberfläche 56 und eine innere Oberfläche 58 aufweisen. Der UVR 54 kann ebenfalls eine äußere Oberfläche 60 und eine innere Oberfläche 62 aufweisen. Die Begriffe „innere” und „äußere” werden in Bezug auf die Leitschaufeln 80 verwendet, die sich zwischen dem LVR 52 und dem UVR 54 befinden. Das heißt, die inneren Oberflächen 58, 62 zeigen zu den Leitschaufeln 80, während die äußeren Oberflächen 56, 60 von den Leitschaufeln 80 weg zeigen.
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Eine Mehrzahl von Öffnungen 64 kann in dem LVR 52 bereitgestellt sein, und eine Mehrzahl von Öffnungen 66 kann in dem UVR 54 bereitgestellt sein. Der LVR 52 kann auch eine Gegenbohrung 68 in der äußeren Oberfläche 56 hergestellt aufweisen. Der UVR 54 und/oder der LVR 52 können derart angeordnet sein, dass jede der Öffnungen 64 in dem LVR 52 im Wesentlichen mit einer jeweiligen der Öffnungen 66 in dem UVR 54 ausgerichtet ist.
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Das Lamellenpaket 50 kann eine Mehrzahl von Stiften 70 aufweisen. Jeder Stift 70 kann ein erstes Ende 72 und ein zweites Ende 74 aufweisen. Das erste Ende 72 der Stifte 70 kann einen Kopf 76 aufweisen. Die Stifte 70 können eine passende Querschnittgröße und Form aufweisen. Bei einer Ausführungsform können die Stifte 70 eine im Wesentlichen kreisförmige Querschnittform haben. Die Ausführungsformen sind jedoch nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Die Stifte 70 können im Wesentlichen gerade sein. Die Stifte 70 können aus irgendeinem geeigneten Material bestehen, darunter zum Beispiel PL23, PLNi40 oder A286. Die Stifte 70 können auch aus Superlegierungen hergestellt sein, wie zum Beispiel aus Hastelloy.
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Jeder Stift 70 kann in einem jeweiligen Paar ausgerichteter Öffnungen 64, 66 des LVR 52 und des UVR 54 aufgenommen sein. Jeder Stift 70 kann in einer jeweiligen der Öffnungen 64 des LVR 52 von seiner äußeren Oberfläche 56 aufgenommen sein. Der Stift 70 und/oder der LVR 52 können in Bezug zueinander bewegt werden, bis der Kopf 76 des Stifts 70 in den LVR 52 eingreift. Bei einigen Fällen kann der Kopf 76 des Stifts 70 in die äußere Oberfläche 56 des LVR 52 eingreifen. Bei Ausführungsformen kann eine Gegenbohrung 68 auf der äußeren Oberfläche 56 des LVR 52 ausgebildet sein. Die Gegenbohrung 68 kann bemessen sein, um mindestens einen Teil des Kopfs 76 des Stifts 70 aufzunehmen. Insbesondere kann die Gegenbohrung 68 so bemessen sein, dass der komplette Kopf 76 des Stifts 70 darin aufgenommen ist. Der Kopf 76 des Stifts 70 kann im Wesentlichen bündig mit der äußeren Oberfläche 56 des LVR 52 sein. Alternativ kann der Kopf 76 des Stifts 70 von der äußeren Oberfläche 56 des LVR 52 derart vertieft sein, dass er in der Gegenbohrung 68 aufgenommen wird. Ein solcher Zustand kann gewünscht werden, um sicherzustellen, dass der LVR 52 richtig in das Turbinengehäuse 14 montiert wird. Als weitere Alternative kann der Kopf 76 des Stifts 70 über die äußere Oberfläche 56 des LVR 52 hinausragen. In mindestens einigen Fällen,
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Eine Mehrzahl von Abstandhaltern 78 kann bereitgestellt werden, um die axiale Entfernung zwischen der inneren Oberfläche 58 des LVR 52 und der inneren Oberfläche 62 des UVR 54 zu steuern. Jeder Stift 70 kann durch einen jeweiligen der Abstandhalter 78 durchgehen. Die Abstandhalter 78 haben eine Passage 79, die ausgelegt ist, um einen Stift 70 aufzunehmen. Die Länge der Abstandhalter 78 kann leicht länger sein als die axiale Länge der Leitschaufeln 80. Die Abstandhalter 78 können eine beliebige geeignete Auslegung haben. Die Abstandhalter 78 können zum Beispiel zylindrisch sein, oder sie können eine aerodynamisch effiziente Form haben.
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Jede der Leitschaufeln 80 kann ein Paar von Leitschaufelachsen 82 aufweisen. Für jede Leitschaufel 80 kann die Leitschaufelachse 82 auf der LVR-Seite der Leitschaufel 80 in eine jeweilige Öffnung 83 in dem LVR 52 eingefügt werden. Der UVR 54 kann sich über den Stiften 70 und Leitschaufelachsen 82 auf der UVR-Seite der Leitschaufel 80 befinden. Das zweite Ende 74 jedes Stifts 70 kann in einer jeweiligen Öffnung 66 des UVR 54 aufgenommen sein. Das zweite Ende 74 jedes Stifts 70 kann sich über die äußere Oberfläche 60 des UVR 54 erstrecken oder nicht. In einigen Fällen kann das zweite Ende 74 jedes Stifts 70 im Wesentlichen mit der äußeren Oberfläche 60 des UVR 54 bündig sein. Die Leitschaufelachsen 82 auf der UVR-Seite jeder Leitschaufel 80 können in einer jeweiligen Öffnung 84 in dem UVR 54 aufgenommen werden.
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Unter Bezugnahme auf die 6 bis 7, kann, sobald die Stifte 70 in die Leitschaufelkränze 52, 54 und durch ihren jeweiligen Abstandhalter 78 eingefügt sind, das zweite Ende 74 jedes Stifts 70 verformt werden. Das zweite Ende 74 jedes Stifts 70 kann unter Verwendung irgendeines geeigneten Vorgangs verformt werden. Das zweite Ende 74 jedes Stifts 70 kann zum Beispiel durch Taumelnieten verformt werden. In bestimmten Fällen kann das Taumelnieten einen exzentrischen Amboss aufweisen, der das Material in die gewünschte Form rollt oder hämmert. Alternativ oder zusätzlich kann das zweite Ende 74 jedes Stifts 70 durch Radialnieten (auch als Spiralform bekannt) verformt werden. Bei einigen Fällen kann das Radialnieten das wiederholte Aufprallen des Materials umfassen, während ein Amboss um das Ende des Stifts kreist. Das zweite Ende 74 jedes Stifts 70 kann zum Beispiel durch Nieten mit angerolltem Kopf verformt werden. Alternativ oder zusätzlich zu den oben stehenden Möglichkeiten, kann das zweite Ende 74 des Stifts 70 durch Schlagen des zweiten Endes 74 mit einem Gegenstand, wie zum Beispiel einem Stößel, einem Amboss, einem Hammer oder einem anderen geeigneten Gegenstand verformt werden.
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Wenn die zweiten Enden 74 der Mehrzahl von Stiften 70 verformt sind, können die Bauteile zwischen dem ersten und dem zweiten Ende 72, 74 der Stifte 70 eingespannt werden. Ferner kann eine Vorspannkraft an die Leitschaufelkränze 52, 54 und die Abstandhalter 78 als ein Resultat des Eingriffs des Kopfes 76 der Stifte 70 und des LVR 52 und der verformten zweiten Enden 74 der Stifte 70 und des UVR 54 angelegt werden. Die Stifte 70 können auch umfängliche Winkelausrichtung der Leitschaufelkränze 52, 54 in Bezug zueinander aufrechterhalten, um wesentliche Ausrichtung zwischen den Öffnungen 83, 84 für die Leitschaufelachsen 82 aufrechterhalten, um Blockieren zu vermeiden.
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Die verformten zweiten Enden 74 der Stifte 70 können sich über die äußere Oberfläche 60 des UVR 54 erstrecken oder nicht. In einigen Fällen kann ein vorstehendes verformtes zweites Ende 74 des Stifts 70 die Drehung des Leitschaufelarms 86 in Abhängigkeit von der relativen Position der Öffnungen 64, 66 für die Stifte 70 und Abstandhalter 78 zu den Positionen für die Öffnungen 83, 84 für die Leitschaufelachsen 82 in den Leitschaufelkränzen 52, 54 beeinträchtigen. Falls das verformte zweite Ende 74 der Stifte 70 die Drehung des Leitschaufelarms 86 nicht beeinträchtigen würde, kann mindestens ein Teil des verformten zweiten Endes 74 über die äußere Oberfläche 60 des UVR 54, wie in 5 gezeigt, hinausragen. Das verformte zweite Ende 74 kann jede geeignete Größe, Form und/oder Auslegung haben. Als ein Beispiel kann das verformte zweite Ende 74 konisch erweitert oder gewölbt sein. Eine solche Verformung kann auf jede geeignete Art erzielt werden. Das zweite Ende 74 des Stifts 70 kann zum Beispiel durch einen Amboss verlagert werden, der in etwa in Übereinstimmung mit der Mittenlinie 88 des Stifts 70 aufprallt. Alternativ kann das verformte zweite Ende 74 gewölbt sein, wie typischerweise beim Taumelnietvorgang. Falls das verformte zweite Ende 74 des Stifts 70 nicht oberhalb der äußeren Oberfläche 60 des UVR 54 herausragen kann, kann das System so ausgelegt werden, dass ein solcher Zustand vermieden wird. Wie in 6 abgebildet, kann zum Beispiel eine Vertiefung 90 (zum Beispiel eine Gegenbohrung oder Senkung) in dem UVR 54 vorgesehen werden. Das zweite Ende 74 des Stifts 70 kann derart verformt werden, dass das Material von dem zweiten Ende 74 des Stifts 70 in die Vertiefung 90 des UVR 54 verformt wird, während es nicht oberhalb der äußeren Oberfläche 60 des UVR 54 vorsteht.
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Es ist klar, dass die hier beschriebenen Systeme und Verfahren zahlreiche Vorteile bereitstellen können. Die Herstellungszeit und die Verfahrensschritte für ein Lamellenpaket können zum Beispiel verringert werden, da nur ein Ende des Stifts verformt wird. Im Vergleich zu früheren Bemühungen um Einspannen unter Verwendung kostspieliger Muttern und Stehbolzen, können auch Kosten eingespart werden. Ferner können die hier gegebenen Ausführungsformen die Ungewissheit des Aufrechterhaltens einer Vorspannkraft des Leitschaufelpakets während des Betriebs des Turboladers und bei hohen Temperaturen verringern. Zusätzlich können die hier beschriebenen Lamellenpaketanordnungen das Lamellenpaket von dem Turbinengehäuse abkoppeln, wodurch Probleme aufgrund von Unterschieden in der Rate der Wärmedehnung und des Zusammenziehens der zwei Materialien vermieden werden. Die Anzahl der Bauteile des Lamellenpakets kann ebenfalls verringert werden, da die Funktion eines Stehbolzens oder Stifts und einer Mutter durch einen einzigen Stift erzielt werden kann.
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Zu bemerken ist, dass es, obwohl hier Ausführungsformen beschrieben wurden, bei welchen der Kopf 76 des Stifts 70 in den LVR 52 eingreift und das zweite Ende 74 des Stifts 70 in den UVR 54 eingreift, klar ist, dass die entgegengesetzte Anordnung bereitgestellt werden kann. Das heißt, der Kopf 76 der Stifte 70 kann in den UVR 54 eingreifen kann und das zweite Ende 74 des Stifts 70 kann in den LVR 52 eingreifen. Ferner ist klar, dass Kombinationen solcher Anordnungen bereitgestellt werden können.
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Die Begriffe „ein” und „eine”, wie sie hier verwendet werden, sind als ein oder mehr als ein definiert. Der Begriff „Mehrzahl”, wie er hier verwendet wird, ist als zwei oder mehr als zwei definiert. Der Begriff „anderer”, wie er hier verwendet wird, ist als mindestens ein zweiter oder mehr definiert. Die Begriffe „aufweisen” und/oder „haben”, wie sie hier verwendet werden, sind als umfassend (das heißt offene Sprache) definiert.
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Aspekte, die hier beschrieben sind, können in anderen Formen und Kombinationen ohne Abweichung vom Sinn oder wesentlichen Attributen umgesetzt werden. Es ist daher klar, dass Ausführungsformen nicht auf spezifische Einzelheiten, die hier beschrieben sind, beschränkt sind, die nur beispielhaft gegeben werden, und dass verschiedene Modifikationen und Änderungen innerhalb des Geltungsbereichs der folgenden Ansprüche möglich sind.
