EP1489263B1 - Wellen-/Nabenverbindung eines Turboladers - Google Patents

Description

Technisches Gebiet
• Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Wellen-/Nabenverbindungen.
• Sie betrifft die Verbindung einer Welle mit einem Wellenaufsatz mittels einem Gewinde gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Sie betrifft ferner einen Turbolader, dessen Turbinenwelle mit dem Verdichterrad entsprechend verbunden ist.
Stand der Technik
• Turbolader zur Leistungssteigerung von Hubkolbenmotoren umfassen eine durch Motorenabgase angetriebene Turbine und einen über eine drehmomentübertragende Welle mit der Turbine verbundenen Verdichter. Turbolader für kleinere Motorenleistungen weisen vorteilhaft einen Radialverdichter aus Aluminium ohne durchgehende Zentralbohrung auf, wie etwa aus DE 44 44 082 bekannt.
• Das Verdichterrad ist dabei aus Herstellungs- und Wartungsgründen lösbar mit der Turbinenwelle verbunden.
• Bei den bekannten Lösungen wird das Verdichterrad entweder direkt oder über eine Zwischenbüchse aus Stahl oder Bronze auf einen Wellenstummel mit einem konventionellen Gewinde aufgeschraubt. Mindestens ein zum Gewinde versetzter, zylindrischer oder konischer Zentriersitz sorgt für die Zentrierung des Verdichterrades bezüglich der Welle.
• Bei einer solchen Wellen-/ Verdichterradverbindung wird das Verdichterrad gegen einen axialen Anschlag an der Welle verspannt. Die Drehmomentübertragung erfolgt im Gewinde reibschlüssig über die in axialer Richtung aneinandergepressten tragenden Gewindeflanken. Bei herkömmlichen Gewinden stehen die tragenden Gewindeflanken in einem möglichst steilen Winkel zur Wellenachse, damit die Vorspannkraft im wesentlichen normal zur Oberfläche der tragenden Gewindeflanken wirken kann.
• Jüngste Leistungssteigerungen der Verdichter von Turbolader machen eine verbesserte Drehmomentübertragung von Welle auf Verdichterrad notwendig. Bei herkömmlichen Verbindungen bedeutet dies, dass die Vorspannkraft erhöht werden muss, um die tragenden Flanken der Gewinde in axialer Richtung stärker aneinander zu pressen. Dies führt jedoch zu einer reduzierten Fügestellendämpfung zwischen den miteinander verbundenen Teilen. Weiter einschränkend ist zudem die bei herkömmlichen Gewinden durch den Querschnittssprung von Gewindegang zu Gewindegang hervorgerufene Kerbwirkung.
• Aus anderen Anwendungsgebieten sind verschiedene Arten von Gewinden mit unterschiedlich steilen Gewindeflanken bekannt: GB 826 136 offenbart eine Gewindeanordnung in einem optischen Gerät. US 4,304,428 offenbart eine Gewindeverbindung, zur notfallmässigen Bergung von Bohrwerkzeug mittels der Gewindeverbindung. GB 241 211 offenbart eine allgemeine Schrauben-/ Mutterverbindung.
Kurze Darstellung der Erfindung
• Der Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, eine Verbindung der eingangs genannten art zu schaffen, welche eine verbesserte Drehmomentübertragung bei reduzierter axialen Vorspannung ermöglicht.
• Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
• Bei der erfindungsgemässen Verbindung einer Welle mit einem Wellenaufsatz mittels einem Gewinde, bei welcher entweder in den Wellenaufsatz oder in das Wellenende eine Bohrung mit einem Innengewinde eingelassen ist, und die Welle oder der Wellenaufsatz einen entsprechenden, in die Gewindebohrung einbringbaren Zapfen mit einem Aussengewinde aufweist, und an der Welle und am Wellenaufsatz jeweils ein Axialanschlag angeordnet ist, weisen das Innen- und das Aussengewinde zur Achse von Welle und Wellenaufsatz hin flache, drehmomentübertragende Flanken auf, welche durch gegenseitige Verdrehung von Welle und Wellenaufsatz, unter Zusammenwirkung der Axialanschläge mittels radialer Pressung reibschlüssig miteinander verbindbar sind.
• Die für die Drehmomentübertragung entscheidende radiale Pressung ist dank dem flachen Winkel zwischen den tragenden, mit ihren grossen Oberflächen reibschlüssig aufeinanderliegenden Flanken und der Achse entsprechend grösser als bei herkömmlichen Gewindeverbindungen. Dadurch kann die axiale Vorspannkraft zwischen den beiden zu verbindenden Teilen entsprechend reduziert werden.
• Zudem ermöglichen die flach ausgebildeten tragenden Flanken ein verbessertes Zentrieren von Wellenaufsatz und Welle.
• Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Im folgenden ist anhand der Figuren ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Verbindung schematisch dargestellt und näher erläutert. In allen Figuren sind gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:

Fig. 1

eine Ansicht auf eine Welle mit einem Wellenaufsatz mit einer erfindungsgemässen Verbindung,

Fig. 2

eine Ansicht auf einen entlang der Wellenachse geführten Schnitt durch die Verbindung nach Fig. 1,

Fig. 3

einen vergrössert dargestellten Ausschnitt III- III der Verbindung nach Fig. 2,

Fig. 4

eine Ansicht in Achsrichtung auf die Welle nach Fig. 1,

Fig. 5

eine Ansicht senkrecht zur Achse auf die Welle nach Fig. 1,

Fig. 6

eine Ansicht in Achsrichtung auf den Wellenaufsatz nach Fig. 1, und

Fig. 7

eine Ansicht auf einen entlang VII-VII geführten Schnitt durch den Wellenaufsatz nach Fig. 6,

Weg zur Ausführung der Erfindung
• Fig. 1 zeigt eine Welle 1 und einen erfindungsgemäss mit der Welle verbundenen Wellenaufsatz 2. Der Wellenaufsatz ist beispielhaft als ein in Form und Grösse etwa der Welle entsprechendes, zylindrisches Gegenstück abgebildet. In der Regel handelt es sich beim Wellenaufsatz um ein radförmiges Teil, wie etwa das Verdichterrad eines Turboladers.
• Die Welle weist im Bereich der Verbindungsstelle ein Aussengewinde auf. In der dargestellten Ausführungsform ist das Aussengewinde am Wellenende in Form eines Gewindezapfens 10 ausgebildet ist. In den Wellenaufsatz ist eine entsprechende Bohrung 20 eingelassen, welche mit einem Innengewinde ausgestattet ist.
• Zur axialen Positionierung des Wellenaufsatzes bezüglich der Welle weisen Welle und Wellenaufsatz einen Axialanschlag 11 und 21 auf. Die beiden Axialanschläge haben in der Regel mit hoher Präzision gefertigte zueinander parallele Oberflächen, womit sie wesentlich zum Rundlauf von Wellenaufsatz und Welle beitragen. Zwischen den Axialanschlägen können, weitere Teile angeordnet sein, beispielsweise wie in der Figur dargestellt eine Dicht- oder Dämpfungsscheibe 3.
• Fig. 2 zeigt eine Ansicht eines entlang der Wellenachse geführten Schnittes durch die erfindungsgemässe Verbindung. Die beiden Axialanschläge 11 und 21 werden beim Aufschrauben des Wellenaufsatzes auf die Welle zusammengepresst, wodurch der Wellenaufsatz gegen die Welle vorgespannt wird.
• Da es sich beim Wellenaufsatz in der Regel um ein grösseres, aus einem relativ weichen Material gefertigtes Teil handelt, kann im Bereich der Gewindeverbindung durch das Aufschieben einer harten Stahlbüchse 4 auf den Wellenaufsatz die Ausdehnung des Wellenaufsatzes durch den Gewindezapfen verhindert werden.
• Die spezielle, erfindungsgemässe Gestaltung des Gewindes ist in Fig. 3 vergrössert dargestellt. Das Gewinde weist tragende Flanken 15 und 25 sowie herstellungsbedingte, nicht belastete Flanken 16 und 26 auf. Die tragenden Flanken 15 und 25 umschliessen mit der Achse A der Welle und des Wellenaufsatzes einen sehr flachen Winkel α. Der Flankenwinkel α beträgt idealerweise 5° bis 15°. Je flacher dieser Winkel α, desto geringer ist die axiale Vorspannkraft, welche durch das Gewinde übertragen werden kann, um die beiden zu verbindenden Teile, die Welle und den Wellenaufsatz mit Hilfe der Axialanschläge gegeneinander zu verspannen.
• Dagegen ist die für die Drehmomentübertragung entscheidende radiale Pressung bei einem flachen Winkel zwischen den tragenden Flanken und der Achse entsprechend grösser. Die tragenden Flanken liegen mit ihren grossen Oberflächen reibschlüssig aufeinander auf.
• Zur weiteren Reduktion der Vorspannkraft wird das erfindungsgemässe Gewinde mehrgängig, vorzugsweise 3-gängig, ausgeführt. Dies ergibt bei gegebenem Flankenwinkel weniger tiefe Gewindefurchen und somit geringere Querschnittschwächungen. Zudem führt ein 3-gängiges Gewinde aufgrund der 3-fachzyklischen Symmetrie zu einer verbesserten Zentrierung des Wellenaufsatzes auf der Welle.
• Im Weiteren wird durch den grösseren Steigungswinkel der Windungen des mehrgängigen Gewindes der Aufdrehwinkel massiv reduziert.
• Die flach ausgebildeten tragenden Flanken bringen eine weiter Verbesserung in der Zentrierung des Wellenaufsatzes auf der Welle.
• Gegenüber herkömmlichen Gewinden weist das erfindungsgemässe Flachgewinde wesentlich grössere Ausrundungsradien 17 und 27 auf. Dadurch hat das erfindungsgemässe Gewinde praktisch keine Kerbwirkung und ist bezüglich dynamischen Drehmomentschwankungen wesentlich höher belastbar als ein herkömmliches Gewinde.
• Handelt es sich beim Gewinde, wie in den verschiedenen Figuren dargestellt, um ein konisches Gewinde verbessert sich gegenüber einer zylindrischen Ausführung die Krafteinleitung, während sich die Aufschraubwege verkürzen. Je steiler der Winkel β des Konus, desto kürzer sind die Aufschraubwege, da beim Aufschrauben bisweilen mehrere Gewindegänge übersprungen werden können.
• Figuren 4 bis 7 zeigen detaillierte Einzelansichten der Welle und des Wellenaufsatzes. Die Ansichten in Achsrichtung zeigen die dreigängigen Gewinde. Die drei Gewindegänge sind um je 120° versetzt angeordnet.
• Die Anordnung des Gewindezapfens und der Bohrung, beziehungsweise des Aussen- und des Innengewindes kann auch vertauscht werden, so dass am Wellenaufsatz ein Gewindezapfen angeordnet ist und die entsprechende Bohrung in das Wellenende eingelassen ist.
• Ferner braucht der Gewindezapfen nicht als Stummel ausgebildet zu sein. So kann etwa das Aussengewinde in einem Mittelbereich einer stangenförmigen Welle angeordnet sein, wobei für den Gewindefortsatz die Bohrung im Wellenaufsatz entsprechend tief, beziehungsweise durchgehend sein muss.
Bezugszeichenliste

A

Achse

α

Flankenwinkel

β

Konuswinkel des Gewindes

1

Welle, Turbinenwelle

10

Gewindezapfen

11

Wellenschulter

15

Tragende Flanke (Aussengewinde)

16

Nichttragende Flanke (Aussengewinde)

17

Ausrundung (Aussengewinde)

2

Wellenaufsatz, Verdichterrad

20

Gewindebohrung

21

Plananschlag

25

Tragende Flanke (Innengewinde)

26

Nichttragende Flanke (Innengewinde)

27

Ausrundung (Innengewinde)

3

Zwischenkörper, Dichtring

4

Stahlhülse

Claims (4)

1. Turbolader, umfassend ein Turbinenrad und ein über eine Welle (1) mit dem Turbinenrad verbundenes Verdichterrad (2), wobei
   die Welle (1) und das Verdichterrad (2) mittels eines Gewindes verbunden sind,
   entweder in das Verdichterrad (2) oder in ein mit dem Verdichterrad zu verbindendes Ende der Welle (1) eine Bohrung (20) mit einem Innengewinde eingelassen ist, und die Welle oder das Verdichterrad einen entsprechenden, in die Gewindebohrung einbringbaren Zapfen (10) mit einem Aussengewinde aufweist, und
   an der Welle (1) und am Verdichterrad (2) jeweils ein Axialanschlag (11, 21) angeordnet ist,
   dadurch gekennzeichnet, dass
   das Innen- und das Aussengewinde zur Achse von Welle und Verdichterrad (A) hin flache, drehmomentübertragende Flanken (15, 25) aufweisen, welche durch gegenseitige Verdrehung von Welle (1) und Verdichterrad (2), unter Zusammenwirkung der Axialanschläge mittels radialer Pressung reibschlüssig miteinander verbindbar sind.
2. Turbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewindezapfen (10) und die Gewindebohrung (20) zumindest teilweise konusförmig ausgebildet sind, und dass es sich beim Gewinde um ein konisches Gewinde handelt.
3. Turbolader nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewinde ein mehrgängiges, insbesondere ein dreigängiges, Gewinde ist.
4. Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die drehmomentübertragenden Flanken (15, 25) mit der Achse von Welle und Verdichterrad (A) einen Winkel zwischen 5° und 15° bilden.

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