DE3545135C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Verbinden eines Vorsprungsbereiches an einem Keramikteil mit einer metallischen Drehwelle, die einstückig ein den Vorsprungsbereich umfassendes, becherförmiges Ende aufweist.
Bei einem nach der DE-OS 28 22 627 bekannten Verfahren dieser Art wird die Innenumfangsfläche des becherförmigen Endes an der Außenumfangsfläche des Vorsprungsbereiches angelötet. Es verbleibt aber ein von Lötmaterial freier Raum zwischen der Stirnfläche des Vorsprungsbereichs und der inneren Bodenfläche des becherförmigen Endes. Gleiches gilt für ein entsprechendes Verfahren, das in der DE-OS 32 41 926 beschrieben ist.
Weitere Verfahren dieser Art sind in der japanischen Gebrauchsmusteranmeldung 5 701/1984 und in der japanischen Patentanmeldung 1 03 902/1984 beschrieben und werden im Vergleich zu erfindungsgemäßen Verfahren in der folgenden Figurenbeschreibung erläutert.
Aufgabe der Erfindung ist es, Verfahren eingangs genannter Art anzugeben, die zu einer festen, stark belastbaren Verbindung zwischen den becherförmigen Enden der metallischen Drehwelle und dem Vorsprungsbereich führen, ohne daß eine Gefahr des Abreißens des Vorsprungsbereichs vom Keramikteil oder ein Aufreißen des becherförmigen Endes der metallischen Drehwelle besteht.
Voneinander unabhängige Verfahren zur Lösung dieser Aufgabe sind in den Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung wird im folgenden an Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die Zeichnungen erläutert. In diesen Zeichnungen zeigt
Fig. 1 eine Seitenansicht einer Verbindung, die aus der japanischen Gebrauchsmusteranmeldung 5 701/1984 bekannt ist,
Fig. 2 eine Seitenansicht einer Verbindung, die aus der japanischen Patentanmeldung 1 03 902/1984 bekannt ist,
Fig. 3 eine Seitenansicht einer ersten Verbindung gemäß der Erfindung,
Fig. 4 eine Ansicht auf eine Keramikscheibe aus der Sicht IV-IV in Fig. 3,
Fig. 5 die Explosionsdarstellung einer Seitenansicht der Verbindung gemäß Fig. 3,
Fig. 6 eine Seitenansicht eines Teils der Verbindung gemäß Fig. 3 während des Lötens,
Fig. 7 eine Seitenansicht eines Teils der Verbindung gemäß Fig. 3 nach dem Löten,
Fig. 8 eine Seitenansicht einer zweiten Verbindung gemäß der Erfindung,
Fig. 9 eine Seitenansicht einer dritten Verbindung gemäß der Erfindung und
Fig. 10 ein Diagramm von Versuchsergebnissen an der Verbindung gemäß Fig. 8.
Fig. 1 zeigt einen Vorsprung 02 an einer Keramikscheibe 01, der durch Schrumpfen oder Löten mit einer Hülse 03 aus einem Metall verbunden ist, dessen thermischer Expansionskoeffizient im wesentlichen gleich demjenigen des Keramikmaterials der Keramikscheibe 01 ist. Die Hülse 03 ist an eine Welle 04 aus Metall geschweißt. Im Schweißbereich zwischen der Hülse 03 und der Welle 04 entseht dabei eine Spannung, weil der thermische Expansionskoeffizient der Welle 04 sehr viel größer ist als derjenige der Hülse 03. Diese Spannung neigt dazu, sich in der Bodenecke 03a der Hülse 03 und in der Ecke 04a der Welle 04 zu konzentrieren. Dies führt zu Rissen entlang der Linie 05, die die beiden Ecken 03a und 04a miteinander verbindet. Wenn die Hülse 03 auf den Vorsprung 02 mit großer Schrumpfung aufgeschrumpft wird, neigt der Vorsprung 02 infolge des dabei auf seine Wurzel ausgeübten hohen Drucks abzureißen. Wenn die Schrumpfung klein ist, wird die Haftkraft zwischen dem Vorsprung 02 und der Hülse 03 zwar gleichmäßig verteilt, aber der Vorsprung 02 neigt dazu, sich von der Hülse 03 zu lösen.
Gemäß Fig. 2 ist auf den Umfang eines Vorsprunges 02 einer Keramikscheibe 01 eine zylindrische Hülse 06 aufgesetzt, deren thermischer Expansionskoeffizient annähernd gleich demjenigen der Keramikscheibe 01 ist. Die Endfläche 06a der zylindrischen Hülse 06 ist an einer Endfläche 04a eines zylindrischen Endbereichs 04b einer Welle 04 aus Metall angeschweißt. Wegen der Differenz zwischen den thermischen Expansionskoeffizienten der Hülse 06 und der Welle 04 kann ein Riß 07 entlang der Verbindungsflächen der zylindrischen Hülse 06 und der Welle 04 im thermisch belasteten Zustand entstehen. Auch wirkt sich die Differenz der thermischen Expansionskoeffizienten schädlich auf den benachbart zur Endfläche 06a der zylindrischen Hülse 06 liegenden zylindrischen Bereich 04b am Ende der Welle 04 aus. Weil die Hülse 06 und der Endbereich 04b miteinander verschweißt sind, neigt der Endbereich 04b dazu, der thermischen Expansion des an ihn angrenzenden Bereichs 04c der Welle 04 zu widerstehen, so daß ein Riß 08 entlang einer Linie entstehen kann, die die Endfläche 04d und die Ecke 04a der Welle 04 miteinander verbindet. Außerdem treten die Schrumpfungsprobleme auf, die in Zusammenhang mit Fig. 1 erläutert wurden und zur Folge haben, daß der Vorsprung 02 von der Keramikscheibe 01 abreißen oder sich von der Hülse 06 lösen kann.
Es ist darauf hinzuweisen, daß die Endfläche des Vorsprungs 02 weder bei der Verbindung gemäß Fig. 1 noch bei der Verbindung gemäß Fig. 2 an dem Metall der Welle 04 befestigt ist, sondern vielmehr von dem Ende der Welle 04 beabstandet ist und nur von der ausgedehnten Hülse 03 bzw. 06 angegriffen wird.
Die Fig. 3 bis 7 zeigen eine Verbindung, die für einen Ansaugluft oder eine Luft/Kraftstoff-Mischung komprimierenden Turbolader einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs vorgesehen ist. Der Turbolader kann den durch Auspuffgase erzeugten Druck dazu verwenden, eine Auspuffturbinenscheibe zu drehen, die einen Kompressor über eine metallische Welle 20 antreibt.
Der Rotor des Turboladers besteht aus einem Körper 2 an einer einen Vorsprung 3 aufweisenden Scheibe 1 - beispielslweise aus einer Siliziumnitridkeramik -, einer Hülse 10 aus Metall - beispielsweise aus einer Metallegierung, die 23 bis 30 Gew.-% Ni, 17 bis 30 Gew.-% Co, 0,6 bis 0,8 Gew.-% Mn und zum Rest Fe enthält -, deren thermischer Expansionskoeffizient im wesentlichen gleich demjenigen der Scheibe 1 ist, einer metallischen Drehwelle 20 - beispielsweise aus einem Cr-Mo-Stahl - und einer nicht dargestellten Kompressortrommel, die einstückig mit der Drehwelle 20 zusammengebaut ist. Die nicht dargestellte Kompressortrommel ist auf einen einen kleinen Durchmesser aufweisenden Bereich 29 der Drehwelle 20 aufgesetzt und auf der Drehwelle 20 mittels einer nicht dargestellten Mutter festgelegt, die auf ein Außengewinde 30 der Welle 20 geschraubt ist.
Der Innendurchmesser 11 der Hülse 10 ist so bemessen, daß die Hülse 10 mit einem geringfügigen, über seine axiale Länge zunächst im wesentlichen konstanten Spalt 32 auf den Vorsprung 3 der Scheibe 1 vom Umfang 5 der Wurzel 4 des Vorsprungs 3 bis zum Umfang 7 des vorderen Endes 6 des Vorsprungs 3 zu stecken ist. Die Drehwelle 20 weist ein becherförmiges Ende 21 mit einem Innendurchmesser auf, der größer ist als derjenige eines mittleren Abschnitts 27 der Drehwelle 20. Das becherförmige Ende 21 hat eine zylindrische Vertiefung 22, deren Durchmesser im wesentlichen der gleiche ist wie der Innendurchmesser 11 der Hülse 10. Zwischen dem Boden 23 der zylindrischen Vertiefung 22 und dem Außenumfang des mittleren Abschnitts 27 der Drehwelle 20 ist ein Kanal 28 vorgesehen.
Die Scheibe 1, die Hülse 10 und die Drehwelle 20 werden folgendermaßen miteinander verbunden: Eine Endfläche 14 der Hülse 10 und eine vordere Endfläche 24 des becherförmigen Endes 21 der Drehwelle 20 werden einstückig - beispielsweise durch Reibungsschweißen - miteinaner verbunden, so daß die Hülse 10 eine Verlängerung des becherförmigen Endes 21 der Drehwelle 20 bildet. Der Boden 23 der zylindrischen Vertiefung 22 und der Kanal 28 in der Drehwelle 20 werden dann mit einem Lötmaterial 31 gefüllt und der Vorsprung 3 der Scheibe 1 in die Hülse 10 und die zylindrische Vertiefung 22 gesteckt. In diesem Zusand wird das Gebilde auf eine Temperatur erhitzt, die größer ist als die Schmelztemperatur (z. B. 700°C) des Lötmaterials 31. Weil die Drehwelle 20 einen thermischen Expansionskoeffizienten aufweist, der größer ist als derjenige der Scheibe 1 und der Hülse 10, nehmen der Innendurchmesser 11 der Hülse 10 und der Innendurchmesser der zylindrischen Vertiefung 22 der Drehwelle 20 allmählich in Richtung auf den Boden 23 der zylindrischen Vertiefung 22 zu (Fig. 6), und der Spalt 32 wird mit dem Lötmaterial 31 ausgefüllt.
Wenn die Temperatur des Gebildes anschließend allmählich auf eine Höhe abfällt, die niedriger ist als die Schmelztemperatur (z. B. etwa 700°C) des Lötmaterials 31, beginnt das Lötmaterial 31 sich zu verfestigen, und der Spalt 32 kehrt in seinen Zustand bei Zimmertemperatur zurück (Fig. 7). Dabei schrumpft die Drehwelle 20 mehr als die Scheibe 1 und die Hülse 10, weil die Drehwelle 20 einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Das Lötmaterial 31 widersteht der Schrumpfung der zylindrischen Vertiefung 22 im becherförmigen Ende 21 der Drehwelle 20, so daß der Vorsprung 3 der Scheibe 1 in der in Fig. 7 durch Pfeile dargestellten Weise einer Verfestigungskraft unterworfen wird, die sich in Richtung auf sein vorderes Ende 6 ausgehend von seiner Wurzel 4 allmählich vergrößert.
Der Vorsprung 3 wird nicht nur von der Hülse 10, sondern auch von der zylindrischen Vertiefung 22 im becherförmigen Ende 21 der Drehwelle 20 umfaßt. Das Lötmaterial 31 bedeckt den gesamten Vorsprung 3, sowohl seinen zylindrischen Umfang 5 als auch sein vorderes Ende 6. Dadurch kann sich die Scheibe 1 nicht mehr von der Drehwelle 20 lösen. Da die auf den Vorsprung 3 wirkende Verfestigungskraft allmählich von der Wurzel 4 des Vorsprungs 3, die nahe dem Körper 2 der Scheibe 1 liegt, in Richtung auf das vorderste Ende 6 des Vorsprungs 3 zunimmt, wird auf den Umfang 5 der Wurzel 4 des Vorsprungs 3 kein zu starker Druck ausgeübt und verhindert, daß der Vorsprung 3 von dem Körper 2 der Scheibe 1 abreißt. Außerdem konzentriert sich der Druck auch deswegen nicht auf den Umfang 5 der Wurzel 4 des Vorsprungs 3, weil dieser Umfang 5 mit großem Krümmungsradius sanft gekrümmt ist.
Am becherförmigen Ende 21 der Drehwelle 20 sind ein Wellenendwinkel 25 und eine Wellendecke 26 gerinfügig gekrümmt, wodurch Spannungen gleichmäßig verteilt, also nicht auf einen besonderen Punkt konzentriert werden, so daß ein Riß sehr viel weniger wahrscheinlich zwischen der Ecke der zylindrischen Vertiefung 22 und dem Wellenendwinkel 25 oder der Wellenendecke 26 entstehen kann.
Bei der Verbindung gemäß den Fig. 3 bis 7 ist der Vorsprung 3 der Scheibe 1 sowohl mit der Hülse 10 als auch mit der zylindrischen Vertiefung 22 im becherförmigen Ende 21 der Drehwelle 20 durch Lötmaterial 31 verbunden. Gemäß Fig. 8 kann der Vorsprung 3 mit der Hülse 10 und der zylindrischen Vertiefung 22 aber auch nur durch vorgegebene Schrumpfung verbunden werden. Hier ist der Innendurchmesser 11 der Hülse 10 und der zylindrischen Vertiefung 22 bei Raumtemperatur geringfügig in Richtung auf den Boden 23 der zylindrischen Vertiefung verjüngt, um die gewünschten Angriffskräfte am Vorsprung 3 nach dem Erhitzen der Welle 20 zum Einführen des Vorsprungs 3 zu bewirken.
Bei der Verbindung gemäß Fig. 9 sind die Drehwelle 20 und die Scheibe 1 nach Einsetzen des Vorsprungs 3 in eine Hülse 110 eines becherförmigen Endes 122 der Drehwelle 20 durch ein Lötmaterial 31, das sandwichartig zwischen den Paßflächen angeordnet wird, miteinander verbunden. Zur Verbindung wird das Gebilde auf eine Temperatur erhitzt, die größer ist als die Schmelztemperatur des Lötmaterials 31. Nach dem Abkühlen auf Zimmertemperatur sind der Vorsprung 3 und die Drehwelle 20 in axialer Richtung zwischen den Bereichen A und B einer inneren Spannung unterworfen, die durch L(E1-E2)t ausgedrückt werden kann. Dabei bezeichnen E1 und E2 die thermischen Expansionskoeffizienten der Drehwelle 20 und der Scheibe 1, t die Differenz zwischen der Löttemperatur und der Zimmertemperatur und L die in Fig. 9 angedeutete Paßlänge. Weil die Hülse 110 während des Abkühlens in hohem Maße schrumpft, wird in der Oberflächenschicht des Vorsprungs 3 zwischen den Punkten A und B eine Zugspannung erzeugt. Eine übermäßig große Paßlänge L bewirkt daher ein Abreißen des Vorsprungs 3 im Bereich A, wenn die Scheibe 1 gedreht wird. Außerdem entstehen bei zu großer Paßlänge L dann starke Vibrationen, die die Verbindung beeinträchtigen. Andererseits führt eine zu kleine Paßlänge L dazu, daß sich die Scheibe 1 von der Hülse 110 lösen kann.
Befriedigende Ergebnisse werden erzielt, wenn die Paßlänge L und der Paßdurchmesser D der Beziehung 0,4L/D1,0 genügen. Dann löst sich die Scheibe 1 von der Drehwelle 20 praktisch nicht.
Versuchsergebnisse an 13 Mustern sind in Fig. 10 dargestellt und in der folgenden Tabelle zusammengestellt. Es wurde geprüft, ob Störungen bei einer für Turbolader charakteristischen Betriebsdrehzahl No auftraten.
Tabelle
Fig. 10 zeigt eine zeichnerische Darstellung der Beziehung zwischen dem Verhältnis L/D und der maximalen Drehzahl ohne Probleme.
Aus Fig. 10 geht hervor, daß bei einem Verhältnis L/D im Bereich von 0,4 bis 1,03 selbst dann keine Probleme entstehen, wenn die Drehzahl No ist. Außerhalb des Bereichs (d. h. L/D<0,4 oder L/D<1,03) treten Probleme auf, bevor die Drehzahl No erreicht ist.

Claims (3)

1. Verfahren zum Verbinden eines Vorsprungsbereichs (3) an einem Keramikteil (1) mit einer metallischen Drehwelle (20), die einstückig ein den Vorsprungsbereich (3) umfassendes, becherförmiges Ende (21) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - an das becherförmige Ende (21) der Drehwelle (20) eine Metallhülse (10) angesetzt wird, deren thermischer Expansionskoeffizient im wesentlichen gleich dem thermischen Expansionskoeffizienten des Keramikteils (1) ist,
  • - das becherförmige Ende (21) der Drehwelle (20) mit einem Lötmaterial (31) gefüllt wird,
  • - der Vorsprungsbereich (3) durch die Metallhülse (10) hindurch in das becherförmige Ende (21) der Drehwelle (20) gesteckt wird,
  • - das so zusammengesetzte Gebilde auf eine Temperatur erhitzt wird, die höher als die Schmelztemperatur des Lötmaterials (31) ist, und daß
  • - dann dieses Gebilde allmählich abgekühlt wird (Fig. 3 bis 7).
2. Verfahren zum Verbinden eines Vorsprungsbereichs (3) an einem Keramikteil (1) mit einer metallischen Drehwelle (20), die einstückig ein den Vorsprungsbereich (3) umfassendes, becherförmiges Ende (122) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - eine Drehwelle (20) verwendet wird, deren becherförmiges Ende (122) hülsenförmig verlängert ist und ein Verhältnis von Paßlänge (L) zu Paßdurchmesser (D) von 0,4L/D1,0 aufweist,
  • - das becherförmige Ende (122) der Drehwelle (20) mit einem Lötmaterial (31) gefüllt wird,
  • - der Vorsprungsbereich (3) in das hülsenförmig verlängerte, becherförmige Ende (122) der Drehwelle (20) gesteckt wird,
  • - das so zusammengesetzte Gebilde auf eine Temperatur erhitzt wird, die höher als die Schmelztemperatur des Lötmaterials (31) ist, und daß
  • - dann dieses Gebilde allmählich abgekühlt wird (Fig. 9).
3. Verfahren zum Verbinden eines Vorsprungsbereichs (3) an einem Keramikteil (1) mit einer metallischen Drehwelle (20), die einstückig ein den Vorsprungsbereich (3) umfassendes, becherförmiges Ende (21) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - an das becherförmige Ende (21) der Drehwelle (20) eine Metallhülse (10) angesetzt wird, deren thermischer Expansionskoeffizient im wesentlichen gleich dem thermischen Expansionskoeffizienten des Keramikteils (1) ist, wobei die Innendurchmesser der Metallhülse (10) und des becherförmigen Endes (21) der Drehwelle (20) in Richtung zum Boden (23) des becherförmigen Endes (21) verjüngt sind,
  • - die Drehwelle (20) erhitzt wird,
  • - der Vorsprungsbereich (3) durch die Metallhülse (10) hindurch in das becherförmige Ende (21) der Drehwelle (20) gesteckt wird und daß
  • - dann das Gebilde durch Aufschrumpfen verbunden wird (Fig. 8).
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