EP2672123B1

EP2672123B1 - Zellenrad, insbesondere für einen Druckwellenlader

Info

Publication number: EP2672123B1
Application number: EP12171157.6A
Authority: EP
Inventors: Karl Merz
Original assignee: MEC LASERTEC AG
Current assignee: MEC LASERTEC AG
Priority date: 2012-06-07
Filing date: 2012-06-07
Publication date: 2017-08-16
Anticipated expiration: 2032-06-07
Also published as: JP6154664B2; ES2647277T3; EP2672123A1; US9562435B2; HUE034654T2; US20130330200A1; JP2013253596A

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zellenrad aus Metall, mit einer koaxial zu einer Rotationsachse liegenden Aussenhülse, einer koaxial zur Aussenhülse liegenden Innenhülse, mindestens einer zwischen Aussenhülse und Innenhülse koaxial zu diesen angeordneten Zwischenhülse, zwischen aufeinanderfolgenden Hülsen angeordneten, radial zur Rotationsachse ausgerichteten, mit benachbarten Hülsen gefügten Lamellen, mit die Aussenhülse übergreifenden und mit der Aussenhülse gefügten äusseren Dichthülsen mit einem Dichtprofil für eine Labyrinthdichtung, und mit einer in der Rotationsachse liegenden Antriebswelle.

STAND DER TECHNIK

Seit einigen Jahren zählt das Verfahren des Downsizing zu den Hauptthemen bei der Konstruktion von neuen, aufgeladenen Motoren. Mit Downsizing können der Kraftstoffverbrauch und damit die Abgasemissionen eines Fahrzeugs reduziert werden. In der heutigen Zeit werden diese Ziele immer wichtiger, da der hohe Energieverbrauch durch fossile Brennstoffe stark zur Luftverschmutzung beiträgt und immer härtere Gesetzgebungsmassnahmen die Automobilhersteller zum Handeln zwingen. Unter Downsizing versteht man die Substitution eines grossvolumigen Motors durch einen hubraumverkleinerten Motor. Dabei soll die Motorleistung durch Aufladung des Motors hoch gehalten werden. Ziel ist es, mit kleinvolumigen Motoren die gleichen Leistungswerte wie bei grossvolumigen Motoren zu erreichen wie mit leistungsgleichen Saugmotoren. Neue Erkenntnisse auf dem Gebiet des Downsizing haben gezeigt, dass insbesondere bei sehr kleinen Ottomotoren mit einem Hubraum von 2 Liter oder weniger mit einer Druckwellenaufladung die besten Ergebnisse erzielt werden können.
Bei einem Druckwellenlader ist der Rotor als Zellenrad ausgebildet und wird von einem Luft- und Abgasgehäuse mit einem gemeinsamen Mantel umschlossen. Die Entwicklung moderner Druckwellenlader zur Aufladung kleiner Motoren führt zu Zellenrädern mit einem Durchmesser in der Grössenordnung von 100 mm oder weniger. Zur Erzielung eines maximalen Zellenvolumens und auch zur Gewichtsreduktion werden Zellenwanddicken von 0,4 mm oder weniger angestrebt. Bei den hohen Abgaseintrittstemperaturen von gegen ca. 1000 °C kommen als Werkstoffe für das Zellenrad praktisch nur hochwarmfeste Legierungen in Frage. Die Herstellung dimensionsstabiler und hochpräziser Zellenräder mit geringer Zellenwanddicke ist heute noch kaum möglich oder aber mit erheblichen Mehrkosten verbunden.
Es ist schon vorgeschlagen worden, die Kammern eines Zellenrades aus aneinander gereihten und sich teilweise überlappenden, Z-förmigen Profilen zu bilden. Die Herstellung eines derartigen Zellenrades ist jedoch mit hohem zeitlichem Aufwand verbunden. Hinzu kommt, dass das Aneinanderreihen und positionsgenaue Fixieren von Z-Profilen kaum mit einer zur Einhaltung der geforderten Toleranzen ausreichenden Präzision durchführbar ist.
Es ist auch schon vorgeschlagen worden, ein Zellenrad aus einem Vollkörper durch Erodieren der einzelnen Zellen herzustellen. Mit diesem Verfahren ist es jedoch nur schwer möglich, Zellenwanddicken von weniger als 0,5 mm zu erreichen. Ein weiterer wesentlicher Nachteil des Erodierverfahrens sind die damit verbundenen, hohen Material- und Bearbeitungskosten.
Ein Zellenrad der eingangs genannten Art ist in WO 2010/057319 A1 offenbart. Bei Laufversuchen unter Betriebsbedingungen hat sich herausgestellt, dass die im Inneren des Zellenrades im Bereich der Stirnflächen des Zellenrades in rascher Folge auftretenden Temperaturwechsel mit Temperaturunterschieden von 200 bis 300°C zu periodisch stark schwankenden Wärmeausdehnungen und -kontraktionen der Lamellen in radialer Richtung führen. Dadurch sind die zwischen aufeinanderfolgenden Hülsen angeordneten und mit den Hülsen gefügten Lamellen hohen Lastwechseln mit einer Schwingungsfrequenz in der Grössenordnung der doppelten Drehzahl des Zellenrades ausgesetzt, die bei andauernder thermischer Belastung zu einer Rissbildung in der Nähe der Fügestellen zwischen Lamellen und Hülsen an den Stirnflächen des Zellenrades und in der Folge zum Ausbrechen von Lamellenteilen und zum Ausfall des Zellenrades führen können.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Zellenrad der eingangs genannten Art unter Vermeidung einer Rissbildung im Fügebereich zwischen Lamellen und Hülsen einfach und kostengünstig mit der geforderten Präzision herzustellen. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines für den Einsatz in einem Druckwellenlader zur Aufladung von Verbrennungsmotoren, insbesondere zur Aufladung kleiner Ottomotoren mit einem Hubraum in der Grössenordnung von 2 Liter oder weniger, geeigneten Zellenrades. Insbesondere sollen unter Betriebsbedingungen mechanisch stabile Zellenräder mit einer Zellenwanddicke von 0,5 mm oder weniger ohne Neigung zu Rissbildung im Fügebereich zwischen Lamellen und Hülsen herstellbar sein.
Zur erfindungsgemässen Lösung der Aufgabe führt, dass wenigstens die Aussenhülse, die Innenhülse und/oder die Zwischenhülse bzw. bei mehr als einer Zwischenhülse wenigstens eine der Zwischenhülsen von beiden Stirnflächen des Zellenrades ausgehende Einschnitte zwischen benachbarten Lamellen aufweist. Die Einschnitte sind bevorzugt rotationssymmetrisch.
Zur erfindungsgemässen Lösung der Aufgabe führt auch, dass ausschliesslich die mindestens eine Zwischenhülse von den beiden Stirnflächen des Zellenrades ausgehende Einschnitte aufweist. Folglich sind hier die Aussenhülse und die Innenhülse ohne Einschnitte ausgebildet. Vorzugsweise ist dabei links und rechts von einer Lamelle jeweils ein Einschnitt vorhanden bzw. es ist vorzugsweise immer ein Einschnitt zwischen zwei benachbarten Lamellen vorhanden. Die in der Zwischenhülse angeordneten Einschnitte stellen dabei für die entsprechende Lamelle einen Randstreifen bereit, welcher bezüglich der Zwischenhülse und anderen Randstreifen elastisch bewegbar ausgebildet ist und die durch Temperaturschwankungen herrührende Deformation der Lamellen durch eine Bewegung des Randstreifens in im Wesentlichen radialer Richtung vorteilhaft kompensiert. Dadurch werden die Wechselbiegespannungen in der Lamelle in einem grossen Mass reduziert. Die Randstreifen können auch als Laschen bezeichnet werden.
Bevorzugterweise bilden zwei benachbarte Einschnitte einen der entsprechenden Hülse zugehörigen Randstreifen, wobei einem einzigen Randstreifen jeweils eine einzige Lamelle zugeordnet ist. Ein solcher Randstreifen ist dabei zur entsprechenden Hülse und zu benachbarten Randstreifen elastisch bewegbar.
Die Einschnitte sind im Wesentlichen über den Umfang der betreffenden Hülse vorzugsweise gleichmässig verteilt angeordnet. Eine andere Verteilung in Abhängigkeit mit der Anordnung der Lamellen ist auch denkbar.
Bevorzugt sind zwischen allen benachbarten Lamellen Einschnitte vorhanden. Es ist jedoch auch möglich, weniger Einschnitte über den Hülsenumfang vorzusehen. Beispielsweise kann nach jeder zweiten oder dritten Lamelle ein Einschnitt vorgesehen sein.
Durch die zwischen Fügestellen benachbarter Lamellen mit der Aussen-, Innen und/oder Zwischenhülse angeordneten Einschnitte ist die betreffende Hülse im Randbereich des Zellenrades also in Randstreifen aufgeteilt, so dass benachbarte Randstreifen in radialer Richtung gegeneinander verschiebbar sind. Dadurch können sich die Lamellen zusammen mit den mit den Lamellen gefügten Randstreifen aus ihrer ursprünglichen Lage in der Hülse in radialer Richtung ausdehnen und kontraktieren, so dass die in rascher Folge auftretenden Wärmedehnungen und -kontraktionen der Lamellen in radialer Richtung zu einem geringeren Spannungsaufbau und -abbau durch schnelle Lastwechsel in den Lamellen im Bereich ihrer Fügestellen mit den Aussen-, Innen und/oder Zwischenhülsen führen und mit dieser Massnahme Materialbeschädigungen vermieden werden können.
Zur Vermeidung von Spannungsspitzen an den Enden der Einschnitte und einer damit verbundenen Bildung und weiteren Ausbreitung eines Risses kann an den Enden der Einschnitte eine Ausnehmung als sogenannter Rissstopper vorgesehen sein. Die Ausnehmung kann in der Draufsicht senkrecht zur Mittelachse einen runden oder einen elliptischen Querschnitt aufweisen. Die Ausdehnung der Ausnehmung liegt vorzugsweise im Bereich 1 bis 2 mm.
Bei einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemässen Zellenrades sitzt die Innenhülse auf einer koaxial zu dieser angeordneten, mit der Antriebswelle gefügten Flanschhülse und die Aussenhülse weist von beiden Stirnflächen des Zellenrades ausgehende Einschnitte zwischen benachbarten Lamellen auf. Eine von den Stirnflächen des Zellenrades entfernt liegende Randkante der äusseren Dichthülsen überragt die Einschnitte um ein Mass und die äusseren Dichthülsen sind nur in dem die Einschnitte überragenden Bereich mit der Aussenhülse gefügt.
Bevorzugt weist das Dichtprofil der äusseren Dichthülsen eine mit den Stirnflächen des Zellenrades fluchtende Dichtfläche auf und die äusseren Dichthülsen bilden mit der Aussenhülse einen an den Stirnflächen des Zellenrades offenen Ringspalt.
Bevorzugt weist bei dieser ersten Ausführungsform auch die Innenhülse von beiden Stirnflächen des Zellenrades ausgehende Einschnitte zwischen benachbarten Lamellen auf. Die Innenhülse ist hierbei mit der Flanschhülse zwischen benachbarten Lamellen zwischen einander gegenüberliegenden Einschnitten gefügt.
Bei einer zweiten, bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Zellenrades ist die Innenhülse mit der Antriebswelle gefügt und die Zwischenhülse bzw. bei zwei oder mehr Zwischenhülsen wenigstens eine der Zwischenhülsen weist von beiden Stirnflächen des Zellenrades ausgehende Einschnitte zwischen benachbarten Lamellen auf.
Bevorzugt weist bei dieser zweiten Ausführungsform das Dichtprofil der äusseren Dichthülsen eine mit den Stirnflächen des Zellenrades fluchtende Dichtfläche auf und in der Innenhülse sind mit der Innenhülse gefügte innere Dichthülsen mit einem Dichtprofil mit einer mit den Stirnflächen des Zellenrades fluchtenden Dichtfläche für eine Labyrinthdichtung angeordnet.
Bevorzugt sind auch bei der zweiten Ausführungsform die Dichthülsen nur im Bereich des von den Stirnflächen des Zellenrades entfernt liegenden Endes mit der Aussen- bzw. Innenhülse gefügt und bilden mit den Aussen- bzw. Innenhülsen einen an den Stirnflächen des Zellenrades offenen Ringspalt.
Die Dichtfläche des Dichtprofils und der an die Dichtfläche angrenzende Ringspalt zwischen Dichthülse und Aussen- bzw. Innenhülse sind für die Dichtigkeit einer Labyrinthdichtung zwischen den Stirnflächen des Zellenrades und den in einem Druckwellenlader den Stirnflächen des Zellenrades gegenüberstehenden Steuerflächen der Gas- und Luftgehäuse bestimmend. Die periodisch auf die Stirnflächen des Zellenrades einwirkenden Druckwellen führen auch zu hohen Gasdrücken in Bereich der Labyrinthdichtungen. Der an die Dichtfläche des Dichtprofils angrenzende Ringspalt verhindert mit einen geringen lokalen Druckabbau beim Einströmen des Gases in den Ringspalt ein Entweichen von Gas durch den zwischen der Dichtfläche und der dieser gegenüberstehenden Steuerfläche gebildeten Spalt und damit einen die Leistung des Druckwellenladers vermindernden Druckverlust.
Zur Stabilisierung des Ringspaltes können von der zur Aussen- bzw. Innenhülse weisenden Seite der Dichthülsen im Bereich der Stirnflächen des Zellenrades über den Umfang der Dichthülsen verteilt angeordnete Abstandselemente abragen. Alternativ können die Abstandselemente auf der zur Dichthülse weisenden Seite der Aussen- bzw. Innenhülse über den Umfang der Aussen- bzw. Innenhülse verteilt angeordnet sein.
Die vorstehend beschriebene Ausführung der mit den Aussen- bzw. Innenhülsen einen an den Stirnflächen des Zellenrades offenen Ringspalt bildenden Dichthülsen führt aufgrund ihrer reduzierten Masse auch zu kleineren Zentrifugalkräften und damit zu einer höheren Formstabilität des Zellenrades mit entsprechend verbesserter Dichtung.
Die Länge der Einschnitte in der Aussenhülse, der Innenhülse oder der Zwischenhülse bzw. bei mehr als einer Zwischenhülse in wenigstens eine der Zwischenhülsen liegt im Bereich von etwa 10% bis 30% der Länge des Zellenrades, d.h. des Abstandes zwischen den beiden Stirnflächen des Zellenrades.
Bevorzugt sind die Aussenhülse, die Innenhülse die Zwischenhülse/n, die Lamellen und die Dichthülsen aus Metallblech mit einer Dicke von weniger als 0,5 mm gefertigt.
Bei einer besonders bevorzugten zweiten Ausführungsform des erfindungsgemässen Zellenrades weist die Antriebswelle zwei koaxial zur Antriebswelle angeordnete und voneinander beabstandete Ringstege mit einer Umfangfläche als Auflageflächen für die Innenhülse auf und wenigstens einer der Ringstege ist mit der Innenhülse gefügt.
Zweckmässigerweise ist das von den Stirnflächen des Zellenrades entfernt liegende Ende der inneren Dichthülsen mit einem der Ringstege gefügt.
Als Hitzeschutz kann die innere Dichthülse auf der Heissgasseite, d.h. auf der Seite des Abgasgehäuses, an der Stirnfläche des Zellenrades mit einem Deckel gefügt sein. Alternativ oder zusätzlich kann der der Heissgasseite nahe Ringsteg mit einem Deckel gefügt sein.
Mit diesen Massnahmen kann die Antriebsachse unter Betriebsbedingungen eines Druckwellenladers auf einer verhältnismässig tiefen Temperatur gehalten werden, so dass das axiale Spiel des zwischen Gas- und Luftgehäuse eingeschlossenen Zellenrades zur Einhaltung eines minimales Spiels von etwa 0,03 bis 0,05 mm über den gesamten Drehzahlbereich im kalten Betriebszustand kleiner eingestellt werden kann.
Zur Gewichtsreduktion ist die Antriebswelle als Hohlwelle mit einem rohrförmigen Endteil, einem konischen Zwischenteil und einem rohrförmigen Wellenteil mit einer Aufnahme für ein mit einem motorischen Antrieb zu verbindenden Kupplungsstück ausgestaltet.
Zur weiteren Gewichtsreduktion weist das rohrförmige Endteil und das konische Zwischenteil zweckmässigerweise symmetrisch über den Umfang angeordnete Öffnungen auf, welche auch eine Luftzirkulation entsprechender Kühlwirkung ermöglichen.
Das Kupplungsstück weist bevorzugt eine Kupplungsachse mit Längsrippen auf, welche beim Einschieben des Kupplungsstücks in die Aufnahme des rohrförmigen Wellenteils in Längsnuten in der Aufnahme eingreifen.
Das erfindungsgemässe Zellenrad wird bevorzugt in einem Druckwellenlader zur Aufladung von Verbrennungsmotoren, insbesondere von Ottomotoren mit einem Hubraum von bevorzugt 2 Litern oder weniger, verwendet.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung, die lediglich zur Erläuterung dient und nicht einschränkend auszulegen ist. Die Zeichnung zeigt schematisch in

Fig. 1: eine Sicht auf eine Stirnfläche des in Fig. 4 dargestellten Zellenrades für einen Druckwellenlader;
Fig. 2: einen Längsschnitt durch das auf eine Flanschhülse einer Antriebswelle aufgesetzte Zellenrad von Fig. 4 nach der Linie I-I in Fig. 1;
Fig. 3: einen Längsschnitt durch das auf eine Flanschhülse einer Antriebswelle aufgesetzte Zellenrad von Fig. 4 nach der Linie II-II in Fig. 1;
Fig. 4: eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines Zellenrades für einen Druckwellenlader;
Fig. 5: einen Teilbereich III des Zellenrades von Fig. 4 in vergrösserter Darstellung;
Fig. 6: einen Teilbereich IV des Längsschnittes des Zellenrades von Fig. 3 in vergrösserter Darstellung;
Fig. 7: eine perspektivische Ansicht einer Lamelle des Zellenrades von Fig. 4;
Fig. 8: einen Teilbereich V der Lamelle von Fig. 7 in vergrösserter Darstellung;
Fig. 9: eine Sicht auf eine Stirnfläche des in Fig. 15 dargestellten Zellenrades für einen Druckwellenlader;
Fig. 10: einen Längsschnitt durch das auf eine Antriebswelle aufgesetzte Zellenrad von Fig. 15 nach der Linie VI-VI in Fig. 9;
Fig. 11: einen Querschnitt durch die Antriebswelle nach der Linie VII-VII in Fig. 10;
Fig. 12: einen ersten Teilbereich VIII des Längsschnittes des Zellenrades von Fig. 10 in vergrösserter Darstellung;
Fig. 13: einen zweiten Teilbereich IX des Längsschnittes des Zellenrades von Fig. 10 in vergrösserter Darstellung;
Fig. 14: einen dritten Teilbereich X des Längsschnittes des Zellenrades von Fig. 10 in vergrösserter Darstellung;
Fig. 15: eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines Zellenrades für einen Druckwellenlader;
Fig. 16: einen Teilbereich des Zellenrades von Fig. 15 in vergrösserter Darstellung;
Fig. 17: einen vergrösserten Ausschnitt der Sicht von Fig. 9 auf die Stirnfläche des in Fig. 15 dargestellten Zellenrades für einen Druckwellenlader;
Fig. 18: einen vergrösserten Ausschnitt aus Fig. 17 in einem ersten Betriebszustand des Zellenrades;
Fig. 19: einen vergrösserten Ausschnitt aus Fig. 17 in einem zweiten Betriebszustand des Zellenrades;
Fig. 20: eine perspektivische Ansicht einer äusseren Dichthülse des Zellenrades von Fig. 15;
Fig. 21: einen Axialschnitt durch die äussere Dichthülse von Fig. 20;
Fig. 22: einen Ausschnitt aus der Sicht auf die Stirnfläche der äussere Dichthülse von Fig. 20;
Fig. 23: eine perspektivische Ansicht einer ersten (heissgasseitigen) inneren Dichthülse des Zellenrades von Fig. 15;
Fig. 24: einen Axialschnitt durch die heissgasseitige innere Dichthülse von Fig. 23;
Fig. 25: eine Sicht auf die Stirnfläche der heissgasseitigen inneren Dichthülse von Fig. 24;
Fig. 26: eine perspektivische Ansicht einer zweiten (kaltgasseitigen) inneren Dichthülse des Zellenrades von Fig. 15;
Fig. 27: einen Axialschnitt durch die kaltgasseitige innere Dichthülse von Fig. 26;
Fig. 28: eine Sicht auf die Stirnfläche der kaltgasseitigen inneren Dichthülse von Fig. 27.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Ein in den Fig. 1 und 4 gezeigtes Zellenrad 10 eines in der Zeichnung nicht dargestellten Druckwellenladers besteht aus einer konzentrisch zu einer Rotationsachse y des Zellenrades 10 liegenden Aussenhülse 12, einer konzentrisch zur Aussenhülse 12 liegenden Innenhülse 14 und einer zwischen der Aussenhülse 12 und der Innenhülse 14 konzentrisch zu diesen angeordneten Zwischenhülse 18. Der äussere ringförmige Raum zwischen der Zwischenhülse 18 und der Aussenhülse 12 und der innere ringförmige Raum zwischen der Zwischenhülse 18 und der Innenhülse 14 sind durch radial zur Rotationsachse y angeordnete streifenförmige Lamellen 16 in eine Vielzahl äussere Zellen 20 und in eine Vielzahl innere Zellen 22 unterteilt. Das beispielhaft dargestellte Zellenrad 10 mit einem Durchmesser D und einer Länge L von beispielsweise je 100 mm weist weniger als 60 äussere Zellen 20 und weniger als 40 innere Zellen 22 auf. Die Aussenhülse 12, die Zwischenhülse 18, die Innenhülse 14 und die Lamellen 16 weisen eine einheitliche Wanddicke von z. B. 0,4 mm auf und bestehen aus einem hochwarmfesten metallischen Werkstoff, z. B. Inconel 2.4856. Die genannten Teile weisen in Richtung der Rotationsachse y eine gleiche Länge L entsprechend der Länge des Zellenrades 10 auf und erstrecken sich zwischen zwei senkrecht zur Rotationsachse y stehenden Stirnflächen 11 des Zellenrades 10. Im Bereich der beiden Stirnflächen 11 sind auf der Aussenhülse 12 umlaufende äussere Dichthülsen 24 mit einem mit der Stirnfläche 11 des Zellenrades 10 fluchtenden Dichtfläche 32 eines Dichtprofils 30 einer Labyrinthdichtung angeordnet. Die für die Labyrinthdichtung erforderlichen Gegenflächen zu den Dichtflächen 32 bilden die in einem Druckwellenlader den Stirnflächen 11 des Zellenrades 10 gegenüberstehenden Steuerflächen der Abgas- und Luftgehäuse.
Das in den Fig. 1 und 4 dargestellte Zellenrad 10 ist gemäss den Fig. 2 und 3 mittels einer Flanschhülse 15 mit einer Antriebswelle 13 verbunden. Die Flanschhülse 15 ist konzentrisch zur Antriebswelle 13 ausgerichtet und mit dieser verschweisst. Die Drehachse der Antriebswelle 13 entspricht dabei der Rotationsachse y des auf die Flanschhülse 15 aufgesetzten Zellenrades 10.
Wie in den Fig. 4 und 5 gezeigt, sind in der Aussenhülse 12 zwischen Fügestellen 17 benachbarter Lamellen 16 mit der Aussenhülse 12 Einschnitte 26 angeordnet. Diese Einschnitte 26 verlaufen parallel zu den Lamellen 16 und erstrecken sich ausgehend von jeder Stirnfläche 11 des Zellenrades 10 über eine Länge e von z. B. 15 mm. Die Einschnitte 26 enden in einer kreisförmigen Ausnehmung 28 mit einem Durchmesser f von z. B. 2 mm. Zusätzlich könnte auch die mindestens eine Zwischenhülse 16 mit entsprechenden Einschnitten versehen sein.
Die Anordnung der äusseren Dichthülsen 24 ist aus den Fig. 4 und 6 ersichtlich. Die äussere Dichthülse 24 weist eine Länge g von z. B. 20 mm auf. An der Stirnfläche 11 des Zellenrades 10 geht die äussere Dichthülse 24 in einen senkrecht zur Rotationsachse y nach aussen abragenden, das Dichtprofil 30 bildenden Ringflansch mit der mit der Stirnfläche 11 des Zellenrades 10 fluchtenden Dichtfläche 32 mit einer Breite h von z. B. 1,5 mm über. Die äussere Dichthülse 24 sitzt im Wesentlichen formschlüssig auf der Aussenhülse 12 und überragt mit einer freien Randkante 25 die kreisförmigen Ausnehmungen 28 an den Enden der Einschnitte 26 um ein Mass m von z.B. 5 mm und ist über zwei umlaufende Schweissnähte 34, 36 mit der Aussenhülse 12 gefügt.
Wie in den Fig. 4 und 5 gezeigt, sind auch in der Innenhülse 14 zwischen Fügestellen 17 benachbarter Lamellen 16 mit der Innenhülse 14 Einschnitte 26 angeordnet. Diese Einschnitte 26 verlaufen parallel zu den Lamellen 16 und erstrecken sich ausgehend von jeder Stirnfläche 11 des Zellenrades 10 über eine Länge e von z. B. 15 mm. Die Einschnitte 26 enden in einer kreisförmigen Ausnehmung 28 mit einem Durchmesser f von z. B. 2 mm.
Auch können in dieser Ausführungsform optionale Einschnitte 26 in der mindestens einen Zwischenhülse angeordnet sein.
Die Lamellen 16 sind normalerweise rechteckförmige Streifen mit einer konstanten Dicke. Da die höchste mechanische Spannungen und damit eine erhöhte Rissbildungsneigung in der Nähe der Fügezone auftritt, können die Lamellen im Bereich ihrer Längskanten eine Materialverdickung 19 aufweisen (Fig. 7 und 8). Die durch die beiden parallelen Längskanten begrenzte Fläche der Lamellen 16 kann eben oder -- in Blickrichtung der Längsachse der Lamellen 16 gesehen -- zur Erhöhung ihrer Formstabilität nach einer oder beiden Seiten gewölbt oder mit einer Sicke versehen sein.
Zur Herstellung des Zellenrades 10 wird die Innenhülse 14, deren Innendurchmesser und Länge auf den Aussendurchmesser und die Länge der Flanschhülse 15 abgestimmt ist, mit den vorgängig mit der Innenhülse 14 mit einer Längskante positionsgenau gefügten und mit der freien Längskante radial nach aussen abragenden Lamellen 16 von beiden Stirnflächen 11 her mit den Einschnitten 26 und an deren Enden mit den kreisförmigen Ausnehmungen 28 versehen. Anschliessend wird die derart bearbeitete Innenhülse 14 mit den radial nach aussen abragenden Lamellen 16 in Achsrichtung y koaxial auf die Flanschhülse 15 aufgesetzt und mit dieser mittels eines NC-gesteuerten Laserstrahls zwischen den Lamellen 16 im Bereich zwischen den einander gegenüberliegenden Ausnehmungen 28 verschweisst. Die Schweissnaht kann von Ausnehmung zu Ausnehmung durchgehend sein oder sich nur über je eine Länge von 3 bis 5 mm nach jeder Ausnehmung 28 erstrecken. Zur Erzielung einer optimalen Dichtigkeit kann auch in einem kurzen Abstand von z. B. 2 bis 3 mm zur Ausnehmung 28 eine quer zu den benachbarten Lamellen 16 verlaufende Querschweissnaht gesetzt werden. Hierbei kann die Querschweissnaht an ihren Enden durch parallel zu den Lamellen 16 verlaufende Längsschweissnähte von z. B. 3 bis 5 mm zu einer U-förmigen Schweissnaht ergänzt werden.
In einem nächsten Schritt wird die Zwischenhülse 18, deren Innendurchmesser und Länge auf den von den freien Längskanten der von der Innenhülse 14 radial nach aussen abragenden Lamellen 16 gebildeten Aussendurchmesser und die Länge der Innenhülse 14 abgestimmt ist, mit den vorgängig mit der Zwischenhülse 18 mit einer Längskante positionsgenau gefügten und mit der freien Längskante radial nach aussen abragenden Lamellen 16 in Achsrichtung y koaxial und positionsgenau auf die freien Längskanten der von der Innenhülse 14 radial nach aussen abragenden Lamellen 16 gesetzt. Anschliessend wird die Zwischenhülse 18 mittels eines Laserstrahls mittels einer Blindnaht mit den freien Endkanten der darunterliegenden Lamellen 16 der Innenhülse 14 unter Bildung der inneren Zellen 22 verschweisst.
In einem weiteren Schritt wird die Aussenhülse 12, deren Innendurchmesser und Länge auf den von den freien Längskanten der von der Zwischenhülse 18 radial nach aussen abragenden Lamellen 16 gebildeten Aussendurchmesser und die Länge der Zwischenhülse 18 abgestimmt ist, in Achsrichtung y koaxial auf die freien Längskanten der von der Innenhülse 14 radial nach aussen abragenden Lamellen 16 gesetzt. Anschliessend wird die Aussenhülse 12 mittels einer Blindnaht mit den freien Endkanten der darunterliegenden Lamellen 16 der Zwischenhülse 18 unter Bildung der äusseren Zellen 20 verschweisst.
Nun wird die Aussenhülse 12 von beiden Stirnflächen 11 her mit den Einschnitten 26 und an deren Enden mit den kreisförmigen Ausnehmungen 28 versehen.
Sodann werden die äusseren Dichthülsen 24 auf die Aussenhülse 12 aufgesetzt und mit dieser verbunden. Hierzu wird die äussere Dichthülse 24, deren Innendurchmesser auf den Aussendurchmesser der Aussenhülse 12 abgestimmt ist, in Achsrichtung y koaxial auf die Aussenhülse 12 gesetzt und der die kreisförmigen Ausnehmungen 28 an den Enden der Einschnitte 26 überragende freie Rand der äusseren Dichthülse 24 wird mittels zwei umlaufenden Schweissnähten 34, 36 mit der Aussenhülse 12 gefügt.
Die vorstehend beschriebenen Fügestellen sind bevorzugt als mittels eines Laser- oder Elektronenstrahls, insbesondere mit einem Laserstrahl, erzeugte Schweissnähte ausgeführt. Die Fügestellen können jedoch auch gelötet sein. Das Schneiden der Einschnitte 26 und der Ausnehmungen 28 erfolgt ebenfalls bevorzugt mittels eines Laser- oder Elektronenstrahls, insbesondere mit einem Laserstrahl.
Ein in den Fig. 9 und 15 gezeigtes Zellenrad 10 eines in der Zeichnung nicht dargestellten Druckwellenladers besteht aus einer konzentrisch zu einer Rotationsachse y des Zellenrades 10 liegenden Aussenhülse 12, einer konzentrisch zur Aussenhülse 12 liegenden Innenhülse 14 und einer zwischen der Aussenhülse 12 und der Innenhülse 14 konzentrisch zu diesen angeordneten Zwischenhülse 18. Der äussere ringförmige Raum zwischen der Zwischenhülse 18 und der Aussenhülse 12 und der innere ringförmige Raum zwischen der Zwischenhülse 18 und der Innenhülse 14 sind durch radial zur Rotationsachse y angeordnete streifenförmige Lamellen 16 in eine Vielzahl äussere Zellen 20 und in eine Vielzahl innere Zellen 22 unterteilt. Das beispielhaft dargestellte Zellenrad 10 mit einem Durchmesser D und einer Länge L von beispielsweise je 100 mm weist 54 äussere Zellen 20 und 36 innere Zellen 22 auf. Die Aussenhülse 12, die Zwischenhülse 18, die Innenhülse 14 und die Lamellen 16 weisen eine einheitliche Wanddicke von z. B. 0,4 mm auf und bestehen aus einem hochwarmfesten metallischen Werkstoff, z. B. Inconel 2.4856. Die genannten Teile weisen in Richtung der Rotationsachse y eine gleiche Länge L entsprechend der Länge des Zellenrades 10 auf und erstrecken sich zwischen zwei senkrecht zur Rotationsachse y stehenden Stirnflächen 11 des Zellenrades 10. Im Bereich der beiden Stirnflächen 11 sind auf der Aussenhülse 12 umlaufende äussere Dichthülsen 24 mit einer mit der Stirnfläche 11 des Zellenrades 10 fluchtenden Dichtfläche 32 eines Dichtprofils 30 einer Labyrinthdichtung angeordnet. Die für die Labyrinthdichtung erforderlichen Gegenflächen zu den Dichtflächen 32 bilden die in einem Druckwellenlader den Stirnflächen 11 des Zellenrades 10 gegenüberstehenden Steuerflächen der Abgas- und Luftgehäuse.
Bei dem in den Fig. 9 und 15 dargestellten Zellenrad 10 ist die Innenhülse 14 gemäss Fig. 10 direkt mit einer Antriebswelle 13 verbunden. Die Antriebswelle 13 ist als Hohlwelle mit zwei in Abstand zueinander angeordneten, von einem rohrförmigen Endteil 46 radial abragenden Ringstegen 38, 40 ausgestaltet. Endflächen 42, 44 der Ringstege 38, 40 liegen der konzentrisch zur Antriebswelle 13 ausgerichteten Innenhülse 14 an, wobei nur der von der Antriebsseite weiter entfernte Ringsteg 38 mit der Innenhülse 14 z. B. mittels einer umlaufenden Laserschweissnaht gefügt ist. Die Drehachse der Antriebswelle 13 entspricht der Rotationsachse y der Innenhülse 14 bzw. des auf die Antriebswelle 13 aufgesetzten Zellenrades 10.
An das rohrförmige Endteil 46 der Antriebswelle 13 schliesst ein konisches Zwischenteil 48 an, welches in ein im Wesentlichen rohrförmiges Wellenteil 50 mit einer Aufnahme 52 für ein mit einem motorischen Antrieb zu verbindendes Kupplungsstück 54 übergeht. Das Kupplungsstück 54 weist eine Kupplungsachse 56 mit Längsrippen 58 auf, welche beim Einschieben des Kupplungsstücks 54 in die Aufnahme 52 des rohrförmigen Wellenteils 50 in entsprechende Längsnuten 60 in der Aufnahme 52 eingreifen (Fig. 11).
Wie aus Fig. 10 ersichtlich, sind im rohrförmigen Endteil 46 der Antriebswelle 13 zwischen den beiden Ringstegen 38, 40 symmetrisch über den Umfang angeordnete erste Öffnungen 62 vorgesehen. Im konischen Zwischenteil 48 sind ebenfalls symmetrisch über die konische Umfangsfläche angeordnete zweite Öffnungen 64 vorgesehen. Die Öffnungen 62, 64 dienen der Gewichtsreduktion und haben zudem eine Luftzirkulation mit entsprechender Kühlwirkung zur Folge.
Die Fig. 15 und 16 zeigen eine weitere Ausführungsform des Zellenrades 10. Das Zellenrad 10 kann beispielsweise auf der Antriebswelle 13 nach Figur 2 oder nach Figur 10 eingesetzt werden. Wie in den Fig. 15, 16 und 17 gezeigt, sind in der Zwischenhülse 18 zwischen Fügestellen 17 benachbarter Lamellen 16 mit der Zwischenhülse 18 Einschnitte 26 angeordnet. In diesen Figuren handelt es sich dabei um diejenige Ausführungsform, bei welche die Einschnitte 26 ausschliesslich in der Zwischenhülse 18 angeordnet sind und die Aussenhülse 12 und die Innenhülse 14 keine Einschnitte aufweisen. Die nachfolgende Beschreibung kann aber auch auf die oben beschriebene Ausführungsform mit den Einschnitten in Aussenhülse 12 und/oder Zwischenhülse 18 und/oder Innenhülse 14 angewandt werden.
Diese Einschnitte 26 in der Zwischenhülse 18 verlaufen parallel zu den Lamellen 16 und erstrecken sich ausgehend von jeder Stirnfläche 11 des Zellenrades 10 bzw. der Zwischenhülse 18 über eine Länge von z. B. 15 mm. Die Einschnitte 26 enden in einer kreisförmigen Ausnehmung 28 mit einem Durchmesser von z. B. 2 mm.
Die Funktion der Einschnitte 26 wird nachfolgend anhand der Fig. 18 und 19 und auch der Fig. 15 und 16 näher erläutert. Fig. 18 und 19 zeigen schematisch einen Ausschnitt in Richtung der Rotationsachse y gesehen. Fig. 19 repräsentiert dabei den Zustand der Figuren 15 und 16, in welchen die Lamellen 16 und auch Teile der Zwischenhülse 18 aufgrund der unten beschriebenen Temperaturwechsel deformiert sind.
Unter den in einem Druckwellenlader herrschenden Betriebsbedingungen ergeben sich sowohl auf der Heissgasseite als auch auf der Kaltgasseite in rascher Folge auftretende Temperaturwechsel, die im Inneren des Zellenrades 10 in einem Bereich von den Stirnflächen 11 ausgehend bis zu einer Tiefe von etwa 20 mm 200 bis 300°C betragen und in diesem Bereich zu periodisch stark schwankenden Wärmeausdehnungen und Wärmekontraktionen der Lamellen 16 in radialer Richtung führen. Diese Ausdehnungen bzw. Kontraktion stellen eine enorme Belastung für das Material dar und Versuche haben gezeigt, dass es im Bereich der Lamellen 16 zu Rissen kommt. Die Risse erstrecken sich entweder entlang der Fügestellen 17 oder aber in der Lamelle 16 selbst, wodurch es zu einem Bruch in der Lamelle 16 kommen kann.
Fig. 18 zeigt einen Betriebszustand, in welchem sich das Zellenrad 10 in axialer Richtung über seine ganze Länge auf einer im Wesentlichen konstanten Betriebstemperatur befindet. Unter diesen Bedingungen ergibt sich somit über die ganze Länge des Zellenrades 10 kein Unterschied in der Wärmeausdehnung der Lamellen 16 in radialer Richtung.
Fig. 15, 16 und 19 zeigen einen Betriebszustand, in welchem die Lamellen 16 in einem von einer Stirnfläche 11 des Zellenrades 10 bis in eine Tiefe von etwa 15 bis 20 mm erstreckenden Randbereich des Zellenrades 10 eine um 200 bis 300 °C höhere Temperatur aufweisen als in einem inneren Bereich des Zellenrades 10. Unter diesen Bedingungen führt die höhere Temperatur der Lamellen 16 im Randbereich im Vergleich zu den Lamellen im Inneren des Zellenrades 10 zu einer grösseren Wärmeausdehnung. Durch die zwischen Fügestellen 17 benachbarter Lamellen 16 mit der Zwischenhülse 18 angeordneten Einschnitte 26 ist die Zwischenhülse 18 im Randbereich des Zellenrades 10 in Randstreifen 18 a, 18 b aufgeteilt, so dass benachbarte Randstreifen 18 a, 18 b in radialer Richtung gegeneinander verschiebbar sind. Dadurch kann sich jede Lamelle 16 a, 16 b zusammen mit dem mit ihr gefügten Randstreifen 18 a, 18 b aus ihrer ursprünglichen Lage in der Zwischenhülse 18 in radialer Richtung ausdehnen, ohne dass sich durch temperaturbedingte, schnelle Lastwechsel in rascher Folge Zugspannungen in den Lamellen 16 selbst und im Bereich ihrer Fügestellen 17 mit den Aussen- und Innenhülsen 12, 14 auf- und abbauen und zu Materialbeschädigungen führen können. Der in den Fig. 15, 16 und 19 gezeigte Betriebszustand ergibt sich aus den schnellen periodischen Temperaturerhöhungen auf der Heissgasseite des Zellenrades 10. Durch die Anordnung der Einschnitte 26 wird somit eine Verformung der Lamellen 16 in radialer Richtung ermöglicht, was die Spannungen im Bereich der Lamellen 16 weitgehend verhindert.
Unter Bezugnahme zur Fig. 16 wird nun die Kompensation der temperaturbedingten Ausdehnung der Lamellen 16 nochmals erläutert. Der Lamelle 16a ist einem durch zwei links und rechts von der Lamelle 16a vorhandene Einschnitte 26 gebildeten Randstreifen 18a der Zwischenhülse 18 zugeordnet. Mit anderen Worten kann auch gesagt werden, dass durch die Einschnitte 26 ein vom Grundkörper der Zwischenhülse 18 abstehende Randstreifen 18 a gebildet wird. Die Lamelle 16a steht über die Fügestelle 17 fest mit dem Randstreifen 18a in Verbindung. Bei einem Anstieg der Temperatur verformt sich die Lamelle 16a in radialer Richtung im vorderen Bereich über den Randstreifen 18 a und diese Verformung kann durch eine Bewegung des Randstreifens 18 a in Richtung der Rotationsachse y kompensiert werden. In der Lamelle 16a selbst entsteht dabei keine Spannung oder eine stark verringerte Spannung.
Bezüglich der Lamelle 16b können die eben gemachten Ausführungen wiederholt werden, wobei die Verformung von der Rotationsachse y weg erfolgen. Die Lamelle 16b steht dabei mit einem Randstreifen 18 b in Verbindung, wobei sich bei einer Deformation der Lamelle 16b der entsprechende Randstreifen 18b verformt. Der Randstreifen 18 b wird durch zwei links und rechts von der Lamelle 16b sich in die Zwischenhülse 18 erstreckende Einschnitte 26 bereitgestellt.
Auf der Kaltgasseite ergibt sich durch die raschen Temperaturwechsel ein Betriebszustand, in welchem sich die Lamellen 16 im Randbereich des Zellenrades 10 im Vergleich zu den Lamellen im Inneren des Zellenrades 10 auf einer um 200 bis 300 °C niedrigere Temperatur befinden. Unter diesen Bedingungen führt die niedrigere Temperatur der Lamellen 16 im Randbereich des Zellenrades 10 im Vergleich zu den Lamellen im Inneren des Zellenrades 10 zu einer stärkeren Kontraktion in radialer Richtung. Jede Lamelle 16 a, 16 b kann so zusammen mit dem mit ihr gefügten Randstreifen 18 a, 18 b aus ihrer ursprünglichen Lage in der Zwischenhülse 18 in radialer Richtung kontrahieren, ohne dass sich durch temperaturbedingte, schnelle Lastwechsel in rascher Folge Druckspannungen in den Lamellen 16 im Bereich ihrer Fügestellen 17 mit den Aussen- und Innenhülsen 12, 14 auf- und abbauen und zu Materialbeschädigungen führen können.
Die Anordnung der äusseren Dichthülsen 24 ist aus den Fig. 12, 14 und 15 ersichtlich. Die zylindrischen äusseren Dichthülsen 24 weisen eine Breite von z. B. 20 mm auf. An beiden Stirnflächen 11 des Zellenrades 10 weisen die in den Fig. 20 bis 22 dargestellten äusseren Dichthülsen 24 ein radial nach aussen abragendes Dichtprofil 30 mit einer mit der Stirnfläche 11 des Zellenrades 10 fluchtenden Dichtfläche 32 mit einer Breite d3 von z. B. 1,5 mm für eine Labyrinthdichtung ab. Die äussere Dichthülse 24 sitzt in einem von der Stirnfläche 11 des Zellenrades 10 entfernten Bereich im Wesentlichen formschlüssig auf der Aussenhülse 12 und ist in diesem Bereich über eine umlaufende Schweissnaht 34 mit der Aussenhülse 12 gefügt. Von der Stirnfläche 11 des Zellenrades 10 bis zum Fügebereich mit der Aussenhülse 12 weist die äussere Dichthülse 24 mit einer Wanddicke d1 von z.B. 0,25 mm einen dickenreduzierten Bereich 23 mit einer Dicke d2 von z.B. 0,13 mm und damit einen radialen Abstand zur Aussenhülse 12 auf, so dass sich von den Stirnflächen 11 des Zellenrades 10 bis zum Fügebereich der äusseren Dichthülse 24 mit der Aussenhülse 12 zwischen Dichthülse 24 und Aussenhülse 12 ein an den Stirnflächen 11 des Zellenrades 10 offener Ringspalt 66 ergibt. Zur Stabilisierung der gegenseitigen Lage von Dichthülse 24 und Aussenhülse 12 weist die Dichthülse 24 unterhalb des Dichtprofils 30 radial nach innen abragende Nasen als Abstandshalter 68 mit einer Höhe d4 von z.B. 0,13 mm auf. Beispielsweise sind sechs Abstandshalter 68 gleichmässig über den Umfang des Dichtprofils 30 der Dichthülse 24 verteilt angeordnet.
Wie in den Fig. 10, 12, 13, 14 und 17 gezeigt, sind in der Innenhülse 14 eine in den Fig. 23 bis 25 dargestellte erste innere Dichthülse 70 und eine in den Fig. 26 bis 28 dargestellte zweite innere Dichthülse 72 eingesetzt. Die erste innere Dichthülse 70 ist auf der Heissgasseite, die zweite innere Dichthülse 72 auf der Kaltgasseite des Zellenrades 10 angeordnet.
An den Stirnflächen 11 des Zellenrades 10 weisen die innere Dichthülsen 70, 72 ein radial nach innen abragendes Dichtprofil 74 in Form eines Ringsteges mit einer mit der Stirnfläche 11 des Zellenrades fluchtenden Dichtfläche 75 mit einer Breite von z. B. 1,5 mm auf. In einem sich von den Stirnflächen 11 des Zellenrades 10 in die Innenhülse 14 erstreckenden Bereich von z. B. je 20 mm weisen die inneren Dichthülsen 70, 72 einen dickenreduzierten Bereich 73 und damit einen radialen Abstand zur Innenhülse 14 auf, so dass sich von den Stirnflächen 11 des Zellenrades 10 ausgehend zwischen innerer Dichthülse 70, 72 und Innenhülse 14 ein an den Stirnflächen 11 des Zellenrades 10 offener Ringspalt 66 ergibt. Im Anschluss an den Ringspalt 66 liegen die inneren Dichthülsen 70, 72 der Innenhülse 14 im Wesentlichen formschlüssig an, erstrecken sich bis zum jeweils näher liegenden Ringsteg 38, 40 am rohrförmigen Endteil 46 der Antriebswelle 13 und sind mit dem entsprechenden Ringsteg 38, 40 mittels einer umlaufenden Schweissnaht gefügt. Die Ringstege 38, 40 am rohrförmigen Endteil 46 der Antriebswelle 13 sind mit der Innenhülse 14 mittels einer umlaufende Schweissnaht gefügt. Das Dichtprofil 74 ist auf der von der Antriebsseite weiter entfernten Stirnfläche 11 des Zellenrades 10, d.h. auf der Heissgasseite, mit einem die Innenhülse 14 verschliessenden äusseren Deckel 78 verschweisst. Ebenso ist der von der Antriebsseite weiter entfernte Ringsteg 38 am rohrförmigen Endteil 46 der Antriebswelle 13 mit einem die Innenhülse 14 im Innern des Zellrades 10 verschliessenden inneren Deckel 80 verschweisst. Zur Stabilisierung der gegenseitigen Lage von innerer Dichthülse 70, 72 und Innenhülse 14 weisen die inneren Dichthülsen 70, 72 auf der Aussenseite über dem Dichtprofil 74 radial nach aussen abragende Nasen als Abstandshalter 68 zur Innenhülse 14 auf. Beispielsweise sind sechs Abstandshalter 68 gleichmässig über den Umfang der inneren Dichthülse 70, 72 verteilt angeordnet. Die vorstehend für die in den Fig. 20 bis 22 gezeigten äusseren Dichthülsen 24 angegebenen Werte für die Abmessungen d1, d2, d3 und d4 gelten auch für die in den Fig. 23 bis 28 gezeigten inneren Dichthülsen 70, 72.
Insbesondere aus den Fig. 12, 14 und 17 sowie den Fig. 20 bis 28 ist erkennbar, dass zur Erzeugung des an der Stirnfläche 11 des Zellenrades 10 offenen Ringspaltes 66 zwischen den Dichthülsen 24, 70, 72 und der Aussen- bzw. Innenhülse 12 der Innendurchmesser der Dichthülsen 24, 70, 72 bei gleichbleibendem Aussendurchmesser vergrössert ist. Dies kann mit einer Materialabdünnung durch eine Massivumformung erreicht werden, wobei das aus dem Ringspaltbereich verdrängte Material zur Bildung des Dichtprofils 30, 74 dient. Zur Vergrösserung der Ringspaltbreite zwischen den äusseren Dichthülsen 24 und der Aussenhülse 12 ist, wie aus den Fig. 12 und 14 erkennbar, zusätzlich der Aussendurchmesser der Aussenhülse 12 im Ringspaltbereich bei gleichbleibendem Innendurchmesser verringert. Hierbei beträgt die Wanddicke a1 der Aussenhülse 12 z.B. 0,25 mm und die Dicke a2 des dickenreduzierten Bereichs 23 z.B. 0,13 mm. In gleicher Weise kann die Ringspaltbreite zwischen inneren Dichthülsen 70, 72 und der Innenhülse 14 durch Verringerung des Innendurchmessers der Innenhülse 14 bei gleichbleibendem Aussendurchmesser vergrössert sein, wobei die vorstehen für die Aussenhülse 12 angegebenen Werte für a1 und a2 auch für die Innenhülse 14 gelten.
Zur Herstellung des Zellenrades 10 wird die Innenhülse 14 mit den mit einer Längskante positionsgenau gefügten und mit der freien Längskante radial nach aussen abragenden Lamellen 16 versehen. Anschliessend wird die Zwischenhülse 18, deren Innendurchmesser und Länge auf den von den freien Längskanten der von der Innenhülse 14 radial nach aussen abragenden Lamellen 16 gebildeten Aussendurchmesser und die Länge der Innenhülse 14 abgestimmt ist, mit den vorgängig mit der Zwischenhülse 18 mit einer Längskante positionsgenau gefügten und mit der freien Längskante radial nach aussen abragenden Lamellen 16 in Achsrichtung y koaxial und positionsgenau auf die freien Längskanten der von der Innenhülse 14 radial nach aussen abragenden Lamellen 16 gesetzt. Die Zwischenhülse 18 wird sodann mittels einer Blindnaht mit den freien Endkanten der darunterliegenden Lamellen 16 der Innenhülse 14 unter Bildung der inneren Zellen 22 verschweisst. Anschliessend wird die Zwischenhülse 18 von beiden Stirnflächen 11 her mit den Einschnitten 26 und an deren Enden mit den kreisförmigen Ausnehmungen 28 versehen.
In einem nächsten Schritt wird die Aussenhülse 12, deren Innendurchmesser und Länge auf den von den freien Längskanten der von der Zwischenhülse 18 radial nach aussen abragenden Lamellen 16 gebildeten Aussendurchmesser und die Länge der Zwischenhülse 18 abgestimmt ist, in Achsrichtung y koaxial auf die freien Längskanten der von der Zwischenhülse 14 radial nach aussen abragenden Lamellen 16 gesetzt. Sodann wird die Aussenhülse 12 mittels einer Blindnaht mit einem Laserstrahl mit den freien Endkanten der darunterliegenden Lamellen 16 der Zwischenhülse 18 unter Bildung der äusseren Zellen 20 verschweisst.
In einem weiteren Schritt werden die äusseren Dichthülsen 24, deren Innendurchmesser auf den Aussendurchmesser der Aussenhülse 12 abgestimmt ist, in Achsrichtung y koaxial auf die Aussenhülse 12 gesetzt und mit dieser gefügt. Ebenso werden die inneren Dichthülsen 70, 72, deren Aussendurchmesser auf den Innendurchmesser der Innenhülse 14 abgestimmt ist, in Achsrichtung y koaxial auf die Innenhülse 14 eingesetzt und mit dieser sowie mit den Ringstegen 38, 40 am rohrförmigen Endteil 46 der Antriebswelle 13 gefügt. Anschliessend werden der innere und der äussere Deckel 80, 78 eingesetzt und mit dem Ringsteg 38 am rohrförmigen Endteil 46 bzw. mit dem Ringsteg 74 an der heissgasseitigen Dichthülse 70 gefügt.

Die vorstehend beschriebenen Fügestellen sind bevorzugt als mittels eines Laser- oder Elektronenstrahls, insbesondere mit einem Laserstrahl, erzeugte Schweissnähte ausgeführt. Die Fügestellen können jedoch auch gelötet sein. Das Schneiden der Einschnitte 26 und der Ausnehmungen 28 erfolgt ebenfalls bevorzugt mittels eines Laser- oder Elektronenstrahls, insbesondere mit einem Laserstrahl, wobei eine minimale Schnittbreite von etwa 15 µm erzielt wird.

Bezugszeichenliste

10	Zellenrad	58	Längsrippen
11	Stirnflächen	60	Längsnuten
12	Aussenhülse	62	erste Öffnungen
13	Antriebswelle	64	zweite Öffnungen
14	Innenhülse	66	Ringspalt
15	Flanschhülse	68	Nasen /Abstandshalter
16	Lamellen	70	erste innere Dichthülse
17	Fügestellen 16/12, 16/14	72	zweite innere Dichthülse
18	Zwischenhülse	73	dickenreduzierter Bereich
19	Verdickung an 16	74	Dichtprofil
20	äussere Zellen	75	Dichtfläche von 74
22	innere Zellen	76	Ausnehmung
23	dickenreduzierter Bereich	77	Randkante von 70, 72
24	äussere Dichthülse	78	äusserer Deckel
25	Randkante von 24	80	innerer Deckel
26	Einschnitte in 12, 14, 18	y	Rotationsachse
28	Ausnehmung	a1	Dicke von 12, 14, 18
30	Dichtprofil	a2	Dicke von 23
32	Dichtfläche an 30	d1	Dicke von 24, 70, 72
34, 36	Fügestellen 24/12	d2	Dicke von 73
38, 40	Ringstege	d3	Dicke von 74
42, 44	Endflächen	d4	Dicke von 68
46	rohrförmiges Endteil	e	Länge von 26
48	konisches Zwischenteil	f	Durchmesser von 28
50	rohrförmiges Wellenteil	g	Breite von 24
52	Aufnahme	h	Breite von 32
54	Kupplungsstück	m	Übermass von 24
56	Kupplungsachse

Claims

Zellenrad aus Metall, mit einer koaxial zu einer Rotationsachse (y) liegenden Aussenhülse (12), einer koaxial zur Aussenhülse (12) liegenden Innenhülse (14), mindestens einer zwischen Aussenhülse (12) und Innenhülse (14) koaxial zu diesen angeordneten Zwischenhülse (18), zwischen aufeinanderfolgenden Hülsen (12, 18; 18, 14) angeordneten, im Wesentlichen radial zur Rotationsachse (y) ausgerichteten, mit benachbarten Hülsen (12, 18; 18, 14) gefügten Lamellen (16), mit die Aussenhülse (12) übergreifenden und mit der Aussenhülse (12) gefügten äusseren Dichthülsen (24) mit einem Dichtprofil (30) für eine Labyrinthdichtung, und mit einer in der Rotationsachse (y) liegenden Antriebswelle (13), dadurch gekennzeichnet,
dass wenigstens die Aussenhülse (12), die Innenhülse (14) oder die Zwischenhülse (18) bzw. wenigstens eine der Zwischenhülsen (18) von beiden Stirnflächen (11) des Zellenrades (10) ausgehende Einschnitte (26) zwischen benachbarten Lamellen (16) aufweist, oder

dass die Aussenhülse (12), die Innenhülse (14) und die Zwischenhülse (18) bzw. wenigstens eine der Zwischenhülsen (18) von beiden Stirnflächen (11) des Zellenrades (10) ausgehende Einschnitte (26) zwischen benachbarten Lamellen (16) aufweist, oder

dass ausschliesslich die Zwischenhülse (18) bzw. wenigstens eine der Zwischenhülsen (18) von den beiden Stirnflächen (11) des Zellenrades (10) ausgehende Einschnitte (26) aufweist.
Zellenrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschnitte (26) in Ausnehmungen (28) enden und/oder dass jeweils zwei benachbarte Einschnitte (26) einen der entsprechenden Hülse (12, 14, 18) zugehörigen Randstreifen (18 a, 18 b) bilden, wobei einem einzigen Randstreifen jeweils eine einzige Lamelle (16) zugeordnet ist und wobei die die Ausnehmungen (28) vorzugsweise eine Ausdehnung (f) von 1 bis 2 mm aufweisen.
Zellenrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenhülse (14) auf einer koaxial zu dieser angeordneten, mit der Antriebswelle (13) gefügten Flanschhülse (15) sitzt und die Aussenhülse (12) von beiden Stirnflächen (11) des Zellenrades (10) ausgehende Einschnitte (26) zwischen benachbarten Lamellen (16) aufweist, wobei eine von den Stirnflächen (11) des Zellenrades (10) entfernt liegende Randkante (25) der äusseren Dichthülsen (24) die Einschnitte (26) um ein Mass (m) überragt und die äusseren Dichthülsen (24) nur in dem die Einschnitte (26) überragenden Bereich mit der Aussenhülse (12) gefügt sind.
Zellenrad nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtprofil (30) der äusseren Dichthülsen (24) eine mit den Stirnflächen (11) des Zellenrades (10) fluchtende Dichtfläche (32) aufweist und die Dichthülsen (24) mit der Aussenhülse (12) einen an den Stirnflächen (11) des Zellenrades (10) offenen Ringspalt (66) bilden.
Zellenrad nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenhülse (14) von beiden Stirnflächen (11) des Zellenrades (10) ausgehende Einschnitte (26) zwischen benachbarten Lamellen (16) aufweist und die Innenhülse (14) mit der Flanschhülse (15) zwischen benachbarten Lamellen (16) zwischen einander gegenüberliegenden Einschnitten (26) gefügt ist.
Zellenrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenhülse (14) mit der Antriebswelle (13) gefügt ist und die Zwischenhülse/n (18) von beiden Stirnflächen (11) des Zellenrades (10) ausgehende Einschnitte (26) zwischen benachbarten Lamellen (16) aufweist/aufweisen.
Zellenrad nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtprofil (30) der äusseren Dichthülsen (24) eine mit den Stirnflächen (11) des Zellenrades (10) fluchtende Dichtfläche (32) aufweist und in der Innenhülse (14) mit der Innenhülse (14) gefügte innere Dichthülsen (70, 72) mit einem Dichtprofil (74) mit einer mit den Stirnflächen (11) des Zellenrades (10) fluchtenden Dichtfläche (75) für eine Labyrinthdichtung angeordnet sind.
Zellenrad nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichthülsen (24, 70, 72) nur im Bereich des von den Stirnflächen (11) des Zellenrades (10) entfernt liegenden Endes mit der Aussen- bzw. Innenhülse (12, 14) gefügt sind und mit den Aussen- bzw. Innenhülsen (12, 14) einen an den Stirnflächen (11) des Zellenrades (10) offenen Ringspalt (66) bilden.
Zellenrad nach Anspruch 4 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des Ringspaltes (66) durch eine im Bereich des Ringspaltes (66) verminderte Wanddicke (d2) der Dichthülsen (24, 70, 72) vergrössert ist; oder dass das Volumen des Ringspaltes (66) durch eine im Bereich des Ringspaltes (66) verminderte Wanddicke (a2) der Aussen- bzw. Innenhülse (12, 14) vergrössert ist.
Zellenrad nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Stabilisierung des Ringspaltes (66) von der zur Aussen- bzw. Innenhülse (12, 14) weisenden Seite der Dichthülsen (24, 70, 72) im Bereich der Stirnflächen (11) des Zellenrades (10) über den Umfang der Dichthülsen (24, 70, 72) verteilt angeordnete Abstandselemente (68) abragen.
Zellenrad nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Stabilisierung des Ringspaltes (66) von der zur Dichthülse (24, 70, 72) weisenden Seite der Aussen- bzw. Innenhülse (12, 14) im Bereich der Stirnflächen (11) des Zellenrades (10) über den Umfang der Aussen- bzw. Innenhülse (12, 14) verteilt angeordnete Abstandselemente (68) abragen.
Zellenrad nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (e) der Einschnitte (26) 10% bis 30% der Länge (L) des Zellenrades (10) beträgt; und/oder dass die Aussenhülse (12), die Innenhülse (14) die Zwischenhülse/n (18), die Lamellen (16) und die Dichthülsen (24, 70, 72) aus Metallblech mit einer Dicke von weniger als 0,5 mm gefertigt sind.
Zellenrad nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (13) zwei koaxial zur Antriebswelle (13) angeordnete und voneinander beabstandete Ringstege (38, 40) mit einer Umfangfläche (42, 44) als Auflageflächen für die Innenhülse (14) aufweist und wenigstens einer der Ringstege (38, 40) mit der Innenhülse (14) gefügt ist.
Zellenrad nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das von den Stirnflächen (11) des Zellenrades (10) entfernt liegende Ende der inneren Dichthülsen (70, 72) mit einem der Ringstege (38, 40) gefügt ist und/oder dass eine innere Dichthülse (70) an einer Stirnfläche (11) des Zellenrades (10) mit einem Deckel (78) gefügt ist und/oder dass ein Ringsteg (38) mit einem Deckel (78) gefügt ist.
Zellenrad nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (13) als Hohlwelle mit einem rohrförmigen Endteil (46), einem konischen Zwischenteil (48) und einem rohrförmigen Wellenteil (50) mit einer Aufnahme (52) für ein mit einem motorischen Antrieb zu verbindenden Kupplungsstück (54) ausgestaltet ist.
Zellenrad nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das rohrförmige Endteil (46) und das konische Zwischenteil (48) symmetrisch über den Umfang angeordnete Öffnungen (62, 64) aufweisen, und/oder dass das Kupplungsstück (54) eine Kupplungsachse (56) mit Längsrippen (58) aufweist, welche beim Einschieben des Kupplungsstücks (54) in die Aufnahme (52) des rohrförmigen Wellenteils (50) in Längsnuten (60) in der Aufnahme (52) eingreifen.
Verwendung eines Zellenrades (10) nacheinem der vorangehenden Ansprüche in einem Druckwellenlader zur Aufladung von Verbrennungsmotoren, insbesondere von Ottomotoren.