WO2012139874A1 - Verdichterrad sowie verfahren zum einbringen von eigenspannungen in ein verdichterrad - Google Patents

Verdichterrad sowie verfahren zum einbringen von eigenspannungen in ein verdichterrad Download PDF

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compressor wheel
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stresses
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Stefan Reuter
Igor Makarenko
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Aumovio Germany GmbH
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    • F05D2300/70—Treatment or modification of materials

Definitions

  • the invention relates to a compressor wheel with inherent stresses and various methods for introducing residual stresses in a compressor wheel of an exhaust gas turbocharger.
  • Exhaust gas turbochargers serve to improve the efficiency of an internal combustion engine and thus to increase its performance.
  • the exhaust gas turbocharger has a turbine with a turbine wheel and a compressor with a compressor wheel, wherein the two wheels are arranged on a common shaft.
  • the turbine wheel is in this case driven via an exhaust gas mass flow of a connected internal combustion engine and in turn drives the compressor wheel.
  • the compressor compresses fresh air sucked in and feeds it to the internal combustion engine.
  • the common shaft is mounted in a bearing housing of the turbocharger.
  • the turbine wheel of the turbine is arranged in a turbine housing and the compressor wheel of the compressor in a compressor housing.
  • Such an exhaust gas turbocharger has to fulfill various requirements during operation on the internal combustion engine or a connected engine.
  • One of these requirements is to accommodate the high temperatures that may arise, for example, due to the hot exhaust gas mass flow in the turbocharger housing.
  • the usual construction of an exhaust-gas turbocharger thereby provides individual housings which each consist of a material adapted to the prevailing temperature there.
  • the compressor housing is usually made of aluminum, while the bearing housing is made of gray cast iron, wherein the bearing housing can also be designed to be water cooled.
  • the turbine housing In general, due to the high temperatures prevailing in this area, it is made of materials with a high nickel content. Due to the adapted, different materials for the individual housing, these housings are designed as separate parts which are connected to one another and must also be sealed against each other.
  • Compressor wheel of an exhaust gas turbocharger during a vehicle ⁇ life very heavily loaded.
  • the design of the compressor wheel To avoid fatigue fractures (bursting) of the compressor wheel, the design of the compressor wheel
  • Compressor wheel adapted to the speeds occurring and the associated loads. Based on material-specific properties and resulting centrifugal forces, which are determined using the finite element method (FEM method), in particular the wheel back, the blade geometry and the hub contour of the compressor wheel are constructed and designed such that the compressor wheel the loads occurring during operation Stands up. Measures to increase the stability of the compressor wheel but are regularly connected to Ma ⁇ terialverstärkungen and thus an increase in the total mass and thus the moment of inertia of the rotating parts of the ex ⁇ gas turbocharger and thus worsen the response of the turbocharger.
  • the required construction ⁇ partial strength of a compressor wheel of an exhaust gas turbocharger is therefore in conflict with the requirement for the lowest possible moment of inertia of the running tool.
  • the object of the invention is to improve the component strength of an exhaust gas turbocharger without an increase in the mass moment of inertia ⁇ .
  • the compressor wheel for an exhaust-gas turbocharger has a hub with a hub bore centrally arranged therein, a wing adjoining the hub radially outward, having a wheel back, and compressor blades arranged on the wing and the hub.
  • the compressor wheel is characterized in that internal stresses are introduced in the material of the compressor wheel, in the region of the hub and / or in the region of the wheel back and / or in transition regions between hub, blades and the blades characterized by blade connection radii.
  • Another advantage of a compressor wheel with the features specified in claim 1 is that its life is increased.
  • the compressor wheel is characterized in that the residual stresses in the area of the hub which is subjected to the greatest load in the operation of the compressor wheel due to centrifugal force loads and / or in the operation of the
  • Compressor wheel is the most heavily loaded area of the wheel back due to centrifugal force loads and / or the centrifugal forces which are most pronounced during operation of the compressor wheel. loaded areas of Schaufelanitatisradien are introduced locally.
  • Compressor wheel with a defined overload speed which is greater than the maximum operating speed for which the compressor is designed.
  • the working speed is the maximum speed that must endure the running gear of a turbocharger in the intended operation in the long term, without being damaged.
  • the overload speed is a certain amount beyond the working speed, so far that the desired residual stress generating, permanent deformations occur in the said areas, but still no destruction or undesired damage to the compressor wheel occurs.
  • the maximum overload speed is limited by the so-called burst speed at which the Breaking strength of the material is achieved and the compressor wheel is destroyed.
  • Al alloys Berstwindiere is in a range between 1.3 to 1.7 times the allowable working speed.
  • Compressor wheel with the overload speed in the course of an already performed process step in the production, in particular before, during or after the balancing ⁇ process of the compressor wheel done.
  • the aforementioned method has the advantage that residual stresses in all relevant areas can be introduced virtually simultaneously in one process step. Also, this method can be particularly easily integrated into existing processes of Her ⁇ positioning process, such as the balancing process of the compressor wheel in which this must also be set in rotation. The device and ver ⁇ technical technical overhead is kept low.
  • Another alternative method for introducing the internal stresses, in the region of the hub of a compressor wheel according to the aforementioned expression, is characterized by the following steps:
  • a pressure medium is especially oil, especially hydraulic oil, but it can also other suitable liquids and possibly also gases are used.
  • This method has the advantage that targeted internal stresses can be introduced into the compressor wheel only in the region of the hub. Due to the highly precise controllability or controllability with simultaneous accurate detection of the pressure and its changes, another advantage of this method is that the desired deformations in the interior of the hub bore can be introduced very precisely defined.
  • Another alternative method for introducing the egg internal stresses, in a compressor wheel according to the above expression is characterized by a defined upper ⁇ surface deformation in the regions of the hub and / or the Radiess and or the areas of the blade connection radii. This is done in a Rollier compiler using a controlled under contact pressure over the respective areas of
  • the roller body can be guided over the respective regions of the compressor wheel with the aid of a combination of program-controlled or regulated movement axes with a specific contact pressure.
  • at least the surface solidifies these areas and achieved an increase in the overall resilience.
  • FIG. 1A shows a simplified sketch of a longitudinal section illustration of a partial region of a compressor wheel for an exhaust-gas turbocharger
  • Figure 1B shows a three-dimensionally illustrated ⁇ segment-section of a compressor wheel with spaced compressor blades
  • Figure 2 is a simplified diagram illustrating a
  • Figure 3 is a diagram illustrating a method for introducing residual compressive stresses in a compressor wheel for an exhaust gas turbocharger by applying an overload speed
  • Figure 4 is a diagram illustrating the course of the mechanical residual stress in the compressor wheel as a function of the mechanical strain in the prior art and in the invention.
  • Figure 1A shows a simplified sketch of a longitudinal ⁇ sectional view of a portion (half) of a
  • Compressor wheel for an exhaust gas turbocharger of a motor vehicle.
  • the illustrated compressor wheel has a hub 1 and a wing 2 connected to the hub and extending radially outward. Furthermore, the blade 2 of the compressor wheel forms a wheel back 3 on the compressor wheel rear side. Furthermore, the compressor wheel is equipped with compressor blades 4, of which in the figure 1, the sectional view corresponding to only a single can be seen. Further illustrated in FIG. 1A is the region B1 of the hub 1 and the region B2 of the wheel back 3 in which the internal stresses are introduced into the material.
  • FIG. 1B which show a segmental section of the compressor wheel in a spatial representation, are easier to recognize.
  • the compressor blades 4 are over
  • Blade connecting radii 12 connected to the hub 1 and the wing 2.
  • the blade connection radii 12 simultaneously represent the regions B3 in which internal stresses are likewise introduced in the material.
  • the compressor wheel is rotatable about a rotation axis 5.
  • the compressor wheel is rotationally symmetrical with respect to this axis of rotation. constructed metric and has in its central, extending in the axial direction area, a continuous, centrally arranged hub bore 6, which is cylindrically ⁇ forms.
  • the gas turbocharger extends through the bearing housing of the turbocharger through into the turbine housing from ⁇ , in which a turbine wheel is arranged arrival, which is also mounted on the shaft (not shown) .
  • the design or the Ra7kontur, blade geometry and Radnabenkontur the compressor wheel is determined by the yield point of the material of the compressor wheel, for example, aluminum material or aluminum alloys, in particular AL 2816 can be used.
  • the yield strength of the aluminum material is increased signifi- cantly by introducing compressive stresses. Investigations have shown that the highest mechanical stresses and strains occur locally during operation of the compressor wheel in the region of the hub 1, the blade attachment radii 12 and in the region of the wheel back 3. These areas are indicated in FIGS. 1 and 2 by the reference symbols Bl, B2 and B3.
  • FIG. 2 shows a simplified sketch to illustrate a device for carrying out a method for introducing compressive residual stresses into the hub region Bl of a compressor wheel for an exhaust gas turbocharger into which the
  • Compressor is used. By means of the device shown in FIG. 2, internal compressive stresses are introduced into the region Bl of the hub 1 of the compressor wheel which is subjected to the greatest load during operation.
  • the compressor wheel used in the device for introducing compressive residual stresses has, in addition to the aforementioned hub 1 connected to the hub, in the radial outward extending wings 2, at the back of the wing 2 a Ramony 3, 4 blades and in its central region a cylindrical hub bore 6 on.
  • the compressor wheel is rotationally symmetrical and can be rotated about an axis of rotation 5 during operation.
  • the device for introducing compressive residual stresses contains a first cover 7 and a second cover 8.
  • the first cover 7 is provided for closing the first end region of the bore 6 provided in FIG. 2 on the left side.
  • the second cover 8 is provided for closing the second end region of the bore 6 provided in FIG. 2 on the right-hand side.
  • an opening 9 is provided, through which a pressure medium for increasing the pressure prevailing in the hub bore 6 pressure can be introduced.
  • This is in the figure 2 by illustrates the arrow p (t).
  • the pressure medium is transported by means of a connecting line, not shown, to the opening 9.
  • a first cylindrical extension 10 is provided, which extends into the bore 6, wherein the outer surface of the cylindrical extension to the inner shell of the hub 1 sufficiently tightly connects that introduced through the opening 9 in the bore 6 pressure medium not through a gap between the cylindrical extension 10 and the hub 1 can escape again.
  • a second cylindrical extension 11 is provided, which also extends into the bore 6, in turn, the outer surface of the cylindrical extension 11 to the inner shell of the hub 1 sufficiently tightly connected. Consequently, the introduced through the opening 9 in the bore 6 pressure medium can not escape through a gap between the cylindrical extension 11 and the hub 1 again.
  • the axial length of the two cylindrical extensions 10 and 11 is set such that a portion of the inner shell of the hub 1 remains free when inserted into the bore 6 cylindrical extensions.
  • this free region is the area B1 of the compressor wheel lying in the region of the hub 1, in which locally high component stresses and strains occur during operation of the compressor wheel.
  • local permanent deformation is established using the apparatus of high pressure into the hub bore 6 shown in Figure 2, caused ⁇ and thereby be introduced compressive residual stresses. This serves to reduce the mean mechanical stress during operation, which reduces the load on the compressor wheel during operation.
  • By introducing the compressive residual stresses in the compressor wheel are in operation due to the Centrifugal load occurring tensile stresses of the component reduced.
  • Rolling process using roll bodies which are rolled using a programmable arrangement of controlled / controlled axes of motion, as for example, an indutrial robot, while exerting a high pressure over this range.
  • the resulting deformations of the material in this area bring the desired Eigenspannugen in the material with it.
  • Such a method can also be carried out in an advantageous manner within the scope of the production of the compressor wheel.
  • the method of rolling can also be applied to the area B2 in the area of the hub bore 6 and the area of the blade attachment radii 12, B3.
  • Shovel connection radii in the rolling method for example, an industrial robot assembly can be used, which makes it possible to follow the contour of the Schaufelanitatisradien 12 during the rolling.
  • the overload speed no can for example be realized during the already required balancing process in the production process.
  • 4 shows a diagram for illustrating the course of the mechanical stress ⁇ in the compressor wheel as a function of the mechanical strain ⁇ on the one hand in a compressor wheel according to the prior art and on the other hand in a
  • Compressor wheel according to the invention.
  • the upper left part of the diagram of the course of the stress-strain curve according to the prior art that is shown with a compressor introduced without residual stresses, and with a center voltage o ⁇ m, i.
  • the subsequent curve (characterized by the surrounding oval) reflects the plastic deformation when introducing the internal stresses.
  • Compressor in operation which are due to the centrifugal load, are reduced.
  • compressive stresses in the center voltage of operation is o ⁇ m, i on o m, 2 at the same voltage amplitude o ⁇ a reduced.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verdichterrad für einen Abgasturbolader, welches eine Nabe (1) mit einer darin zentrisch angeordneten Nabenbohrung (6), einen an die Nabe (1) in radialer Richtung nach aussen anschliessenden Flügel (2), der einen Radrücken (3) ausbildet, und am Flügel (2) und der Nabe (1) angeordnete Verdichterschaufeln (4) aufweist. In den Bereich der Nabe (1) und/oder in den Bereich des Radrückens (3) und/oder in den Übergangsbereichen der Verdichterschaufeln zu Nabe (1) und Flügel (2) sind Eigenspannungen in das Material des Verdichterrades eingebracht. Des Weiteren betrifft die Erfindung alternative Verfahren zum Einbringen der genannten Eigenspannungen in ein Verdichterrad für einen Abgasturbolader.

Description

Beschreibung
Verdichterrad sowie Verfahren zum Einbringen von Eigenspannungen in ein Verdichterrad
Die Erfindung betrifft ein Verdichterrad mit eingebrachten Eigenspannungen sowie verschiedene Verfahren zum Einbringen von Eigenspannungen in ein Verdichterrad eines Abgasturboladers.
Abgasturbolader dienen dazu, den Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors zu verbessern und damit dessen Leistung zu steigern. Der Abgasturbolader weist hierzu eine Turbine mit einem Turbinenrad und einen Verdichter mit einem Verdichterrad auf, wobei die beiden Laufräder auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind. Das Turbinenrad wird hierbei über einen Abgasmassenstrom einer angeschlossenen Brennkraftmaschine angetrieben und treibt wiederum das Verdichterrad an. Der Verdichter verdichtet angesaugte Frischluft und führt diese der Brennkraftmaschine zu. Die gemeinsame Welle ist in einem Lagergehäuse des Turboladers gelagert. Des Weiteren ist das Turbinenrad der Turbine in einem Turbinengehäuse angeordnet und das Verdichterrad des Verdichters in einem Verdichtergehäuse.
Ein solcher Abgasturbolader hat im Betrieb an der Brennkraftmaschine bzw. einem angeschlossenen Motor verschiedenste Anforderungen zu erfüllen. Eine dieser Anforderungen besteht darin, die hohen Temperaturen aufzunehmen, die beispielsweise aufgrund des heißen Abgasmassenstroms in dem Turboladergehäuse entstehen können.
Die übliche Konstruktion eines Abgasturboladers sieht dabei einzelne Gehäuse vor, die jeweils aus einem an die dort herrschende Temperatur angepassten Werkstoff bestehen. Dabei ist das Verdichtergehäuse üblicherweise aus Aluminium, während das Lagergehäuse aus Grauguss ist, wobei das Lagergehäuse zusätzlich auch wassergekühlt ausgeführt sein kann. Das Turbinengehäuse besteht im Allgemeinen aufgrund der hohen Temperaturen, die in diesem Bereich herrschen, aus Werkstoffen mit einem hohen Nickelanteil. Aufgrund der angepassten, unterschiedlichen Werkstoffe für die einzelnen Gehäuse sind diese Gehäuse als separate Teile ausgebildet, die miteinander verbunden sind und dabei außerdem gegeneinander abgedichtet sein müssen.
Aufgrund der hohen Drehzahlen, die im Betrieb eines Abgas¬ turboladers auftreten, und der damit einhergehenden hohen Fliehkraftbelastung ist das aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, vorzugsweise aus AI 2618, bestehende
Verdichterrad eines Abgasturboladers während eines Fahrzeug¬ lebens sehr stark belastet. Zur Vermeidung von Ermüdungsbrüchen (Berst) des Verdichterrades wird die Auslegung des
Verdichterrades an die auftretenden Drehzahlen und die damit einhergehenden Belastungen angepasst. Auf Grundlage Werkstoffspezifischer Eigenschaften und resultierender Fliehkräfte, die unter Verwendung der Finite-Elemente-Methode ( FEM-Methode ) ermittelt werden, werden insbesondere der Radrücken, die Schaufelgeometrie und die Nabenkontur des Verdichterrades derart konstruiert und ausgelegt, dass das Verdichterrad den im Betrieb auftretenden Belastungen Stand hält. Maßnahmen zur Erhöhung der Stabilität des Verdichterrades sind aber regelmäßig mit Ma¬ terialverstärkungen und somit mit einer Erhöhung der Gesamtmasse und somit des Massenträgheitsmoments des Laufzeuges des Ab¬ gasturboladers verbunden und verschlechtern damit das Ansprechverhalten des Abgasturboladers. Die geforderte Bau¬ teilfestigkeit eines Verdichterrades eines Abgasturboladers steht folglich in Konflikt mit der Forderung nach einem möglichst geringen Massenträgheitsmoment des Laufzeugs.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Bauteilfestigkeit eines Abgasturboladers ohne eine Erhöhung des Massenträg¬ heitsmoments zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch ein Verdichterrad mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie durch die verschiedenen Verfahren der Ansprüche 3, 5 und 6 gelöst. Das Verdichterrad für einen Abgasturbolader weist eine Nabe mit einer zentrisch darin angeordneten Nabenbohrung, einen an die Nabe radial nach außen anschließenden, einen Radrücken aufweisenden, Flügel und am Flügel und der Nabe angeordnete Verdichterschaufeln auf. Dabei ist das Verdichterrad dadurch gekennzeichnet, dass im Material des Verdichterrades, in dem Bereich der Nabe und/oder in dem Bereich des Radrückens und/oder in durch Schaufelanbindungsradien gekennzeichneten Übergangsbereichen zwischen Nabe, Flügel und den Schaufeln, Ei- genspannungen eingebracht sind.
Die Vorteile eines Verdichterrades mit den im Anspruch 1 an¬ gegebenen Merkmalen bestehen darin, dass durch das gezielte Einbringen von Eigenspannungen, insbesondere Druckeigenspan- nungen, die Bauteilfestigkeit des Verdichterrades und damit auch des gesamten Abgasturboladers deutlich erhöht ist. Dies erlaubt es in vorteilhafter Weise, die Kontur des Radrückens und/oder die Kontur der Nabe des Verdichterrades, ohne Einbußen in der Festigkeit, schlanker zu konstruieren. Dadurch kann die Masse des Bauteils und somit das Massenträgheitsmoment erheblich reduziert werden. Dadurch wiederum werden die Dynamik und das Ansprechverhalten des Antriebs des Verdichterrades verbessert. Darüber hinaus wird durch die Reduktion des Massenträgheits¬ momentes das im dynamischen Betrieb zu übertragende Drehmoment reduziert. Hierdurch steigt die maximal mögliche
Verdichterradgröße .
Ein weiterer Vorteil eines Verdichterrades mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen besteht darin, dass dessen Lebensdauer erhöht ist.
In einer vorteilhaften Ausführung ist das Verdichterrad dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenspannungen in den im Betrieb des Verdichterrades durch Fliehkraftbelastungen am stärksten be- lasteten Bereich der Nabe und/oder in den im Betrieb des
Verdichterrades durch Fliehkraftbelastungen am stärksten belasteten Bereich des Radrückens und/oder in den im Betrieb des Verdichterrades durch Fliehkraftbelastungen am stärksten be- lasteten Bereichen der Schaufelanbindungsradien lokal eingebracht sind.
Die besonderen Vorteile eines Verdichterrads, bei dem die Eigenspannungen in den genannten Bereichen des Verdichterrades eingebracht sind, liegen darin, dass eine Verfestigung des Materials gezielt in den Bereichen vorliegt, in denen im Betrieb des Verdichterrades lokal die höchsten mechanischen Bean¬ spruchungen und somit Spannungen und/oder Dehnungen auftreten und in welchen häufig die Initiierung eines Ermüdungsbruches auftritt .
Das Einbringen der Eigenspannungen, insbesondere der Druckeigenspannungen, in das Verdichterrad erfolgt vorzugsweise mittels der in den Ansprüchen 3, 5 und 6 angegebenen alternativen oder auch kombiniert anwendbaren Verfahren.
Eines der Verfahren zum Einbringen der Eigenspannungen, in ein Verdichterrad vorgenannter Ausprägung, insbesondere zum ge¬ zielten Einbringen von Eigenspannungen in die im Betrieb des Verdichterrades durch Fliehkraftbelastungen am stärksten belasteten Bereich der Nabe, des Radrückens und der Schaufel- anbindungsradien, ist gekennzeichnet durch eine definierte Überlastung und Verformung der am stärksten durch Fliehkraftbelastung belasteten Bereiche der Nabe, des Radrückens und der Schaufelanbindungsradien durch Beaufschlagung des
Verdichterrades mit einer definierten Überlastungsdrehzahl, die größer ist als die maximale Arbeitsdrehzahl, für die das Verdichterrad ausgelegt ist. Die Arbeitsdrehzahl ist diejenige maximale Drehzahl, die das Laufzeug eines Turboladers im vorgesehenen Betriebsfall auf Dauer aushalten muss, ohne Schaden zu nehmen. Die Überlastungsdrehzahl geht um einen bestimmten Betrag über die Arbeitsdrehzahl hinaus, so weit, dass die gewünschten, Eigenspannung erzeugenden, dauerhaften Verformungen in den genannten Bereichen eintreten, jedoch noch keine Zerstörung oder ungewünschte Schädigung des Verdichterrades eintritt. Somit ist die maximale Überlastungsdrehzahl nach oben durch die sogenannte Berstdrehzahl begrenzt, bei der die Bruchfestigkeit des Materials erreicht wird und das Verdichterrad zerstört wird. Bei den für das Verdichterrad gebräuchlichen Al-Legierungen liegt die Berstdrehzahl in einem Bereich zwischen dem 1,3- bis 1,7-fachen der zulässigen Arbeitsdrehzahl .
In weiter fortgeführter Ausprägung des vorgenannten Verfahrens zum Einbringen der Eigenspannungen in ein Verdichterrad gemäß vorgenannter Ausprägung kann die Beaufschlagung des
Verdichterrades mit der Überlastungsdrehzahl, im Laufe eines ohnehin durchzuführenden Prozessschrittes in der Herstellung, insbesondere vor, während oder im Anschluss an den Auswucht¬ prozesses des Verdichterrades, erfolgen.
Das vorgenannte Verfahren hat den Vorteil, dass Eigenspannungen in allen relevanten Bereichen quasi gleichzeitig in einem Verfahrensschritt eingebracht werden können. Auch kann dieses Verfahren besonders einfach in bestehende Abläufe des Her¬ stellungsprozesses, wie zum Beispiel den Auswuchtprozess des Verdichterrades bei dem dieses ebenfalls in Rotation versetzt werden muss, integriert werden. Der vorrichtungs- und ver¬ fahrenstechnische Zusatzaufwand wird dadurch gering gehalten.
Ein weiteres alternatives Verfahren zum Einbringen der Eigenspannungen, im Bereich der Nabe eines Verdichterrads gemäß vorgenannter Ausprägung, ist gekennzeichnet durch folgende Schritte :
- Verschließen eines ersten Endbereichs der Nabenbohrung mit einem ersten Deckel, an dem ein erster zylindrischer Fortsatz vorgesehen ist, der in die Nabenbohrung hineinreicht und der an einer Innenfläche der Nabenbohrung ausreichend dicht anliegt,
- Verschließen eines zweiten Endbereichs der Bohrung mit einem zweiten Deckel, an dem ein zweiter zylindrischer Fortsatz vorgesehen ist, der in die Nabenbohrung hineinreicht und der an einer Innenfläche der Nabenbohrung ausreichend dicht anliegt, - wobei die axiale Länge der beiden zylindrischen Fortsätze derart festgelegt ist, dass ein Teilbereich der Nabenbohrung bei in die Nabenbohrung eingesetzten zylindrischen Fortsätzen nicht durch die Fortsätze abgedeckt wird,
- Einbringen eines Druckmediums in die Nabenbohrung unter Druck, durch eine im ersten Deckel vorgesehenen Öffnung und
- definierte Erhöhung des Druckes in der Nabenbohrung, so weit, dass in dem nicht abgedeckten Bereich der Nabenbohrung eine definierte Verformung und damit verbundene Eigenspannungen im Bereich der Nabe hervorgerufen werden.
Ausreichend dichtes Anliegen oder Abschließen der zylindrischen Fortsätze der Deckel heißt dabei, dass Dichtheit gegen das Austretren des jeweils verwendeten Druckmediums insoweit ge- währleistet sein muss, dass mit vertretbarem Aufwand der für die Verformung erforderliche Druck in der Nabenbohrung aufgebaut werden kann. Als Druckmedium bietet sich vor allem Öl, insbesondere Hydrauliköl an, es können jedoch auch andere geeignete Flüssigkeiten und ggf. auch Gase zur Anwendung kommen.
Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass gezielt nur im Bereich der Nabe Eigenspannungen in das Verdichterrad eingebracht werden können. Durch die hochgenaue Steuerbarkeit bzw. Regelbarkeit bei gleichzeitiger genauer Erfassung des Druckes und dessen Än- derungen liegt ein weiterer Vorteil diese Verfahrens darin, dass die gewünschten Verformungen im Innenbereich der Nabenbohrung sehr präzise definiert eingebracht werden können.
Ein weiteres alternatives Verfahren zum Einbringen der Ei- genspannungen, in ein Verdichterrad gemäß der vorgenannten Ausprägung, ist gekennzeichnet durch eine definierte Ober¬ flächenverformung in den Bereichen der Nabe und/oder des Radrückens und oder den Bereichen der Schaufelanbindungsradien . Dies erfolgt in einem Rollierverfahren mit Hilfe eines unter Anpressdruck gesteuert über die jeweiligen Bereiche des
Verdichterrades geführten Rollenkörpers. Der Rollenkörper kann beispielsweise mit Hilfe einer Kombination von programmgesteuerten bzw. geregelten Bewegungsachsen mit bestimmtem Anpressdruck über die jeweiligen Bereiche des Verdichterrades geführt werden. Dabei wird zumindest die Oberfläche diese Bereiche verfestigt und eine Erhöhung der Belastbarkeit insgesamt erzielt.
Der Vorteil dieses Verfahrens ist vor Allem darin zu sehen, dass die räumliche Positionierung der Verfestigungsbereiche, in denen die Eigenspannungen eingebracht sind, sehr präzise erfolgen kann. Weiterhin weist dieses Verfahren ein hohes Maß an Flexibilität in Bezug auf unterschiedliche Werkstückgeometrien auf.
Die vorgenannten Verfahren zum Einbringen von Eigenspannungen in ein Verdichterrad können sowohl alternativ als auch in Kombination, sich gegenseitig ergänzend, zur Anwendung gebracht werden .
Weitere Einzelheiten zu dem Gegenstand und den Verfahren der Erfindung sind aus den Figuren und aus deren nachfolgender Erläuterung zu entnehmen.
Es zeigen:
Figur 1A eine vereinfachte Skizze einer Längsschnittdarstellung eines Teilbereichs eines Verdichterrades für einen Abgasturbolader,
Figur 1B einen dreidimensional dargestellten Segmentaus¬ schnitt aus einem Verdichterrad mit den angeordneten Verdichterschaufeln,
Figur 2 eine vereinfachte Skizze zur Veranschaulichung eines
Verfahrens bzw. der zugehörigen Vorrichtung zum Einbringen von Eigenspannungen in den Nabenbereich eines Verdichterrads für einen Abgasturbolader und Figur 3 ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Einbringen von Druckeigenspannungen in ein Verdichterrad für einen Abgasturbolader durch Beaufschlagung mit einer Überlastungsdrehzahl
Figur 4 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Verlaufs der mechanischen Eigenspannung im Verdichterrad in Abhängigkeit von der mechanischen Dehnung beim Stand der Technik und bei der Erfindung.
Funktions- und Benennugsgleiche Gegenstände und Einzelheiten sind in den Figuren durchgehend mit den gleichen Bezugskennzeichen gekennzeichnet. Die Figur 1A zeigt eine vereinfachte Skizze einer Längs¬ schnittdarstellung eines Teilbereichs (Hälfte) eines
Verdichterrades für einen Abgasturbolader eines Kraftfahrzeugs. Das dargestellte Verdichterrad weist eine Nabe 1 und einen mit der Nabe verbundenen, sich in Radialrichtung nach außen er- streckenden Flügel 2 auf. Des Weiteren bildet der Flügels 2 des Verdichterrads auf der Verdichterrad-Rückseite einen Radrücken 3 aus. Ferner ist das Verdichterrad mit Verdichterschaufeln 4 bestückt, von denen in der Figur 1, der Schnittdarstellung entsprechend, lediglich eine einzelne zu erkennen ist. Weiterhin in Figur 1A dargestellt ist der Bereich Bl der Nabe 1 und der Bereich B2 des Radrückens 3 in denen die Eigenspannugen im Material eingebracht sind.
Besser zu erkennen sind die Verdichterschaufeln in Figur 1B, die einen Segmentausschnitt des Verdichterrades in räumlicher Darstellung zeigt. Die Verdichterschaufeln 4 sind über
Verrundungen, sogenannte Schaufelanbindungsradien 12 an die Nabe 1 und den Flügel 2 angebunden. Die Schaufelanbindungsradien 12 stellen gleichzeitig die Bereiche B3 dar, in denen ebenfalls Eigenspannungen im Material eingebracht sind.
Im Betrieb ist das Verdichterrad um eine Drehachse 5 drehbar. Das Verdichterrad ist bezüglich dieser Drehachse rotationssym- metrisch aufgebaut und weist in seinem mittleren, in Axialrichtung verlaufenden Bereich, eine durchgehende, zentrisch angeordnete Nabenbohrung 6 auf, welche zylinderförmig ausge¬ bildet ist.
Durch diese Nabenbohrung 6 ist im Betrieb eine in der Figur 1 nicht dargestellte Welle geführt, die durch das Lagergehäuse des Abgasturboladers hindurch bis in das Turbinengehäuse des Ab¬ gasturboladers hineinreicht, in welchem ein Turbinenrad an- geordnet ist, das ebenfalls auf der Welle befestigt ist (nicht dargestellt) .
Die Auslegung bzw. die Radrückenkontur, Schaufelgeometrie und die Radnabenkontur des Verdichterrades ist durch die Streck- grenze des Werkstoffs des Verdichterrads bestimmt, wobei beispielsweise Aluminiumwerkstoff bzw. Aluminiumlegierungen, insbesondere AL 2816 verwendet werden kann. Gemäß der vor¬ liegenden Erfindung wird die Streckgrenze des Aluminiumwerkstoffes durch ein Einbringen von Druckeigenspannungen signi- fikant erhöht. Untersuchungen haben ergeben, dass im Betrieb des Verdichterrades im Bereich der Nabe 1, der Schaufelanbin- dungsradien 12 und im Bereich des Radrückens 3 lokal die höchsten mechanischen Spannungen und Dehnungen auftreten. Diese Bereiche sind in den Figuren 1 und 2 mit den Bezugszeichen Bl, B2 und B3 gekennzeichnet.
Die nachfolgende Tabelle belegt das Vorliegen einer Korrelation von Umfangsgeschwindigkeit uv mit der mechanischen Spannung ORadnabe in der Nabe 1 und der mechanischen Spannung öRadrücken im Radrücken 3:
Figure imgf000011_0001
Durch ein gezieltes Einbringen von Druckeigenspannungen in die Bereiche Bl und/oder B2 und/oder B3 des Verdichterrades kann die Bauteilfestigkeit des Verdichterrades wesentlich erhöht werden. Auf Grund dieser erhöhten Bauteilfestigkeit kann die Radrü¬ ckenkontur und auch die Nabenkontur des Verdichterrades ohne Einbußen in der Festigkeit schlanker konstruiert werden. Dadurch wird in vorteilhafter Weise Material eingespart und das Mas¬ senträgheitsmoment des Verdichterrades reduziert, die Dynamik und das Ansprechverhalten des Antriebs des Verdichterrades verbessert und die Lebensdauer des Verdichterrades verlängert. Die Figur 2 zeigt eine vereinfachte Skizze zur Veranschaulichung einer Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum Einbringen von Druckeigenspannungen in den Nabenbereich Bl eines Verdichterrads für einen Abgasturbolader, in welche das
Verdichterrad eingesetzt ist. Mittels der in der Figur 2 ge- zeigten Vorrichtung erfolgt ein Einbringen von Druckeigenspannungen in den im Betrieb am stärksten belasteten Bereich Bl der Nabe 1 des Verdichterrades.
Das in die Vorrichtung zum Einbringen von Druckeigenspannungen eingesetzte Verdichterrad weist außer der bereits genannten Nabe 1 einen mit der Nabe verbundenen, sich in Radialrichtung nach außen erstreckenden Flügel 2, an der Rückseite des Flügels 2 einen Radrücken 3, Schaufeln 4 und in seinem mittleren Bereich eine zylindrische Nabenbohrung 6 auf. Das Verdichterrad ist rota- tionssymmetrisch aufgebaut und im Betrieb um eine Drehachse 5 drehbar .
Die Vorrichtung zum Einbringen von Druckeigenspannungen enthält einen ersten Deckel 7 und einen zweiten Deckel 8. Der erste Deckel 7 ist zum Verschließen des in der Figur 2 auf der linken Seite vorgesehenen ersten Endbereichs der Bohrung 6 vorgesehen. Der zweite Deckel 8 ist zum Verschließen des in der Figur 2 auf der rechten Seite vorgesehenen zweiten Endbereichs der Bohrung 6 vorgesehen .
Im ersten Deckel 7 ist eine Öffnung 9 vorgesehen, durch welche ein Druckmedium zur Erhöhung des in der Nabenbohrung 6 herrschenden Druckes einbringbar ist. Dies ist in der Figur 2 durch den Pfeil p (t) veranschaulicht. Das Druckmedium wird mittels einer nicht dargestellten Anschlussleitung zur Öffnung 9 transportiert . Am ersten Deckel 7 ist ein erster zylindrischer Fortsatz 10 vorgesehen, der in die Bohrung 6 hineinreicht, wobei der Außenmantel des zylindrischen Fortsatzes an den Innenmantel der Nabe 1 so ausreichend dicht anschließt, dass das durch die Öffnung 9 in die Bohrung 6 eingebrachte Druckmedium nicht durch einen Spalt zwischen dem zylindrischen Fortsatz 10 und der Nabe 1 wieder austreten kann.
Am zweiten Deckel 8 ist ein zweiter zylindrischer Fortsatz 11 vorgesehen, der ebenfalls in die Bohrung 6 hineinreicht, wobei wiederum der Außenmantel des zylindrischen Fortsatzes 11 an den Innenmantel der Nabe 1 ausreichend dicht anschließt. Folglich kann das durch die Öffnung 9 in die Bohrung 6 eingebrachte Druckmedium nicht durch einen Spalt zwischen dem zylindrischen Fortsatz 11 und der Nabe 1 wieder austreten.
Die axiale Länge der beiden zylindrischen Fortsätze 10 und 11 ist derart festgelegt, dass ein Teilbereich des Innenmantels der Nabe 1 bei in die Bohrung 6 eingesetzten zylindrischen Fortsätzen frei bleibt. Bei diesem frei bleibenden Bereich handelt es sich - wie aus der Figur 2 ersichtlich ist - um den im Bereich der Nabe 1 liegenden Bereich Bl des Verdichterrades, in welchem im Betrieb des Verdichterrades lokal hohe Bauteilspannungen und -Dehnungen auftreten . In dem entsprechenden Verfahren wird unter Verwendung der in der Figur 2 gezeigten Vorrichtung hoher Druck in der Nabenbohrung 6 aufgebaut, wobei auf Grund dieses hohen Druckes in den Bereich Bl des Verdichterrades lokal bleibende Verformungen hervor¬ gerufen und dadurch Druckeigenspannungen eingebracht werden. Dies dient zu einer Reduzierung der mechanischen Mittelspannung im Betrieb, wodurch die Belastung des Verdichterrades im Betrieb herabgesetzt wird. Durch die Einbringung der Druckeigenspannungen in das Verdichterrad werden im Betrieb auf Grund der Fliehkraftbelastung auftretende Zugbeanspruchungen des Bauteiles reduziert.
Ein Vorteil des, mit Hilfe der in Figur 2 skizzierten Vorrichtung, durchführbaren Verfahren besteht darin, dass dieses Verfahren sich gut eignet, um im Rahmen einer Serienfertigung von
Verdichterrädern Anwendung zu finden.
Das Einbringen von Eigenspannungen, insbesondere Druckeigen- Spannungen, in den in der Figur 1 mit B2 bezeichneten Bereich des Radrückens 3 kann beispielsweise mit Hilfe eines
Rollierverfahrens unter Verwendung von Rollenkörpern erfolgen, die mit Hilfe einer programmierbaren Anordnung gesteuerter/geregelter Bewegungsachsen, wie sie zum Beispiel ein Indutrieroboter darstellt, unter Ausübung eines hohen Druckes über diesen Bereich gerollt werden. Die dadurch erzeugten Verformungen des Materials in diesem Bereich bringen die gewünschten Eigenspannugen im Material mit sich. Auch ein solches Verfahren kann in vorteilhafter Weise im Rahmen der Fertigung des Verdichterrades erfolgen. Das Verfahren des Rollierens kann darüber hinaus auch auf den Bereich B2 im Bereich der Nabenbohrung 6 und den Bereich der Schaufelanbindungsradien 12, B3 angewendet werden. Zum Einbringen von Druckeigenspannungen in den
Schaufelanbindungsradien im Rollierverfahren kann beispiels- weise ein Industrieroboteraufbau eingesetzt werden, der es ermöglicht, die Kontur der Schaufelanbindungsradien 12 während des Rollierens nachzufahren.
Des Weiteren können Druckeigenspannungen in den Bereichen Bl, B2 und B3 durch eine Beaufschalgung des Verdichterrades mit einer Überlastungsdrehzahl no realisiert werden. Ein möglicher Drehzahlverlauf des Verdichterrades bei Anwendung dieses Verfahrens ist in dem Drehzahl-Diagramm in Figur 3 dargestellt. Die Überlastungsdrehzahl no ist um den Differenzwert nD höher als die im Betrieb erlaubte Maximaldrehzahl ΠΜΑΧ des Abgasturbo¬ laders. Durch den Betrieb des Verdichterrades im Überlas¬ tungsdrehzahlbereich kommt es zur plastischen Verformung in den Bereichen Bl, B2 und B3, die Druckeigenspannungen in den Be- reichen Bl, B2 und B3 und somit eine geringere mechanische Mittelspannung im Betrieb bewirkt. Die Reduzierung der mechanischen MittelSpannung führt zur Erhöhung der Lebensdauer des Verdichterrades .
Die Überlastungsdrehzahl no kann beispielsweise während des ohnehin erforderlichen Wuchtprozesses im Fertigungsablauf realisiert werden. Die Figur 4 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung des Verlaufs der mechanischen Spannung σ im Verdichterrad in Abhängigkeit von der mechanischen Dehnung ε zum Einen bei einem Verdichterrad gemäß dem Stand der Technik und zum Anderen bei einem
Verdichterrad gemäß der Erfindung. Dabei ist im oberen, linken Bereich des Diagramms der Verlauf der Spannungs-Dehnungs-Kurve gemäß dem Stand der Technik, d.h. bei einem Verdichterrad ohne eingebrachte Eigenspannungen, und mit einer Mittelspannung o~ m,i gezeigt . Der daran anschließende Kurvenverlauf (gekennzeichnet durch das umschließende Oval) spiegelt die plastische Verformung beim Einbringen der Eigenspannugen wieder.
Im unteren Teil des Diagramms ist der Verlauf der Span- nungs-Dehnungs-Kurve bei einem Verdichterrad gemäß der Er¬ findung, d.h. mit im Verdichterrad eingebrachten Eigenspannungen und einer Mittelspannug om,2r dargestellt. Aus diesem Kurven¬ verlauf der Figur 4 ist ersichtlich, dass durch das Einbringen von Druckeigenspannungen in ein Verdichterrad, über lokale Plastifizierung des Materials, Zugbeanspruchungen des
Verdichterrades im Betrieb, die auf die Fliehkraftbelastung zurückzuführen sind, reduziert sind. Durch die Einbringung von Druckeigenspannungen wird die Mittelspannung im Betrieb von o~ m, i auf om,2 bei gleicher Spannungsamplitude o~ a reduziert.

Claims

Patentansprüche
1. Verdichterrad für einen Abgasturbolader, welches eine Nabe (1) mit einer zentrisch darin angeordneten Nabenbohrung (6), einen an die Nabe (1) radial nach außen anschließenden, einen Radrücken (3) aufweisenden, Flügel (2) und am Flügel (2) und der Nabe (1) angeordnete Verdichterschaufeln (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass im Material des Verdichterrades, in dem Bereich der Nabe (1) und/oder in dem Bereich des Radrückens (3) und/oder in durch Schaufelanbindungsradien (12) gekennzeichneten Übergangsbereichen zwischen Nabe (1), Flügel (2) und den Schaufeln (4), Eigenspannungen eingebracht sind.
2. Verdicheterrad gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenspannungen in den im Betrieb des Verdichterrades durch
Fliehkraftbelastungen am stärksten belasteten Bereich (Bl) der Nabe (1) und/oder in den im Betrieb des Verdichterrades durch Fliehkraftbelastungen am stärksten belasteten Bereich (B2) des Radrückens (3) und/oder in den im Betrieb des Verdichterrades durch Fliehkraftbelastungen am stärksten belasteten Bereichen (B3) der Schaufelanbindungsradien (12) lokal eingebracht sind.
3. Verfahren zum Einbringen der Eigenspannungen, in ein
Verdichterrad gemäß Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine definierte Überlastung und Verformung der am stärksten durch Fliehkraftbelastung belasteten Bereiche der Nabe (1), des Radrückens (3) und der Schaufelanbindungsradien (12) durch Beaufschlagung des Verdichterrades mit einer definierten Überlastungsdrehzahl (nu) , die größer ist als die maximale Arbeitsdrehzahl (nMax) r für die das Verdichterrad ausgelegt ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, zum Einbringen der Eigenspannungen in ein Verdichterrad gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beaufschlagung des Verdichterrades mit der Überlas- tungsdrehzahl (nu) , im Laufe eines Auswuchtprozesses des Verdichterrades erfolgt.
5. Verfahren zum Einbringen der Eigenspannungen, im Bereich der Nabe (1) eines Verdichterrads gemäß Anspruch 1 oder 2, ge¬ kennzeichnet durch folgende Schritte:
- Verschließen eines ersten Endbereichs der Nabenbohrung (6) mit einem ersten Deckel (7), an dem ein erster zylindrischer
Fortsatz (10) vorgesehen ist, der in die Nabenbohrung (6) hineinreicht und der an einer Innenfläche der Nabenbohrung (6) ausreichend dicht anliegt,
- Verschließen eines zweiten Endbereichs der Bohrung (6) mit einem zweiten Deckel ( 8 ) , an dem ein zweiter zylindrischer
Fortsatz (11) vorgesehen ist, der in die Nabenbohrung (6) hineinreicht und der an einer Innenfläche der Nabenbohrung ( 6 ) ausreichen dicht anliegt,
- wobei die axiale Länge der beiden zylindrischen Fortsätze (10,11) derart festgelegt ist, dass ein Teilbereich der
Nabenbohrung (6) bei in die Nabenbohrung (6) eingesetzten zylindrischen Fortsätzen (10,11) nicht durch die Fortsätze (10, 11) abgedeckt wird,
- Einbringen eines Druckmediums in die Nabenbohrung (6) unter Druck, durch eine im ersten Deckel (7) vorgesehenen Öffnung (9) und
- definierte Erhöhung des Druckes in der Nabenbohrung (6), so weit, dass in dem nicht abgedeckten Bereich der Nabenbohrung (6) eine definierte Verformung und damit verbundene Eigen- Spannungen im Bereich der Nabe (1) hervorgerufen werden.
6. Verfahren zum Einbringen der Eigenspannungen, in ein
Verdichterrad gemäß Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine definierte Oberflächenverformung in den Bereichen der Nabe (1) und/oder des Radrückens (3) und oder den Bereichen der Schaufelanbindungsradien (12) in einem Rollierverfahren mit Hilfe eines unter Anpressdruck gesteuert über die jeweiligen Bereiche des Verdichterrades geführten Rollenkörpers.
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