DE3625996A1 - Laufzeug fuer einen abgasturbolader - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Laufzeug für einen Abgasturbolader nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Durch die US-PS 44 24 003 ist es bekannt, das Turbinenrad von Abgasturboladern aus einem keramischen Werkstoff herzustellen, welcher höhere Betriebstempera­ turen zuläßt und daher eine Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades ermöglicht. Mit derartigen keramischen Turbinenrädern läßt sich auch das Massenträgheits­ moment des Läufers reduzieren, wodurch das Ansprechverhalten des Laders verbessert werden kann. Da das Verdichterrad aus einem metallischen Werkstoff besteht, muß eine Verbindung des metallischen Verdichterrades mit dem keramischen Turbinenrad geschaffen werden, die bei dem genannten Stand der Technik im Bereich der Welle erfolgt, indem eine Hohlwelle auf einen an das Turbinenrad einstückig angeformten keramischen Wellenstumpf aufgeschrumpft wird. Eine derartige Verbindungsstelle zwischen einem metallischen und einem keramischen Wellenteil kann Schwierigkeiten bezüglich der Abstimmung der Eigenfrequenz der Welle verursachen. Ferner ist eine Nachbearbeitung der Oberfläche des metallischen Wellenteils nach dem Aufschrumpfen erforderlich, um die gewünschte Oberflächengüte und die erforderliche hohe Zentrizität der Welle sicherzustellen.

Zur Erfindung der Forderung nach einer einfachen und mit geringem Aufwand herstellbaren Verbindung der beiden aus unterschiedlichen Materialien herge­ stellten Teile, ist es durch die DE-OS 35 32 348 bekannt, ein einstückig mit einer Welle aus keramischem Werkstoff hergestelltes Turbinenrad auf einem in das metallische Verdichterrad greifenden Wellenzapfen reibschlüssig zu fixieren. Dazu wird die Nabe des Verdichterrades aufgebohrt und teilweise mit einem Innengewinde versehen. In die Aufnahmebohrung werden Konusringe eingesetzt, welche mit Hilfe einer in die Nabe eingeschraubten und über den Wellenzapfen greifenden Einschraubhülse axial verspannt werden, wobei die durch die Ver­ spannung auftretenden Radialkräfte den Reibschluß für das vom Verdichterrad auf die keramische Welle zu übertragende Drehmoment bewirken.

Diese Art der Verbindung eines metallischen Verdichterrades auf einem kerami­ schen Wellenzapfen ist nur für Abgasturbolader verhältnismäßig großer Baugröße geeignet. Bei sehr kleinen Turboladern, bei welchen Verdichterräder mit einem Durchmesser von < 5 cm Verwendung finden, ist die erläuterte bekannte Verbindungsart nachteilig, da die erforderlichen Spannkräfte wegen des zu geringen Durchmessers der Nabe und damit der geringen Materialstärke im Bereich des Schraubgewindes nicht mehr aufgebracht werden können.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Verbindung zwischen metallischem Verdichterrad und keramischen Wellenzapfen zu schaffen, die auch für kleine Laufzeuge von kleinen Abgasturboladern noch verwendbar ist und möglichst einfach sowie mit geringem Aufwand die Befestigung des Verdichterrades auf dem Wellenzapfen sicher zuläßt.

Diese Aufgabe wird, ausgehend von dem eingangs genannten Laufzeug für einen Abgasturbolader, erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Dabei werden koaxial übereinanderliegende Konusringe mit kegeligen Mantelflä­ chen verwendet, die außerhalb der Nabe des metallischen Verdichterrades und zum Teil in der verdichterradseitigen Dichtungsbuchse angeordnet sind.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung mit ihren Vorteilen und Merkmalen wird anhand von Ausführungs­ beispielen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Teilschnitt durch den verdichterseitigen Teil eines Laufzeu­ ges eines Turboladers mit einer Verbindung zwischen Verdichterrad und Keramikwelle gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine Spannhülse, mit der die Montageverbindung gemäß Fig. 1 zwischen Verdichterrad und Keramikwelle hergestellt wird,

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4 eine Spannhülse für Ausführung nach Fig. 3,

Fig. 5 eine dritte Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 6 eine vierte Ausführungsform der Erfindung.

Bei dem Laufzeug, an welchem die Erfindung verwirklicht wird, sind das nicht dargestellte Turbinenrad und die Läuferwelle in einem Stück aus einem keramischen Werkstoff hergestellt, der aus Siliziumnitrid, Siliziumcarbid oder einem in den mechanischen und physikalischen Eigenschaften ähnlichen Werkstoff bestehen kann. Das Verdichterrad ist in herkömmlicher Weise aus einem metallischen Werkstoff hergestellt. Zur Übertragung des Verdichterdrehmo­ mentes und des an den Lagerbünden des Axiallagers auftretenden Drehmoments ohne Schlupf auf die Keramikwelle sind eine reibschlüssige Verbindung in Form von gegeneinander verspannten Konusringen vorgesehen.

Gemäß Fig. 1 ist an dem verdichterseitigen Ende einer Keramikwelle 10 ein kurzer Wellenzapfen 111 ausgebildet, auf welchem eine Integralbuchse 112 sitzt, in der ein Lagerbund 13 , eine Distanzbuchse 14, ein Ölabweisring 15 und eine Dichtungsbuchse 16 einstückig zusammengefaßt sind. Die Integralbuchse 112 dient unter anderem zusammen mit dem Axiallager 17 zur Axiallagerung des Läufers und zusammen mit den Kolbenringen 40 zur Abdichtung des Lagerge­ häuses gegenüber dem Verdichtergehäuse.

Zur reibschlüssigen Befestigung des Verdichterrades an der Keramikwelle 10 dient eine Spannhülse 120, die en d´tail in Fig. 2 dargestellt ist. Diese Spannhülse 120 besteht aus zwei Abschnitten, wovon der eine hülsenförmige Abschnitt 121 mit einer Innenbohrung 122 versehen ist, die dem Durchmesser des Wellenzapfens 111 der Keramikwelle entspricht. Nach vorn schließt an den hülsenförmigen Abschnitt ein Schaft mit einem Gewindeabschnitt 23 an, der an seinem vorderen Ende in einen Vierkant übergeht. Am freien Ende des hülsenförmigen Abschnittes ist ein Konusring 24 ausgebildet, wobei die Konus­ fläche zum freien Ende hin ansteigt. In den hülsenförmigen Abschnitt sind ferner längs verlaufende Schlitze eingeschnitten, die eine Verformung des Konusringes ermöglichen, um die erforderliche Flächenpressung in der Trennfuge zwischen der Spannhülse 120 und dem keramischen Wellenzapfen zu erzielen.

Der abgesetzte vordere Teil der Spannhülse mit einem geringeren Durchmesser ermöglicht, daß die gewünschte reibschlüssige Befestigung auch dann noch mit Hilfe der Spannhülse möglich ist, wenn die Durchmesser der Verdichterräder sehr klein werden und damit im vorderen Teil der Nabe des Verdichterrades nur noch eine Spannhülse mit reduzierten Durchmesser untergebracht werden kann. Wie man aus der Zeichnung entnehmen kann, ist das Verdichterrad am hinteren turbinenseitigen Ende mit einer Stufenbohrung versehen, in welche der durch­ messerweitere hülsenförmige Abschnitt 121 der Spannhülse eingreift.

Zur Montage des Verdichterrades 125 auf dem Wellenzapfen 111 wird zunächst die Spannhülse 120 mit dem Konusring 24 in die gegenläufig konisch verlaufende Innenbohrung des äußeren Konusringes 130 eingesetzt. Anschließend wird der äußere Konusring 130 mit der darin lose vormontierten Spannhülse 120 in die Integralbuchse 112 eingeschrumpft oder eingeklebt. Zu diesem Zweck ist die Integralbuchse 112 im Bereich der Dichtungsbuchse und des Ölabweisringes mit einer Stufenbohrung versehen. Diese so vormontierte Einheit (Spannhülse 120, äußerer Konusring 130 und Integralbuchse 112) wird auf den Wellenzapfen 111 aufgeschoben und mit einer Lehre in der für die Montage und späteren Funktionserfüllung richtigen Position gehalten. Auf die Spannhülse wird an­ schließend eine Montagehülse 30 aufgesetzt, welche mit Hilfe einer Bundscheibe 32 und einer Spannmutter 33 gegen die Integralbuchse verspannt wird, um eine Axialkraft in die Integralbuchse einzuleiten, welche über die beiden Konusflächen an der Dichtungsbuchse und am Konusring zwischen Wellenzapfen 111 und Spannhülse 120 eine für die weitere Montage zunächst ausreichende Flächen­ pressung erzeugen, um die Integralbuchse auf dem Wellenzapfen fest zu positionieren. Anschließend wird nach Lösen der Spannmutter und der Bund­ scheibe die Montagehülse 30 abgenommen und an deren Stelle das Verdichterrad 25 auf die Spannhülse 120 aufgebracht und mittels Bundscheibe 32 und Spannmutter 33 fest gegen die auf dem Wellenzapfen 111 fixierte Integralbuchse 112 verspannt. Durch diese Art der Verbindung läßt sich eine große nutzbare Kegellänge, und damit geringe Flächenpressung in den Trennfugen und insbeson­ dere zwischen der Spannhülse und der Keramikwelle erreichen. Die durch das Anzugsmoment der Spannmutter 33 eingeleitete Axialkraft wird über die Bundscheibe 32 und das Verdichterrad 25 auf die Integralbuchse 112 übertragen, wodurch die zusammenwirkenden Kegelflächen weiter gegeneinander verschoben und eine schlupffreie reibschlüssige Verbindung auf der keramischen Welle gewährleistet ist. Die für die Einbringung der notwendigen Flächenpressung erforderliche Verformbarkeit des Konusringes an der Spannhülse wird durch die Axialschlitze 26 gewährleistet. Durch diese Art der Verbindung wird der Wellenzapfen 111 der Keramikwelle 10 lediglich auf Druck beansprucht. Ferner treten keine oder nur geringe Kerbwirkungen auf, für welche keramische Werkstoffe besonders empfindlich sind. Die beschriebene Verbindung gemäß der Erfindung gewährleistet somit eine für Keramikwellen sehr materialgerechte Befestigung des Verdichterrades zur Übertragung des in der Axiallagerung auftretenden Drehmomentes und des Verdichterradmomentes.

In Fig. 3 ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der anstelle einer Integralbuchse eine zweiteilige Buchse Verwendung findet, die aus der Dichtungsbuchse einerseits und dem Ölabweisring und der Distanzbuchse sowie dem Lagerbund andererseits besteht. Die beiden Teile sind durch nicht dargestellte Kerbstifte gegen Verdrehung gesichert.

Zur reibschlüssigen Befestigung der Dichtungsbuchse 16 an der Keramikwelle 10 dient eine Spannhülse 20, die en d´tail in Fig. 4 dargestellt ist. Diese Spannhülse 20 besteht aus zwei Abschnitten, wovon der eine hülsenförmige Abschnitt 21 mit einer Innenbohrung 22 versehen ist, die dem Durchmessers des Wellenzapfens 11 der Keramikwelle entspricht. Nach vorn schließt an den hülsenförmigen Abschnitt ein Gewindeabschnitt 23 an, der an seinem vorderen Ende in einen Vierkant übergeht. Am freien Ende des hülsenförmigen Abschnittes ist ein Konusring 24 ausgebildet, wobei die Konusfläche zum freien Ende hin ansteigt. In den hülsenförmigen Abschnitt sind ferner längs verlaufende Schlitze 26 eingeschnitten, welche die für die Montage notwendige Verformbarkeit des Konusringes gewährleisten. Zur Montage des Verdichterrades 25 auf dem Wellenzapfen 11 wird zunächst die Spannhülse 20 mit dem Konusring 24 in die gegenläufig konisch verlaufende Innenbohrung der Dichtungsbuchse 16 eingesetzt. Anschließend werden der Dichtungsring und der zweite integrale Teil zusammen mit der Spannhülse 20 auf den Wellenzapfen 11 aufgeschoben und in der für die Montage richtigen Position gehalten. Die Montage und die Funktionsweise der Spannhülse entspricht im übrigen der Ausführungsform gemäß Fig. 1, wobei zur axialen exakten Positionierung der zweiteiligen Buchse während des Verspannens der Dichtungsbuchse auf dem Wellenzapfen mit Hilfe der Spannhülse 20 eine Anlage an der Wellenschulter erforderlich ist.

Auch die Ausführungsform gemäß Fig. 5 entspricht in allen wesentlichen Teilen der Ausführungsform gemäß Fig. 3. Jedoch ist die Spannhülse im Bereich des Konusringes 24 mit einer Stufenbohrung versehen, in welche ein verformungs­ fähiges Material 36 eingesetzt ist, das eine gleichmäßigere Verteilung der Flächenpressung beim Verspannen bei noch ausreichender Haftung auf dem Wellenzapfen 11 gewährleistet. Dadurch läßt sich eine bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 eventuell noch auftretende geringe Kerbwirkung weiter reduzieren.

Bei der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform ist die Integralbuchse 212 ebenfalls mit einer Aufnahmebohrung versehen, in welche zwei koaxial überein­ anderliegende, mit kegeligen Mantelflächen versehene Konusringe 230 und 231 eingesetzt sind. Die Innenfläche der Aufnahmebohrung ist im vorderen Teil mit einem Gewinde versehen. Das Verdichterrad 225 ist massiv ausgebildet und auf der Rückseite mit einem Nabenvorsprung 235 versehen, der mit seiner äußeren Mantelfläche der Aufnahmebohrung der Integralbuchse 112 angepaßt ist und ein Außengewinde trägt, welches in das Innengewinde in der Integralbuchse ein­ schraubbar ist. Die rückwärtige Stirnseite des Nabenvorsprungs 235 liegt an dem äußeren Konusring 230 an und verschiebt diesen beim Einschrauben des Verdichterrades in die Integralbuchse gegen den inneren Konusring 231, wodurch die Radialverspannung auf dem Wellenzapfen 211 erfolgt. Auch bei dieser Ausführungsform ist eine Montagelehre erforderlich, um die Integralbuchse axial genau auf dem Wellenzapfen zu positionieren und während des Verspannens der Konusringe gegeneinander zu fixieren.

Da das Gewinde in der metallischen Integralbuchse und am metallischen Nabenvorsprung des Verdichterrades angebracht ist, kann das Gewinde als hochbelastbares Befestigungsgewinde ausgebildet sein, um die zum Verspannen notwendige Axialkraft auf die Konusringe aufbringen zu können.

Die Erfindung kann auch in Analogie zum Verbinden von Verdichterrädern mit metallischen Wellen Verwendung finden; insbesondere dann, wenn die Kerbwir­ kungen im Wellenabsatz bei herkömmlichen Befestigungen gefährlich werden. Die Wellen können zur Reduzierung der Reibungsverluste dünn ausgeführt sein, so daß sie bei sehr kleinen Turboladern nur noch wenige Millimeter Durchmesser betragen und gegebenenfalls keinen Wellenabsatz benötigen.

Claims (6)

1. Laufzeug für einen Abgasturbolader mit einem einstückig mit einer Welle aus keramischem Werkstoff hergestellten Turbinenrad und einem metallischen Ver­ dichterrad, das mittelbar reibschlüssig auf einem Wellenzapfen am freien Ende der Keramikwelle über axial gegen das Verdichterrad verspannte Konusringe fixiert ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Konusringe (16, 24; 130, 24; 230, 231) benachbart zur und/oder zum Teil in der verdichterradseitigen Dichtungsbuchse (16) angeordnet sind;
und daß die Konusringe (16, 24; 130, 24; 230, 231) mit kegeligen Mantelflächen koaxial übereinander liegen.

2. Laufzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der äußere Konusring eine zwischen einem der Distanzbuchse (14) zugeord­ neten Ölabweisring (15) und dem Verdichterrad (25) liegende Dichtungsbuchse (16) mit kegeliger Innenbohrung ist;
daß der innere Konusring (24) der Bund einer über den Wellenzapfen geschobenen Spannhülse (20) ist, auf welche das Verdichterrad (25) aufgesteckt ist;
und daß das Verdichterrad (25) gegen die Dichtungsbuchse (16) verspannt ist.

3. Laufzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verspannung des Verdichterrades (25) gegen die Dichtungsbuchse (16) mit Hilfe einer an dem Verdichterrad anliegenden Bundscheibe (32) und einer Spannmutter (33) erfolgt, welche auf einen am freien Ende der Spannhülse vorgesehenen Gewindezapfen (23) geschraubt ist.

4. Laufzeug nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Bund der Spannhülse (20) geschlitzt ist.

5. Laufzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Distanzbuchse (14), der Ölabweisring (15) und eine angrenzende Dich­ tungsbuchse (16) als Integralbuchse (112) ausgeführt sind;
daß der äußere Konusring (130) in eine koaxial sich etwa über die Länge der Dichtungsbuchse und des Ölabweisringes erstreckenden Aufnahmebohrung in der Integralbuchse eingesetzt ist;
und daß der innere Konusring (24) der Bund der über den Wellenzapfen geschobenen Spannhülse (120) ist, auf welche das Verdichterrad (125) aufgesteckt ist;
und daß das Verdichterrad gegen die Integralbuchse (112) verspannt ist.

6. Laufzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Distanzbuchse (14), der Ölabweisring (15) und eine angrenzende Dich­ tungsbuchse (16) als Integralbuchse (212) ausgeführt sind;
daß der äußere und der innere Konusring (230, 231) in eine koaxial sich etwa über die Länge der Dichtungsbuchse und des Ölabweisringes erstreckenden Aufnahmebohrung in der Integralbuchse eingesetzt sind;
daß die innere Mantelfläche der Aufnahmebohrung in der Integralbuchse (212) mit einem Gewinde versehen ist;
und daß das Verdichterrad (225) einen axial verlaufenden und mit einem Außengewinde versehenen Nabenvorsprung (235) hat, welcher in das Gewinde der Aufnahmebohrung zum Verspannen der Konusringe und zum Fixieren des Verdichterrades an der Integralbuchse einschraubbar ist.