DE3521058C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Lagervorrichtung für ein Turbinenrad eines Turboladers gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Eine solche Lagervorrichtung ist bekannt (DE-OS 27 28 823). Bei dieser bekannten Lagervorrichtung sind das Turbinenrad und die zugehörige Welle fest miteinander verbunden, jedoch aus unterschiedlichen Werkstoffen gefertigt, damit das aus Keramik bestehende Turbinenrad den hohen Abgastemperaturen standhält. Die Welle dagegen besteht aus einem metallischen Werkstoff, der weniger spröde als der keramische Werkstoff ist und daher im Hinblick auf die mechanischen Belastungen der Welle besser geeignet ist. Im bekannten Fall berühren sich der Tragzapfen des Turbinenrades und die Oberfläche der Bohrung mit Ausnahme der ringförmigen Ausnehmung über die gesamte Länge ihrer axialen Überdeckung. Die Stirnfläche der Welle liegt an der Rückseite des Basisabschnitts des Turbinenrades an. Bei einer solchen Lagervorrichtung kann es aufgrund der Unterschiede in den Wärmeausdehnungskoeffizien­ ten zwischen der aus Metall bestehenden Welle und dem aus Keramik bestehenden Turbinenrad im Betrieb zu unterschied­ lichen Wärmeausdehnungen dieser Bauteile kommen, was wie­ derum zu hohen Scher- und Druckspannungen und möglicherweise zu daraus resultierenden Beschädigungen des Turbinenrades in denjenigen Bereichen führen kann, in denen sich das Turbinenrad und die Welle berühren.

Durch die DE-OS 31 29 220 ist eine gattungsfremde Lagervor­ richtung für ein aus Keramik bestehendes Turbinenrad und eine metallische Welle bekannt, bei der zwischen dem Tragzapfen des Turbinenrades und der Oberfläche der Bohrung in der Welle ein beide berührender Wärmeisolierring angeord­ net ist und auf der Außenseite der Welle ein Faserring angeordnet ist, wobei sich der Wärmeisolierring und der Faserring in Axialrichtung über die gesamte Länge erstrecken, über die sich Bohrung und Tragzapfen axial überdecken. Dadurch soll der Wärmebelastung der Welle vorgebeugt werden und soll mittels des Faserringes die dennoch erfolgende radiale Ausdehnung der Welle soweit unterdrückt werden, daß der Tragzapfen sicher festgehalten wird.

Durch die EP-A2-00 72 582 ist es bei einem Abgasturbolader bekannt, die Preßpassung zwischen einem Verdichterrad und einer zugeordneten Hohlwelle sich nur über einen Teil der axialen Überdeckung von Hohlwelle und Verdichterrad erstrecken zu lassen und im übrigen einen ringförmigen Spalt vorzusehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsbil­ dende Lagervorrichtung für ein Turbinenrad eines Turboladers dahingehend zu verbessern, daß eine sichere Befestigung des Turbinenrades trotz auftretender unterschiedlicher Wärmeaus­ dehnungen gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Lagervorrich­ tung gemäß Patentanspruch 1 gelöst, d. h. im wesentlichen dadurch, daß das Turbinenrad lediglich mittels eines Lagerungsabschnitts des Tragzapfens mit vergrößertem Durch­ messer in der axialen Bohrung der Welle gehalten ist und im übrigen ein axial verlaufender Spalt vorgesehen ist, der in die ringförmige Ausnehmung am turbinenradseitigen offenen Ende der Welle übergeht, die wiederum ihrerseits in einen radial verlaufenden zweiten Spalt übergeht. Somit kann weder die Stirnfläche der Welle gegen die Rückseite des Basisab­ schnitts drücken, was zur Folge hat, daß an der genannten Stelle weder Druckspannungen noch Scherspannungen im kerami­ schen Werkstoff auftreten können. Darüber hinaus ist durch den ersten Spalt der Entstehung hoher Scherspannungen und letztlich dem Lösen des Tragzapfens von der Welle vorge­ beugt.

In vorteilhafter Ausbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die ringförmige Ausnehmung als Abschrägung ausgebildet ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Turboladers;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines mit dem Turbo­ lader versehenen Verbrennungsmotors;

Fig. 3 einen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Lagervor­ richtung eines Turbinenrades des Turboladers, wobei jedoch nicht sämtliche Merkmale der Erfindung dargestellt sind;

Fig. 4 eine Vorderansicht des Turbinenrades;

Fig. 5 eine ausschnittsweise Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Lagervorrichtung; und

Fig. 6 eine ausschnittsweise Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Lagervorrichtung.

Fig. 1 zeigt einen Turbolader mit einem Gehäuse, das aus einem Gehäuseabschnitt 10 und einem Gehäuseabschnitt 12 besteht. Die Gehäuseabschnitte 10 und 12 haben zwei gegenüberliegende Flanschteile 10A und 12A, die durch ein ringförmiges Band 13, das im Querschnitt im wesentlichen die Form eines V aufweist, miteinander verbunden sind. Ein aus einem hitzebeständigen Werkstoff wie beispielsweise Keramik hergestelltes Turbinenrad 14 ist in dem Gehäuseabschnitt 10 angeordnet. Das Turbinenrad 14 ist, wie später beschrieben wird, mit einem Ende einer Welle 16 verbunden. Ein Verdichterrad 20 ist mit Hilfe einer Mutter 21 an dem anderen Ende der Welle 16 angebracht. Die Welle 16 ist mittels Lagereinheiten 22, von denen eine in der Zeichnung dargestellt ist, in dem Gehäuseabschnitt 12 gelagert. Die Welle 16 hat an ihrem dem Turbinenrad 14 zugewandten Ende einen Abschnitt 16a mit einem vergrößerten Durchmesser und mit einer nach außen offenen Ringnut 16b, in die ein Dichtungselement in Form eines O-Ringes 17 eingefügt ist.

Wie in Fig. 2 dargestellt ist, ist der Einlaß des Gehäuseabschnitts 10 mit einem Abgasrohr E eines Verbren­ nungsmotors verbunden und ist der Auslaß eines Verdichter­ gehäuses 18 mit einem Saugrohr I verbunden. Das Abgas aus dem Abgasrohr E wird in den Gehäuseabschnitt 10 geführt, damit es das Turbinenrad 14 antreibt. Die Drehung des Turbinenrades 14 wird über die Welle 16 auf das Verdichter­ rad 20 übertragen. Dies führt dazu, daß Luft in das Saugrohr I gedrückt wird.

Wie in Fig. 3 dargestellt ist, die allerdings nicht alle Merkmale einer erfindungsgemäßen Lagervorrichtung zeigt, ist das Turbinenrad 14 mit einem Basisabschnitt 14c, einer Vielzahl über den Umfang verteilter, radialer Schaufeln 14a und einem Tragzapfen 14b versehen, der sich axial von dem Basisabschnitt 14c aus erstreckt. Der Tragzapfen 14b ist in eine innerhalb der Welle 16 ausgebildete axiale Bohrung 16c eingefügt. Der Tragzapfen 14b weist an seinem vom Basis­ abschnitt 14c abgewandten Ende einen Lagerungsabschnitt 14b-1 auf. Da dieser in die Welle 16 eingepaßte Lagerungs­ abschnitt 14b-1 einen vergrößerten Durchmesser hat, ist ein erster ringförmiger Spalt S1 zwischen der inneren Oberfläche der Bohrung 16c der Welle 16 und der äußeren Oberfläche des Tragzapfenabschnitts mit verringertem Durchmesser ausgebil­ det. Dieser Spalt S1 erstreckt sich axial von dem dem Basisabschnitt 14c zugewandten Ende des Lagerungsabschnitts 14b-1 bis zu dem Ende der Welle 16. Zusätzlich ist ein zweiter ringförmiger Spalt S2 in radialer Richtung zwischen dem Basisabschnitt 14c und den Schaufeln 14a des Turbinen­ rades 14 einerseits und der Stirnfläche der Welle 16 andererseits ausgebildet. Der Durchmesser des Lagerungs­ abschnitts 14b-1 ist größer als der des übrigen Tragzapfens 14b; dieser vergrößerte Durchmesser ist als Preßpassung bezüglich der inneren Oberfläche der Bohrung 16c der Welle 16 ausgebildet. Dabei ist die Passung eng genug, um sicherzustellen, daß sich das Turbinenrad 14 nicht aufgrund irgendwelcher Unterschiede in den Werten der Wärmeausdeh­ nungskoeffizienten zwischen der aus Metall gebildeten Welle 16 und dem aus Keramik gebildeten Turbinenrad 14 aus der Welle 16 löst, wenn die Welle 16 und das Turbinenrad der Wärme der Abgase ausgesetzt sind, und lose genug, um sicherzustellen, daß das aus zerbrechlichem Keramikwerkstoff gebildete Turbinenrad 14 keinen übermäßigen Scherkräften ausgesetzt ist.

An ihrem turbinenradseitigen, offenen Ende weist die Bohrung 16c eine ringförmige Ausnehmung auf, die in Fig. 3 nicht gezeigt ist, jedoch in den Fig. 5 und 6 dargestellt ist.

Bei dem ersten, in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Stirnfläche der hohlen Welle 16, die dem Basis­ abschnitt 14c des Turbinenrades 14 zugewandt ist, mit einer inneren, ringförmig abgesetzten Ausnehmung 16d versehen, die zu dem zweiten Spalt S2 geöffnet ist. Dies vergrößert den Spielraum für die Wärmeausdehnung zwischen den gegenüberlie­ genden Stirnflächen der Welle 16 und des Turbinenrades 14.

Bei dem zweiten, in Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die innere Oberfläche der Bohrung 16c der Welle 16 an ihrem dem Basisabschnitt 14c des Turbinenrades 14 zuge­ wandten Ende eine Abschrägung 16e auf, die sowohl in den Spalt S1 als auch den Spalt S2 übergeht, wobei diese Abschrägung 16e dieselbe Wirkung aufweist, wie die in Fig. 5 dargestellte abgesetzte Ausnehmung 16d.

Da der Wärmeausdehnungskoeffizient der aus Stahl gebildeten Welle 16 größer ist als der des aus einem keramischen Werkstoff gebildeten Turbinenrades 14, dehnt sich die Welle 16 sowohl in axialer als auch in radialer Richtung stärker aus als das Turbinenrad 14, wenn diese Teile einer hohen Temperatur ausgesetzt sind. Die axiale Abmessung des Spaltes S2 ist derart, daß es trotz der größeren Wärmeausdehnung der Welle bei Betriebstemperatur nicht zu einer Berührung im Bereich zwischen dem turbinenradseitigen Ende der Welle 16 und dem Turbinenrad 14 kommt. Entsprechendes gilt für den Spalt S1. Es ist somit ein Spielraum für die Wärmeausdehnung in axialer und radialer Richtung gegeben durch den axialen Spalt S1 zwischen dem Tragzapfen 14b und der Welle 16, den radialen Spalt S2 zwischen der Stirnfläche der Welle 16 und dem Basisabschnitt 14c und die Ausnehmung 16d bzw. 16e. Dieser Wärmeausdehnungsspielraum schließt das Entstehen einer Scherkraft an dem Punkt aus, an dem der Tragzapfen 14b des Turbinenrades 14 in die hohle Welle 16 eintritt, und verhindert die Beschädigung des Turbinenrades 14, die aus einer zu hohen Scherkraft an der genannten Stelle resultie­ ren würde. Des weiteren ist der Tragzapfen des Turbinenrades in die hohle Welle mit Preßsitz eingepaßt an einem vom Basisabschnitt des Turbinenrades entfernten Abschnitt. Der Tragzapfen und die Welle sind somit in einem Bereich miteinander verbunden, auf den sich die hohe Temperatur des Abgases weniger auswirken kann und in demzufolge die Wärmeausdehnung entsprechend geringer ist. Dies bedeutet wiederum, daß zwischen dem Lagerungsabschnitt 14b-1 und der Bohrung 16c verringerte Pressungen notwendig sind, um den Tragzapfen in der Welle festzuhalten, was wiederum sowohl die Sicherheit im Betrieb erhöht als auch den Arbeitsaufwand bei der Montage verringert.

Claims (2)

1. Lagervorrichtung für ein Turbinenrad eines Turbo­ laders, mit einer Welle, die bezüglich eines Gehäuses drehbar ist, aus einem metallischen Werkstoff besteht und an ihrem einen Ende eine axiale Bohrung aufweist, die an ihrem turbinenradseitigen, offenen Ende durch eine ringförmige Ausnehmung erweitert ist, wobei das Turbinenrad aus einem Stück eines keramischen Werkstoffs besteht und einen Basisabschnitt, eine Vielzahl von radial verlaufenden, winklig versetzten und auf dem Basisabschnitt angeordneten Schaufeln und einen Tragzapfen aufweist, der sich axial vom Basisabschnitt aus erstreckt und in der axialen Bohrung der Welle mittels Preßpassungen gehalten ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Tragzapfen (14b) an seinem vom Basisab­ schnitt (14c) abgewandten Ende einen Lagerungsabschnitt (14b-1) mit einem im Vergleich zum übrigen Tragzapfen (14b) vergrößerten Durchmesser aufweist, wobei das Turbinenrad (14) lediglich mittels des Lagerungsabschnitts in der axialen Bohrung (16c) der Welle (16) gehalten ist, daß ein axial verlaufender, ringförmiger, erster Spalt (S1) zwischen der äußeren Oberfläche des Tragzapfenabschnitts mit verrin­ gertem Durchmesser und der inneren Oberfläche der Bohrung (16c) und ein radial verlaufender, ringförmiger, zweiter Spalt (S2) zwischen der dem Basisabschnitt (14c) zugewandten Stirnfläche der Welle (16) und dem Basisabschnitt (14c) ausgebildet ist und daß der erste Spalt (S1) sich bis zu der ringförmigen Ausnehmung (16d, 16e) axial und der zweite Spalt (S2) sich von der ringförmigen Ausnehmung (16d, 16e) aus radial nach außen erstrecken.

2. Lagervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die ringförmige Ausnehmung als Abschrägung (16e) ausgebildet ist.