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Abgasturbolader
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Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader, der insbesondere im
überkritischen Drehzahlbereich betrieben wird und bevorzugt an einem Ende einer
Rotorwelle ein Verdichterrad und am anderen Ende ein Turbinenrad aufweist.
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Bei schnellaufenden Abgasturboladern treten zum Teil erhebliche Umweltbelästigungen
durch Geräuschabstrahlung auf. Derartige Geräusche werden überwiegend durch Resonanzerscheinungen
an Bauteilen des Turboladers erzeugt und in Körperschall umgesetzt. Diese, vor allem
im Bereich hoher Frequenzen, lästige Geräuschabstrahlung konnte bisher nur mit einem
sehr großen Aufwand reduziert werden.
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In der DE-OS 30 36 890, welche auf die Anmelderin zurückgeht, ist
ein Abgasturbolader beschrieben, bei welchem die Übertragung des Körperschalls durch
eine schwingungstechnische Abkopplung eines Teils der Rückwand des Verdichtergehäuses
mittels eines elastischen Trennringes vermieden bzw. reduziert wird. Diese Maßnahme
erfordert einen vergleichsweise großen Herstellungsaufwand und liefert nur für bestimmte
Verdichtergrößen die erwünschte Wirkung. Es hat sich gezeigt, daß mit Verringerung
der Baugrößen auch die Wirksamkeit dieser Maßnahme abnimmt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Geräuscherzeugung
bei überkritisch drehenden Abgasturboladern, insbesondere von Turboladern kleiner
Baugröße, zu reduzieren und/oder zu vermeiden und somit einen Beitrag zum Umweltschutz
zu leisten.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß in wenigstens einer
Ebene senkrecht zur Rotorachse wenigstens zwei Körper angeordnet sind, deren Schwerpunkte
auf zur Rotorachse konzentrischen Kreisbahnen unter dem Einfluß von Massenkräften
frei bewegbar sind, wobei die Ebene vorzugsweise in der Nähe des Verdichterrades
und/oder des Turbinenrades sich befindet.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung von wenigstens zwei Körpern wird
mit einem äußerst geringen konstruktiven Aufwand in überraschend einfacher Weise
die Entstehung von Geräuschen unterbunden. Eine merkliche Geräuschabstrahlung wird
bei den erfindungsgemäß ausgestalteten Turboladern nicht mehr festgestellt. Im Vergleich
mit den bisher bekannt gewordenen Lösungsvorschlägen ist die erfindungsgemäß vorgeschlagene
Lösung besonders für die Serienproduktion von Abgasturboladern geeignet. Im Rahmen
der Erfindung befinden sich die Körper in wenigstens einer Ebene. Dies kann insbesondere
durch Anordnung der Körper im Bereich des Turbinenrades sowie des Verdichterrades
erfolgen. Im Rahmen der Erfindung liegen auch solche Anordnungen, bei welchen die
eine Ebene dem Turbinenrad bzw.
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dem Verdichterrad zugeordnet ist und die andere Ebene sich an vorgebbarer
Stelle der Rotorwelle befindet. Je nach Anforderungen, Platzverhältnissen oder weiteren
konstruktiven Kriterien können die bewegbaren Körper unmittelbar im Verdichterrad
bzw. Turbinenrad oder aber in einem zusätzlichen Ring oder dergleichen angeordnet
werden.
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In einer besonderen Ausführungsform ist in oder an dem Verdichterrad
bzw. dem Turbinenrad ein ringförmiger Hohlraum konzentrisch zur Rotorachse vorgesehen,
in welchem wenigstens zwei der genannten Körper unter dem Einfluß von Massenkräften
in Umfangsrichtung frei bewegbar sind. Der vorgeschlagenen Hohlraum kann ohne Schwierigkeiten
im Verdichterrad oder Turbinenrad oder in einer zusätzlichen Hülse, Ring oder dergl.
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angeordnet werden, wobei in einfacher Weise durch den Radius des ringförmigen
Hohlraumes auch der Abstand der Körper zur Rotorachse vorgegeben werden kann. Mit
einem äußerst geringen
konstruktiven Aufwand wird in überraschend
einfacher Weise eine wesentliche Geräuschminderung erreicht.
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In einer zweckmäßigen Ausgestaltung sind die beiden Körper als Rotationskörper
und insbesondere als Kugeln ausgebildet. Derartige Rotationskörper sind besonders
leichtgängig in dem Hohlraum bewegbar, wobei die Haftreibung bzw. die Gleitreibungseinflüsse
praktisch zu vernachlässigen sind; die Rotationskörper führen in dem Hohlraum im
wesentlichen nur rollende Bewegungen aus. Besonders günstig haben sich Kugeln erwiesen,
doch können auch zylindrische oder tonnenähnliche Rotationskörper, wie sie aus Wälzlagern
hinlänglich bekannt sind, zum Einsatz gelangen.
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In einer weiteren wesentlichen Ausführungsform ist eine geradzahlige
Anzahl von Körpern in dem Hohlraum vorgesehen. Hierdurch werden besonders günstige,
stabile Verhältnisse über einen großen Drehzahlbereich sicher gestellt.
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In einer besonderen Ausgestaltung ist der Hohlraum als eine Ringnut
an einer axialen Stirnfläche des Verdichterrades angeordnet. Eine derartige Ringnut
läßt sich besonders kostengünstig in das Verdichterrad einbringen. In einer alternativen
Ausführungsform befindet sich die Ringnut im Inneren des Rades und sie wird als
ein Radialeinstich in die axiale Längsbohrung eingebracht. Die Ringnut kann sich
hierbei zweckmäßig im Bereich der Schwerpunktsebene des Verdichterrades befinden.
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In einer wesentlichen Ausgestaltung ist der Hohlraum in einer separaten,
dem Verdichterrad zugeordneten Hülse angeordnet, die bevorzugt aus einem härteren
Werkstoff als das Verdichterrad besteht. Falls das Verdichterrad aus einem vergleichsweise
weichen Material, genannt sei hier Aluminium oder eine Aluminiumlegierung, besteht,
können unter Umständen die Körper in dem Hohlraum nach längerer Zeit Vertiefungen,
Rillen oder ähnliches erzeugen. Mittels der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Hülse
wird dies in besonders einfacher Weise unterbunden und eine hohe Lebensdauer ist
unter Vermeidung von derartigen Schäden gewährleistet.
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Befindet sich der Hohlraum in einer axialen Stirnfläche des Verdichterrades
oder der Hülse, so wird zweckmäßig der Hohlraum in der Radialebene mittels einer
Scheibe abgeschlossen.
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Auch diese Scheibe besteht bevorzugt aus einem vergleichsweise harten
Material, so daß auch insoweit Beschädigungen vermieden werden.
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In einer besonders wesentlichen Ausgestaltung sind die Körper bei
der Montage zunächst in Richtung der Rotorachse axial verschiebbar und werden nachfolgend
in der erforderlichen Ebene senkrecht zur Rotorachse fixiert. Aufgrund der axialen
Verschiebbarkeit kann die optimale Ebene für die Körper in Probeläufen bei der Montage
festgestellt werden, wobei nachfolgend eine Fixierung vorgenommen wird. Diese Fixierung
kann im Rahmen der Erfindung insbesondere durch Kleben erfolgen. Es versteht sich,
daß hierbei die freie Drehbarkeit der Körper bezüglich der Rotorwelle erhalten bleibt,
und durch die Fixierung ausschließlich der axiale Freiheitsgrad der Körper beschränkt
wird.
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In einer besonderen Ausführungsform weist das Lagergehäuse bevorzugt
im Bereich der Mitte der Rotorwelle eine Ausnehmung auf, welcher die Körper zugeordnet
sind. Mit dieser Ausführungsform ist ohne weiteres möglich, Körper in zwei in axialer
Richtung beabstanderen Ebenen vorzusehen, wobei in jeder Ebene die besagten Körper
mit ihren Schwerpunkten auf zur Rotorwellenachse konzentrischen Kreisbahnen frei
bewegbar sind. Die Ausnehmung kann mit einem geringen Aufwand in dem Lagergehäuse
angeordnet werden.
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In einer alternativen Ausführungsform sind die Körper als exzentrisch
bezüglich der Rotorwelle angeordnete Segmente oder dergl. ausgebildet. Diese Segmente
weisen eine Bohrung auf, durch welche die Rotorwelle durchgreift. Der Schwerpunkt
der Segmente oder dergl. liegt in einem vorgegebenen Abstand zur Rotorachse.
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Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 schematisch einen Schnitt
durch einen Abgasturbolader, dessen Verdichterrad einen Hohlraum mit frei bewegbaren
Körpern aufweist, Fig. 2 vergrößert das Verdichterrad gemäß Fig. 1, Fig. 3 ein Verdichterrad
mit einem Hohlraum auf der vom Wellenende abgewandten Stirnfläche, Fig. 4 ein Verdichterrad
mit einem Hohlraum in Form eines Radialeinstiches im Inneren, Fig.5, zu , 6 vergrößert
Ausführungsformen, bei welchen der Hohlraum in einer separaten Hülse in Form einer
Ringnut angeordnet ist, Fig. 7 eine Ausführungsform, bei welcher die Hülse einen
U-förmigen, zum Verdichterrad offenen Querschnitt aufweist, Fig. 8 eine Ausführungsform,
bei welcher die Hülse vor der Mutter, mit welcher das Verdichterrad befestigt ist,
angeordnet ist, Fig. 9,10 eine Ausführungsform, bei welcher die Körper als um die
Rotorwelle drehbare Segmente ausgebildet sind, Fig.11-13 Ausführungsformen, bei
welchen die zunächst in axialer Richtung bezüglich der Rotorachse verschiebbaren
Körper in einer vorgegebenen Ebene fixiert sind.
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In Fig. 1 ist schematisch ein Abgasturbolader mit einem Lagergehäuse
2 für eine Rotorwelle 4 dargestellt. Mit dem Lagergehäuse 2 ist auf der einen Seite
ein Turbinengehäuse 6 und auf
der anderen Seite ein Verdichtergehäuse
8 verbunden, in welchen sich ein Turbinenrad 10 bzw. ein Verdichterrad 12 befinden.
Das Verdichterrad 12 ist auf dem einen Ende der Rotorwelle 4 mittels einer Schraubverbindung,
enthaltend ein Gewinde 14 sowie eine Mutter 16, befestigt. Das Lagergehäuse 2 weist
etwa in der Mitte eine Ausnehmung 30 auf. Im Bereich von Turbinenrad 10, Verdichterrad
12 oder der genannten Ausnehmung 30 können die nachfolgend zu erläuternden Körper
angeordnet sein, deren Schwerpunkte auf zur Rotorwellenachse 5 konzentrischen Kreisbahnen
unter dem Einfluß von Massenkräften frei bewegbar sind. Es sei ausdrücklich hervorgehoben,
daß im Rahmen der Erfindung bevorzugt in zwei derartigen Ebenen die genannten Körper
vorgesehen werden.
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Fig. 2 zeigt vergrößert das Verdichterrad 12, und es ist in der axialen
Stirnfläche 20 ein ringförmiger Hohlraum 22 zu erkennen. Dieser Hohlraum 22 ist
als eine Ringnut in die Stirnfläche 20 eingebracht. Die Scheibe 18 weist erfindungsgemäß
einen größeren Außendurchmesser als der Hohlraum 22 auf, so daß der Hohlraum 22
mittels der Scheibe 18 vollständig abgeschlossen ist. In dem Hohlraum 22 befinden
sich mindestens zwei unter dem Einfluß von Massenkräften frei bewegbare Körper 24,
wobei hier in der Zeichnung nur ein einziger Körper in Form einer Kugel dargestellt
ist. Zweckmäßig ist eine geradzahlige Anzahl von Körpern 24 in dem Hohlraum 22 angeordnet.
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Anstelle von Kugeln können auch andere Rotationskörper frei bewegbar
in dem Hohlraum 22 angeordnet sein, wobei diese Rotationskörper im wesentlichen
eine rollende Bewegung ausführen.
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Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 ist der Hohlraum 22 in Form einer
Ringnut auf der anderen axialen Stirnfläche 26 des Verdichterrades 12 angeordnet.
Das Verdichterrad 12 leigt nunmehr über die Scheibe 18 an einem Bund der Rotorwelle
4 an.
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Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 ist der Hohlraum 22 als ein Radialeinstich
im Inneren des Verdichterrades 12 vorgesehen. Es ist von besonderem Vorteil bei
dieser Ausführungsform, daß der Hohlraum sich im wesentlichen in der Schwerpunktsebene
befindet.
Es sind bei dieser Ausführungsform keine zusätzlichen Bauteile erforderlich.
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Bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 5 und 6 ist der Hohlraum in einer
dem Verdichterrad 12 zugeordneten Hülse 28 angeordnet. Die Hülse 28 besteht im Rahmen
der Erfindung aus einem härteren Werkstoff als das Verdichterrad 12, welches vor
allem aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt ist.
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Eine hohe Lebensdauer wird damit erreicht, da die Körper 24 auch nach
langer Laufzeit keine Spuren oder dergl. in den Flächen des Hohlraumes 22 hervorrufen.
Gemäß Fig. 6 ist zusätzlich eine Scheibe 18 zwischen dem Verdichterrad 12 und der
Hülse 28 vorgesehen, welche Scheibe 18 ebenfalls aus einem vergleichsweise harten
Werkstoff besteht; Beschädigungen an der axialen Stirnfläche des Verdichterrades
12 werden mit einem geringen Aufwand vermieden.
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Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher die Hülse 28 einen
im wesentlichen U-förmigen Querschnitt aufweist, so daß der Hohlraum 22 sich bis
zur Rotorwelle 4 erstreckt. Eine solche Hülse kann mit einem geringen Aufwand gefertigt
werden.
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In Fig. 8 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei welcher die Hülse
28 vor der Mutter 16, mit welcher das Verdichterrad 12 befestigt ist, auf der Rotorwelle
4 angeordnet ist. Die Hülse 28 ist im oberen Teil im Schnitt dargestellt und im
unteren Teil von Fig. 8 in einer Ansicht zu sehen. Die Hülse 28 besteht aus zwei
Bauteilen 32, 34, die in geeigneter Weise miteinander sowie mit der Rotorwelle 4
verbunden sind. Die beiden Bauteile 32, 34 weisen jeweils eine Ringnut auf, durch
welche der oben bereits erläuterte Hohlraum für die Körper 24 gebildet wird. Es
ist hier nur ein einziger Körper 24 in Form einer Kugel zu erkennen, wobei jedoch
wenigstens zwei derartige Kugeln vorhanden sind. Eine derart angeordnete Hülse kann
sehr genau zentrisch angeordnet werden, wobei auch eine vergleichsweise geringe
zusätzliche Masse erforderlich wird. Auch für eine evtl. Reparatur ergeben sich
durch diese Anordnung nicht unwesentliche Vorteile.
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Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 9 und 10 sind die Körper als Segmente
36 ausgebildet, welche jeweils eine Bohrung 38 für das Ende der Rotorwelle 4 aufweisen.
Der Schwerpunkt jedes Segments 36 liegt in einem vorgegebenen Abstand zur Rotorachse
5. Die beiden Segmente 36 sind bezüglich der Rotorwelle 4 frei drehbar und sie befinden
sich im Inneren einer Kappe 40, die mit dem Verdichterrad 12 verbunden ist. Die
Segmente 36 sind in geeigneter Weise in axialer Richtung auf der Rotorwelle 4 fixiert.
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In Fig. 11 ist eine Ausführungsform zu sehen, bei welcher das Lagergehäuse
2 etwa in der Mitte eine Ausnehmung 30 aufweist; Verdichterrad und Turbinenrad sind
hier der Einfachheit halber nicht weiter dargestellt. Im Bereich der Ausnehmung
30 befindet sich eine Hülse 28, die wiederum aus zwei Bauteilen 32, 34 zusammengesetzt
ist. Bei dieser erfindungswesentlichen Ausführungsform konnte die Hülse 28 zunächst
in axialer Richtung auf der Rotorwelle 4 verschoben werden. Bei der Montage wurde
die im Hinblick auf Geräuschabstrahlung optimale Stelle ermittelt und nachfolgend
ist die Hülse 28 mittels eines Klebemittels 42 in der erforderlichen axialen Position
fixiert worden. Diese Ausführungsform wird alternativ oder auch zusätzlich zu den
eingangs erläuterten Ausführungsformen erfindungsgemäß vorgeschlagen. Es ist ersichtlich,
daß in besonders zweckmäßiger Weise eine zweite Ebene für die frei um die Rotorwelle
4 drehbaren Körper 24 vorgegeben wird, falls im Bereich des Verdichterrades oder
Turbinenrades entsprechende Körper vorgesehen sind.
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In Fig. 12 und 13 ist eine Ausführungsform gezeigt, bei welcher zwei
um die Rotorwelle 4 drehbare Segmente 36 vorhanden sind. Die Segmente 36 befinden
sich wiederum in einer Ausnehmung 30 des Lagergehäuses 2. Fig. 13 zeigt das eine
Segment 36 in Richtung des Pfeiles 44 gemäß Fig. 12. Das Segment 36 weist ebenfalls
eine Bohrung 38 auf und ist somit um die Rotorwelle 4 frei drehbar. Der Schwerpunkt
des Segmentes 36 liegt ersichtlich exzentrisch zur Rotorachse 5 bzw. zur Bohrung
38.
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Die Segmente 36 sind mittels Ringen 46 in axialer Richtung fixiert.
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Bezugszeichenliste 2 Lagergehäuse 4 Rotorwelle 5 Rotorachse 6 Turbinengehäuse
8 Verdichtergehäuse 10 Turbinenrad 12 Verdichterrad 14 Gewinde 16 Mutter 18 Scheibe
20 Stirnfläche von 12 22 Hohlraum 24 Körper 26 andere Stirnfläche von 12 28 Hülse
30 Ausnehmung 32, 34 Bauteile 36 Segment 38 Bohrung 40 Kappe 42 Klebemittel 44 Pfeil
46 Ringe