WO2013013755A1 - Verbindungsanordnung einer welle mit einem laufrad, sowie verfahren zum herstellen einer solchen verbindungsanordnung - Google Patents

Verbindungsanordnung einer welle mit einem laufrad, sowie verfahren zum herstellen einer solchen verbindungsanordnung Download PDF

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WO2013013755A1
WO2013013755A1 PCT/EP2012/002731 EP2012002731W WO2013013755A1 WO 2013013755 A1 WO2013013755 A1 WO 2013013755A1 EP 2012002731 W EP2012002731 W EP 2012002731W WO 2013013755 A1 WO2013013755 A1 WO 2013013755A1
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WO
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impeller
intermediate element
shaft
turbine wheel
exhaust gas
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PCT/EP2012/002731
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French (fr)
Inventor
Matthias DEUTSCHER
Jan Ehrhard
Dietmar FILSINGER
Farhad Haddadian
Timo HANENBERGER
Thomas Schramm
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Ihi Charging Systems International Gmbh
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Publication date
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    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/025—Fixing blade carrying members on shafts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/40—Application in turbochargers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/20—Manufacture essentially without removing material
    • F05D2230/21—Manufacture essentially without removing material by casting
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/10—Metals, alloys or intermetallic compounds
    • F05D2300/17—Alloys
    • F05D2300/174—Titanium alloys, e.g. TiAl

Definitions

  • the invention relates to a connection arrangement of a shaft with an impeller of an exhaust gas turbocharger according to the preamble of patent claim 1 and a method for producing such a connection arrangement according to the preamble of
  • intermetallic materials Due to their high specific strength, intermetallic materials are in the focus of attention for high-temperature applications. Their high brittleness and the associated crack sensitivity, especially when joining under the influence of temperature, however, complicate the manufacturing process of assemblies of components, which are formed from such intermetallic materials.
  • intermetallic materials in particular titanium aluminides
  • solder joints with the addition of a nickel-based solder.
  • methods such as compression or friction welding.
  • nickel-based alloys can be used as a composite material.
  • the connection between a first component, which is formed from the intermetallic material, and a second component, in particular when the first component and the second component are to be welded together proves to be problematic. Due to thermal stresses, non-isothermal temperature distribution (fusion welding process) or plastic deformation (friction welding), the risk of cracking increases in the brittle intermetallic materials.
  • Rotary component in particular a shaft with a turbine wheel of a
  • the shaft is indirectly connected to the rotary member. It is provided that the intermediate member is connected to the rotary member by means of a positive and / or non-positive connection, in particular a riveted joint.
  • Patent claim 1 and by a method for producing such
  • the first aspect of the invention relates to a connection arrangement of a shaft with an impeller, in particular a turbine wheel, an exhaust gas turbocharger.
  • the intermediate element and the impeller are interconnected by a casting process.
  • the intermediate element and the impeller are connected to one another by the casting process of the intermediate element or by the casting process of the impeller.
  • the impeller and the intermediate element can be connected to each other in a simple, time-consuming and cost-effective manner, which keeps the cost of the exhaust gas turbocharger low.
  • the intermediate element is at least partially poured into the impeller and / or cast on the impeller.
  • the intermediate element is urgeformt and produced, then the intermediate element is then at least partially poured into the impeller and / or cast on the impeller.
  • the impeller is at least partially poured into the intermediate element and / or cast on the intermediate element.
  • the already produced intermediate element is first provided.
  • the casting process is carried out, in the framework of which the impeller is formed and thus manufactured.
  • the still at least substantially liquid casting material for producing the impeller is cast at least partially against the already produced intermediate element on or into the intermediate element.
  • the impeller and the intermediate element via at least one
  • the impeller is formed of an intermetallic material, in particular of titanium aluminide (TiAl) or an at least highly heat-resistant alloy of nickel base or of a super nickel-based alloy.
  • TiAl titanium aluminide
  • the Impeller thus has a particularly high robustness, especially against thermal stresses on what the functional performance and the
  • the impeller is designed as a turbine wheel for a turbine of the exhaust gas turbocharger.
  • the turbine wheel is acted upon and driven by particularly hot exhaust gas.
  • Particularly in gasoline engines are particularly high exhaust gas temperatures, which strain the turbine wheel strong. Due to the corresponding configuration of the turbine wheel, however, it can endure this high, in particular thermal, stress and also fulfill its function over a long service life. It is understood that the connection arrangement according to the invention, however, also in other
  • Internal combustion engines such as diesel engines, Diesottmotorenen, gas engines, etc. can be used.
  • connection arrangement according to the invention makes it possible to assemble the assembly (impeller and intermediate element) in a timely and cost-effective manner by means of a thermal
  • the intermediate element is welded to the shaft.
  • a particularly strong connection of the assembly is shown with the shaft.
  • any particular conventional welding process can be carried out as the welding process. Due to the thermal decoupling of the impeller and in particular of the material of the impeller via the intermediate element, the above-described problems and difficulties in the joining of an intermetallic material from which the Impeller, for example, is formed, occur, avoided or at least largely reduced.
  • the material of the intermediate element can be selected largely freely. Parameters to be considered in the choice of the material of the intermediate element are, for example, the same or at least substantially similar
  • the intermediate element is made of a
  • the material of the intermediate element is received, for example, at least partially in the impeller and / or at least partially in the shaft, then the material of the intermediate element.
  • connection point between the intermediate element and the impeller is structurally designed such that, taking into account expected mechanical stresses that occur during operation, rotation, tilting and / or axial displacement of the intermediate element relative to the impeller are avoided.
  • the intermediate element and the turbine wheel are connected to each other via at least one positive connection.
  • a positive connection may be, for example, a multi-tooth.
  • the shaft is formed from a steel, in particular from a steel alloy.
  • the shaft can be adapted and configured at least substantially optimally to its desired function and at the same time realizing low costs.
  • the wave can have advantageous storage properties to store them friction and defined on a bearing housing of the exhaust gas turbocharger.
  • the shaft can be welded so advantageous with the intermediate element, whereby the impeller can be welded time-consuming and cost-effective with the shaft through the intermediary of the intermediate element.
  • the impeller is by means of the
  • the second aspect of the invention relates to a method for producing a
  • the intermediate element and the impeller are interconnected by a casting process.
  • Advantageous embodiments of the first aspect of the invention are to be regarded as advantageous embodiments of the second aspect of the invention and vice versa.
  • the intermediate element and the impeller can be particularly time-consuming and cost-effective interconnected. At the same time, this makes it possible, following the casting process, the assembly of the impeller and the
  • Intermediate element by a thermal joining method, in particular by welding to connect to the shaft, for example by the intermediate element is welded to the shaft.
  • the impeller is thermally decoupled during welding, so that the impeller or its material is not adversely affected by the high temperatures occurring during welding and thus, for example, no cracks occur in the material of the impeller.
  • the inventive method not only allows the time and cost-effective connection of the intermediate member with the impeller, but also a simple and therefore also time and cost-effective connection of the assembly with the shaft, without having to use, for example, filler metals for welding. It has proven to be advantageous if the impeller at least partially in the
  • the already produced, for example cast, intermediate element is at least partially arranged in an impeller model, i. implemented.
  • the impeller model is, for example, a wax model, which represents a positive model of the impeller to be produced and by means of which the impeller is produced in a further investment casting process as the casting process, for example by immersion, sanding, model casting.
  • the liquid cast material from which the impeller is produced is at least partially cast on and / or cast into the intermediate element, so that the
  • Fig. 1 is a schematic longitudinal sectional view of a rotor of a
  • Exhaust gas turbocharger comprising a turbine wheel and a shaft, which are interconnected by means of an intermediate element, wherein the intermediate element and the turbine wheel are connected to each other by casting the turbine wheel or the Eiseneiements;
  • FIG. 2 shows a schematic longitudinal sectional view of the turbine wheel with the intermediate element according to FIG. 1 connected thereto;
  • Fig. 3 is a schematic longitudinal sectional view of a rotor according to a
  • the rotor 10 for an exhaust gas turbocharger of an internal combustion engine designed, for example, as a reciprocating internal combustion engine.
  • the rotor 10 includes a shaft 12 and a turbine wheel.
  • the turbine wheel 14 is at least partially in a receiving space of a turbine housing of the
  • the turbine housing has at least one
  • the turbine is, for example, a radial turbine, in which the turbine wheel 14 is at least substantially flowed in the radial direction of the exhaust gas and thus acted upon. By this, the turbine wheel 14 with the exhaust gas turns the
  • Turbine wheel 14 and with this the entire rotor 10 about an axis of rotation 16.
  • the turbine 14 may be a turbine of a so-called ixed-flow turbine, wherein in a mixed-flow turbine, the turbine wheel is radially and semi-axially or axially antrömbar.
  • the shaft 12 is at least partially to be arranged in a bearing housing of the exhaust gas turbocharger and rotatably supported by a bearing means about the rotation axis 16 relative to the bearing housing on this.
  • the turbine wheel 14 is non-rotatably connected to the shaft 12.
  • a compressor of a compressor of the exhaust gas turbocharger is also rotatably connected, so that the compressor wheel via the turbine wheel 14 and the shaft 12 is driven.
  • the rotor 10 could also be a rotor of a gas turbine.
  • the exhaust gas flowing around the turbine wheel 14 and thereby driving it can have very high temperatures. Furthermore, particularly high rotational speeds of the rotor 10 around the axis of rotation 16 may occur. This combination of thermal stress and Stress by centrifugal force represents a high load of the turbine wheel 14.
  • the turbine wheel 14 is therefore formed, for example, at least substantially of titanium aluminide (TiAl) or another intermetallic material.
  • TiAl titanium aluminide
  • the turbine wheel 14 has a particularly high specific strength, in particular with regard to high thermal
  • intermetallic materials have a relatively high brittleness and associated crack sensitivity, which makes it difficult to join the turbine wheel 14 with the shaft 12, in particular under the influence of temperature as in welding.
  • an intermediate element 18 is provided, by means of which the turbine wheel 14 is connected to the shaft 12.
  • Turbine wheel 14 are connected to each other by a casting process of the turbine wheel 14 or the intermediate element 18.
  • liquid casting material of the turbine wheel 14 provided at least partially to the liquid casting material of the turbine wheel 14 and / or in the already produced, for example, also by casting intermediate element 18 or pour.
  • the connection of the turbine wheel 14 with the intermediate element 18 is associated with the primary forming and thus with the manufacture of the turbine wheel 14 or of the intermediate element 18.
  • the turbine wheel 14 and the intermediate element 18 are connected to one another via at least one positive connection. Due to the positive connection, the turbine wheel and the intermediate element 18 are fixed relative to one another, in particular in the axial direction of the rotor 10 and thus of the turbine wheel 14. Alternatively or additionally, the
  • formed shaft 12 has.
  • Intermediate element 18 are particularly time-consuming and inexpensive welded to the shaft 12.
  • any type of welding process can be carried out.
  • a welding process can be carried out. For example, a
  • the intermediate member 18 acts as a decoupling element, by means of which the turbine wheel 14 is in particular thermally decoupled from the heat input by the welding. This avoids undesirable degradation of the turbine wheel 14 and especially its intermetallic material due to the heat generated during welding, so that the turbine wheel is not undesirably pre-damaged already during welding of the assembly to the shaft 12 and
  • a cavity 20 or a cavity is formed between the intermediate element 18 and the shaft 12 in the region of the axis of rotation 16, wherein this cavity 20 has a function of a heat choke.
  • the cavity extends in the radial direction over a diameter of the shaft end, which is connected to the intermediate piece 18.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbindungsanordnung (10) einer Welle (12) mit einem Laufrad (14), insbesondere einem Turbinerad (14), eines Abgasturboladers, bei welcher das Laufrad (14) und die Welle (12) unter Vermittlung eines Zwischenelements (18) miteinander verbunden sind, wobei das Zwischenelement (18) und das Laufrad (14) durch einen Gießprozess miteinander verbunden sind, sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Verbindungsanordnung (10).

Description

Verbindungsanordnung einer Welle mit einem Laufrad, sowie Verfahren zum Herstellen einer solchen Verbindungsanordnung
Die Erfindung betrifft eine Verbindungsanordnung einer Welle mit einem Laufrad eines Abgasturboladers nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Verbindungsanordnung nach dem Oberbegriff von
Patentanspruch 7.
Intermetallische Werkstoffe stehen aufgrund ihrer hohen spezifischen Festigkeit im Blickfeld für Hochtemperaturanwendungen. Ihre hohe Sprödigkeit und die damit verbundene Rissempfindlichkeit, vor allem beim Fügen unter Temperatureinfluss, erschweren jedoch den Herstellungsprozess von Zusammenbauten von Bauteilen, welche aus derartigen intermetallischen Werkstoffen gebildet sind.
Es hat sich gezeigt, dass das Fügen von intermetallischen Werkstoffen, insbesondere von Titanaluminiden, mit hochwarmfesten Werkstoffen oder auch Stahllegierungen sehr schwierig ist. Es ist bekannt, Lötverbindungen unter Zugabe eines Nickelbasis-Lots einzusetzen. Ebenso möglich ist es, Verfahren wie Press- oder Reibschweißen zu verwenden. Hierbei können Nickelbasislegierungen als Verbundmaterial verwendet werden. Als problematisch erweist sich dabei die Verbindung zwischen einem ersten Bauteil, das aus dem intermetallischen Werkstoff gebildet ist, und einem zweiten Bauteil, insbesondere wenn das erste Bauteil und das zweite Bauteil miteinander verschweißt werden sollen. Aufgrund von Thermospannungen, nicht-isothermer Temperaturverteilung (Schmelzschweißverfahren) oder plastischer Verformung (Reibschweißen) erhöht sich die Gefahr der Rissbildung in den spröden intermetallischen Werkstoffen.
Die DE 10 2008 008 857 A1 offenbart eine Verbindung einer Welle mit einem
Rotationsbauteil, insbesondere einer Welle mit einem Turbinenrad eines
Abgasturboladers, wobei ein Zwischenbauteil vorgesehen ist. Mittels des
Zwischenbauteils ist die Welle mit dem Rotationsbauteil mittelbar verbunden. Dabei ist vorgesehen, dass das Zwischenbauteil mit dem Rotationsbauteil mittels einer form- und/oder kraftschlüssigen Verbindung, insbesondere einer Nietverbindung, verbunden ist.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verbindungsanordnung einer Welle mit einem Laufrad eines Abgasturboladers sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Verbindungsanordnung bereit zustellen, durch welche die eingangs genannten Probleme zumindest reduziert sind.
Diese Aufgabe wird durch eine Verbindungsanordnung mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Herstellen einer solchen
Verbindungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Der erste Aspekt der Erfindung betrifft eine Verbindungsanordnung einer Welle mit einem Laufrad, insbesondere einem Turbinenrad, eines Abgasturboladers. Bei dieser
Verbindungsanordnung sind das Laufrad und die Welle unter Vermittlung eines
Zwischenelements miteinander verbunden.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Zwischenelement und das Laufrad durch einen Gießprozess miteinander verbunden sind. Dies bedeutet, dass das
Zwischenelement und/oder das Laufrad als ein Gussbauteil ausgebildet ist. Das
Zwischenelement und/oder das Laufrad ist also durch ein Gießverfahren hergestellt. Dabei erfolgt durch diesen Gießprozess bzw. dieses Gießverfahren zur Herstellung des Laufrads bzw. des Zwischenelements die Verbindung des Laufrads mit dem
Zwischenelement. Wird somit das Laufrad bzw. das Zwischenelement durch das
Gießverfahren bzw. den Gießprozess hergestellt, so geht damit gleichzeitig die
Verbindung des Laufrads mit dem Zwischenelement einher. Mit anderen Worten sind das Zwischenelement und das Laufrad durch den Gießprozess des Zwischenelements oder durch den Gießprozess des Laufrads miteinander verbunden. Dadurch können das Laufrad und das Zwischenelement auf einfache, zeit- und kostengünstige Weise miteinander verbunden werden, was die Kosten des Abgasturboladers gering hält.
Ferner ist es dadurch möglich, den Zusammenbau aus dem Laufrad und dem mit dem Laufrad verbundenen Zwischenelement auf einfache, zeit- und kostengünstige Weise mit der Welle zu verbinden. Dabei können die eingangs geschilderten Probleme hinsichtlich des Auftretens von insbesondere thermisch bedingten Rissen vermieden werden. Auch kann der Aufwand zum Verbinden des Laufrads mit dem Zwischenelement sowie des Zusammenbaus mit der Welle in einem geringen Rahmen gehalten werden, was mit einer zeit- und kostengünstigen Herstellung des gesamten Abgasturboladers einhergeht.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Zwischenelement zumindest teilweise in das Laufrad eingegossen und/oder an das Laufrad angegossen. Dies bedeutet, dass im Rahmen der Herstellung der erfindungsgemäßen
Verbindungsanordnung zunächst das bereits hergestellte Laufrad bereitgestellt wird. Im Rahmen des Gießprozesses, durch welchen das Zwischenelement urgeformt und hergestellt wird, wird dann das Zwischenelement entsprechend zumindest teilweise in das Laufrad eingegossen und/oder an das Laufrad angegossen. Mit anderen Worten wird der zumindest im Wesentlichen flüssige Gusswerkstoff zum Herstellen des
Zwischenelements zumindest teilweise in das Laufrad eingegossen und/oder an dieses angegossen. Damit geht das Herstellen des Zwischenelements parallel mit dem
Verbinden des Zwischenelements mit dem Laufrad einher. Dies ermöglicht eine besonders vorteilhafte und auch über eine hohe Lebensdauer feste Verbindung des Zwischenelements mit dem Laufrad. Insbesondere können dadurch das Laufrad und das Zwischenelement über wenigstens einen Hinterschnitt und eine daraus resultierende Hintergreifung miteinander verbunden werden, woraus eine besonders feste Verbindung resultiert.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Laufrad zumindest teilweise in das Zwischenelement eingegossen und/oder an das Zwischenelement angegossen. Dies bedeutet, dass bei der Herstellung der Verbindungsanordnung zunächst das bereits hergestellte Zwischenelement bereitgestellt wird. Anschließend wird der Gießprozess durchgeführt, in dessen Rahmen das Laufrad urgeformt und so hergestellt wird. Dabei wird der noch zumindest im Wesentlichen flüssige Gusswerkstoff zum Herstellen des Laufrads an das bereits hergestellte Zwischenelement zumindest teilweise an bzw. in das Zwischenelement zumindest teilweise eingegossen. Auch dies führt zu einer besonders vorteilhaften und festen Verbindung. Insbesondere ist es auch dadurch möglich, das Laufrad und das Zwischenelement über wenigstens einen
Hinterschnitt und einer daraus resultierenden Hintergreifung der Werkstoffe des
Zwischenelements und des Laufrads miteinander zu verbinden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist das Laufrad aus einem intermetallischen Werkstoff, insbesondere aus Titanaluminid (TiAl) oder einer zumindest hochwarmfesten Legierung aus Nickelbasis oder aus einer Super-Nickelbasislegierung gebildet. Das Laufrad weist somit eine besonders hohe Robustheit insbesondere gegenüber thermischen Beanspruchungen auf, was der Funktionserfüllung sowie der
Betriebssicherheit des Abgasturboladers auch über eine hohe Lebensdauer hinweg zugute kommt. Das Laufrad ist damit auch sehr robust gegenüber
Fliehkraftbeanspruchungen ausgebildet, welche insbesondere in Kombination mit thermischen Beanspruchungen zu einer hohen Belastung des Laufrads führen. Diese hohen Belastungen kann das Laufrad der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung jedoch über eine sehr hohe Lebensdauer hinweg zumindest im Wesentlichen schadfrei ertragen. Dadurch kann der Abgasturbolader beispielsweise mit sehr hohen Drehzahlen des Laufrads betrieben werden, was dem effizienten Betrieb des Abgasturboladers zugute kommt.
Daraus ist es ersichtlich, dass die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung
insbesondere dann vorteilhaft ist, wenn das Laufrad als Turbinenrad für eine Turbine des Abgasturboladers ausgebildet ist. Während des Betriebs des Abgasturboladers wird das Turbinenrad von besonders heißem Abgas beaufschlagt und angetrieben. Insbesondere bei Ottomotoren liegen besonders hohe Abgastemperaturen vor, die das Turbinenrad stark beanspruchen. Aufgrund der entsprechenden Ausgestaltung des Turbinenrads kann es diese hohe insbesondere thermische Beanspruchung jedoch ertragen und seine Funktion auch über eine hohe Lebensdauer hinweg erfüllen. Es versteht sich, dass die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung jedoch auch bei anderweitigen
Verbrennungskraftmaschinen, so beispielsweise bei Dieselmotoren, Diesottomotoren, Gasmotoren etc. zum Einsatz kommen kann.
Die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung ermöglicht es, den Zusammenbau (Laufrad und Zwischenelement) zeit- und kostengünstig durch ein thermisches
Fügverfahren mit der Welle zu verbinden, ohne dass es zu einer unerwünschten
Rissbildung und/oder anderweitigen Vorschädigungen insbesondere des Laufrads und/oder des Zwischenelements kommt.
So ist bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass das Zwischenelement mit der Welle verschweißt ist. Dadurch ist eine besonders feste Verbindung des Zusammenbaus mit der Welle dargestellt. Als Schweißverfahren kann dabei jedweder insbesondere konventionelle Schweißprozess durchgeführt werden. Durch die thermische Entkopplung des Laufrads und insbesondere des Werkstoffs des Laufrads über das Zwischenelement können die eingangs geschilderten Probleme und Schwierigkeiten, die beim Fügen eines intermetallischen Werkstoff, aus welchem das Laufrad beispielsweise gebildet ist, auftreten, vermieden oder zumindest weitgehend reduziert werden.
Dabei kann der Werkstoff des Zwischenelements weitgehend frei gewählt werden. Zu berücksichtigende Parameter bei der Wahl des Werkstoffes des Zwischenelements sind beispielsweise gleiche oder zumindest im Wesentlichen ähnliche
Wärmeausdehnungskoeffizienten des Werkstoffs des Zwischenelements und des Werkstoffs des Laufrads. Vorteilhafterweise ist das Zwischenelement aus einem
Werkstoff gebildet, der eine vorteilhafte Schweißeignung mit dem Werkstoff der Welle aufweist.
Ist das Zwischenelement beispielsweise zumindest teilweise in dem Laufrad und/oder zumindest teilweise in der Welle aufgenommen, so weist der Werkstoff des
Zwischenelements vorteilhafterweise einen insbesondere geringfügig höheren
Wärmeausdehnungskoeffizienten auf als der Werkstoff des Laufrads bzw. der Welle auf. So kann unter Temperatureinfluss ein radiales Verspannen und somit eine feste
Verbindung zwischen dem Zwischenelement und dem Laufrad bzw. der Welle
gewährleistet werden. Allerdings ist auch hierbei die Sprödigkeit des gegebenenfalls verwendeten intermetallischen Werkstoffs zu beachten, um mechanische Überlastungen zu vermeiden.
Vorteilhafterweise ist eine Verbindungsstelle zwischen dem Zwischenelement und dem Laufrad konstruktiv derart gestaltet, dass unter Berücksichtigung von zu erwartenden und während des Betriebs auftretenden mechanischen Spannungen Rotation, Verkippen und/oder axialer Versatz des Zwischenelements relativ zu dem Laufrad vermieden sind.
Vorteilhafterweise sind das Zwischenelement und das Turbinenrad über wenigstens einen Formschluss miteinander verbunden. Bei einem solchen Formschluss kann es sich beispielsweise um einen Vielzahn handeln. Dabei weisen das Zwischenelement und das Laufrad jeweilige Verzahnungen auf, über welche sie in Umfangsrichtung und/oder insbesondere in axialer Richtung formschlüssig miteinander verbunden sind.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Welle aus einem Stahl, insbesondere aus einer Stahllegierung, gebildet. Somit kann die Welle zumindest im Wesentlichen optimal auf ihre erwünschte Funktion hin angepasst und ausgestaltet werden bei gleichzeitiger Realisierung geringer Kosten. Insbesondere kann die Welle dadurch vorteilhafte Lagereigenschaften aufweisen, um sie reibungsarm und definiert an einem Lagergehäuse des Abgasturboladers zu lagern.
Ferner kann die Welle so vorteilhaft mit dem Zwischenelement verschweißt werden, wodurch das Laufrad unter Vermittlung des Zwischenelements zeit- und kostengünstig mit der Welle verschweißt werden kann. Dabei ist das Laufrad mittels des
Zwischenelements während des Verschweißens thermisch entkoppelt, um so
Rissbildungen des Laufrads zu vermeiden. Ferner weist der Werkstoff des
Zwischenelements vorteilhafterweise eine bessere Schweißbarkeit auf als der Werkstoff des Laufrads, so dass der Zusammenbau besonders fest mit der Welle durch Schweißen verbunden kann.
Der zweite Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer
Verbindungsanordnung einer Welle mit einem Laufrad, insbesondere einem Turbinenrad, eines Abgasturboladers. Bei dem Verfahren werden das Laufrad und die Welle unter Vermittlung eines Zwischenelements miteinander verbunden.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Zwischenelement und das Laufrad durch einen Gießprozess miteinander verbunden werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt.
Durch den Gießprozess können das Zwischenelement und das Laufrad besonders zeit- und kostengünstig miteinander verbunden werden. Gleichzeitig ist es dadurch ermöglicht, im Anschluss an den Gießprozess den Zusammenbau aus dem Laufrad und dem
Zwischenelement durch ein thermisches Fügverfahren, insbesondere durch Schweißen, mit der Welle zu verbinden, indem beispielsweise das Zwischenelement mit der Welle verschweißt wird. Mittels des Zwischenelements ist das Laufrad während des Schweißens thermisch entkoppelt, so dass das Laufrad bzw. dessen Werkstoff nicht durch die beim Schweißen auftretenden hohen Temperaturen negativ beeinträchtigt wird und somit beispielsweise keine Risse im Werkstoff des Laufrads auftreten.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht nicht nur die zeit- und kostengünstige Verbindung des Zwischenelements mit dem Laufrad, sondern auch eine einfache und somit ebenfalls zeit- und kostengünstige Verbindung des Zusammenbaus mit der Welle, ohne beispielsweise Zusatzwerkstoffe zum Schweißen verwenden zu müssen. Als vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn das Laufrad zumindest teilweise in das
Zwischenelement eingegossen und/oder an das Zwischenelement angegossen wird, wobei zeitlich vorher das hergestellte Zwischenelement in und/oder an einer Form angeordnet wird, mittels welcher im Anschluss daran das Laufrad durch Gießen, d.h. den Gießprozess, hergestellt wird. Dabei wird beispielsweise das bereits hergestellte, beispielsweise gegossene, Zwischenelement zumindest teilweise in einem Laufradmodell angeordnet, d.h. implementiert. Bei dem Laufradmodell handelt es sich beispielsweise um ein Wachsmodell, das ein positives Modell des herzustellenden Laufrads darstellt und mittels dessen das Laufrad in einem weiteren Feingussprozess als der Gießprozess beispielsweise durch Tauchen, Besanden, Modellausschmelzen hergestellt wird.
Durch diese Implementierung des Zwischenelements in dem Laufradmodell wird der flüssige Gusswerkstoff, aus welchem das Laufrad hergestellt wird, zumindest teilweise an das Zwischenelement angegossen und/oder in dieses eingegossen, so dass das
Verbinden des Laufrads mit dem Umformen und damit mit dem Herstellen dieses durch den Gießprozess zeitgleich einhergeht.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und
Merkmalskombinationen sowie nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
Fig. 1 eine schematische Längsschnittansicht eines Rotors eines
Abgasturboladers, mit einem Turbinenrad und einer Welle, die unter Vermittlung eines Zwischenelements miteinander verbunden sind, wobei das Zwischenelement und das Turbinenrad durch Gießen des Turbinenrads oder des Zwischeneiements miteinander verbunden sind; Fig. 2 eine schematische Längsschnittansicht des Turbinenrads mit dem mit diesem verbundenen Zwischenelement gemäß Fig. 1.; und
Fig. 3 eine schematische Längsschnittansicht eines Rotors gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel .
Die Fig. 1 zeigt einen Rotor 10 für einen Abgasturbolader einer beispielsweise als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine. Der Rotor 10 umfasst eine Welle 12 sowie ein Turbinenrad . Das Turbinenrad 14 ist dabei zumindest teilweise in einem Aufnahmeraum eines Turbinengehäuses des
Abgasturboladers anzuordnen. Das Turbinengehäuse weist wenigstens einen
Zuführkanal auf, über welchen Abgas der Verbrennungskraftmaschine dem
Aufnahmeraum und damit dem Turbinenrad 14 zuführbar ist. Bei der Turbine handelt es sich beispielsweise um eine Radialturbine, bei welcher das Turbinenrad 14 zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung von dem Abgas angeströmt und so beaufschlagt wird. Durch dieses Beaufschlagen des Turbinenrads 14 mit dem Abgas dreht sich das
Turbinenrad 14 und mit diesem der gesamte Rotor 10 um eine Drehachse 16. Ebenso könnte das Turbinenrad 14 ein Turbinenrad einer so genannten ixed-flow Turbine sein, wobei bei einer Mixed-flow Turbine das Turbinenrad radial als auch halb-axial oder axial antrömbar ist.
Dazu ist die Welle 12 zumindest teilweise in einem Lagergehäuse des Abgasturboladers anzuordnen und mittels einer Lagereinrichtung um die Drehachse 16 relativ zu dem Lagergehäuse drehbar an diesem zu lagern. Zum Antreiben des Rotors 10 mittels des Turbinenrads 4 ist das Turbinenrad 14 drehfest mit der Welle 12 verbunden. Mit der Welle 12 ist ferner ein Verdichterrad eines Verdichters des Abgasturboladers drehfest zu verbinden, so dass das Verdichterrad über das Turbinenrad 14 und die Welle 12 angetrieben wird. Mittels des Verdichterrads kann dadurch der
Verbrennungskraftmaschine zuzuführende Luft verdichtet werden, so dass die
Verbrennungskraftmaschine besonders effizient betrieben werden kann. Ebenso könnte der Rotor 10 auch ein Rotor einer Gasturbine sein.
Das das Turbinenrad 14 umströmende und dadurch antreibende Abgas kann sehr hohe Temperaturen aufweisen. Ferner können besonders hohe Drehzahlen des Rotors 10 um die Drehachse 16 auftreten. Diese Kombination aus thermischer Beanspruchung und Beanspruchung durch Fliehkrafteinwirkung stellt eine hohe Belastung des Turbinenrads 14 dar.
Um diese hohe Belastung auch über eine hohe Lebensdauer hinweg zumindest im Wesentlichen schadfrei ertragen zu können, ist das Turbinenrad 14 daher beispielsweise zumindest im Wesentlichen aus Titanaluminid (TiAl) oder einem anderweitigen intermetallischen Werkstoff gebildet. Dadurch weist das Turbinenrad 14 eine besonders hohe spezifische Festigkeit insbesondere hinsichtlich hoher thermischer
Beanspruchungen auf. Intermetallische Werkstoffe weisen jedoch eine relativ hohe Sprödigkeit und eine damit verbundene Rissempfindlichkeit auf, was ein Fügen des Turbinenrads 14 mit der Welle 12 insbesondere unter Temperatureinfluss wie beim Verschweißen erschwert.
Um nun dennoch eine einfache, zeit- und kostengünstige sowie drehfeste Verbindung zwischen dem Turbinenrad 14 und der Welle 12 zu ermöglichen, ist ein Zwischenelement 18 vorgesehen, unter dessen Vermittlung das Turbinenrad 14 mit der Welle 12 verbunden ist. Das Zwischenelement 18, welches auch als Einsatz bezeichnet wird, und das
Turbinenrad 14 sind dabei durch einen Gießprozess des Turbinenrads 14 oder des Zwischenelements 18 miteinander verbunden.
Zur Verbindung des Turbinenrads 14 mit dem Zwischenelement 18 ist somit
beispielsweise vorgesehen, den flüssigen Gusswerkstoff des Turbinenrads 14 zumindest teilweise an und/oder in das bereits beispielsweise ebenfalls durch Gießen hergestellte Zwischenelement 18 anzugießen bzw. einzugießen.
Ebenso kann vorgesehen sein, den flüssigen Gusswerkstoff des Zwischenelements 18 zumindest teilweise an und/oder in das bereits beispielsweise durch Gießen hergestellte Turbinenrad 14 anzugießen bzw. einzugießen. Dies bedeutet, dass das Verbinden des Turbinenrads 14 mit dem Zwischenelement 18 mit dem Urformen und damit mit dem Herstellen des Turbinenrads 14 bzw. des Zwischenelements 18 einhergeht.
Wie insbesondere der Fig. 2 zu entnehmen ist, kann dabei vorgesehen sein, dass das Turbinenrad 14 und das Zwischenelement 18 über wenigstens einen Formschluss miteinander verbunden sind. Durch den Formschluss sind das Turbinenrad und das Zwischenelement 18 insbesondere in axialer Richtung des Rotors 10 und damit des Turbinenrads 14 relativ zueinander fixiert. Alternativ oder zusätzlich kann der
Formschluss auch eine Fixierung des Turbinenrads 14 und des Zwischenelements 18 in Umfangsrichtung des Rotors 10 und damit des Turbinenrads 14 gewährleisten. Dadurch ist eine besondere feste Verbindung zwischen dem Turbinenrad 14 und dem
Zwischenelement 18 dargestellt, welche auf zeit- und kostengünstige Weise herzustellen ist.
Des Weiteren ist vorgesehen, dass der Werkstoff des Zwischenelements 18 im Vergleich zum Werkstoff des Turbinenrads 14 eine bessere Verschweißbarkeit mit der
beispielsweise aus einem Stahl, insbesondere einer Stahllegierung, gebildeten Welle 12 aufweist. Dadurch kann der Zusammenbau aus dem Turbinenrad 14 und dem
Zwischenelement 18 besonders zeit- und kostengünstig mit der Welle 12 verschweißt werden. Zum Verschweißen des Zwischenelements 18 und der Welle 12 kann jedwede Art von Schweißverfahren durchgeführt werden. Beispielsweise wird ein
Elektronenstrahlschweißen durchgeführt.
Bei dem Verschweißen des Zusammenbaus mit der Welle 12 über das Zwischenelement 18 fungiert das Zwischenelement 18 als Entkopplungselement, mittels welchem das Turbinenrad 14 insbesondere thermisch von dem Wärmeeintrag durch das Schweißen entkoppelt ist. Dadurch ist eine unerwünschte Beeinträchtigung des Turbinenrads 14 und insbesondere dessen intermetallischen Werkstoffs durch die beim Schweißen auftretende Wärme vermieden, so dass das Turbinenrad nicht unerwünschterweise bereits beim Verschweißen des Zusammenbaus mit der Welle 12 vorgeschädigt wird und
gegebenenfalls Risse entstehen. Somit ermöglicht das Verbinden des Zwischenelements 18 mit dem Turbinenrad 14 durch den Gießprozess nicht nur eine zeit- und
kostengünstige Verbindung des Zwischenelements 18 mit dem Turbinenrad 14, sondern auch eine zeit- und kostengünstige Verbindung des Zusammenbaus (Turbinenrad 14 und Zwischenelement 18) mit der Welle 12. Insbesondere ist es nicht notwendig, beim
Verbinden des Turbinenrads 14 mit dem Zwischenelement 18 sowie beim Verbinden des Zwischenelements 18 mit der Welle 12 Zusatzwerkstoffe vorzusehen und/oder einen anderweitigen zusätzlichen Aufwand zu betreiben.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3, ist zwischen dem Zwischenelement 18 und der Welle 12 im Bereich der Drehachse 16 ein Hohlraum 20 bzw. eine Kavität ausgebildet, wobei dieser Hohlraum 20 eine Funktion einer Wärmedrossel aufweist. Der Hohlraum erstreckt sich in radialer Richtung über einen Durchmesser des Wellenendes, welches mit dem Zwischenstück 18 verbunden ist.

Claims

Patentansprüche
1. Verbindungsanordnung (10) einer Welle (12) mit einem Laufrad (14), insbesondere einem Turbinerad (14), eines Abgasturboladers, bei welcher das Laufrad (14) und die Welle (12) unter Vermittlung eines Zwischenelements (18) miteinander verbunden sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Zwischenelement (18) und das Laufrad (14) durch einen Gießprozess miteinander verbunden sind.
2. Verbindungsanordnung (10) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Zwischenelement (18) zumindest teilweise in das Laufrad (14) eingegossen und/oder an das Laufrad (14) angegossen ist.
3. Verbindungsanordnung (10) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Laufrad (14) zumindest teilweise in das Zwischenelement (18) eingegossen und/oder an das Zwischenelement (18) angegossen ist.
4. Verbindungsanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Laufrad (14) aus einem intermetallischen Werkstoff, insbesondere aus Titanaluminid, oder einer zumindest hochwarmfesten Legierung auf Nickelbasis oder aus einer Super-Nickelbasislegierung gebildet ist.
5. Verbindungsanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das Zwischenelement (18) mit der Welle (12) verschweißt ist.
6. Verbindungsanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Welle (12) aus einem Stahl, insbesondere einer Stahllegierung, gebildet ist.
7. Verfahren zum Herstellen einer Verbindungsanordnung (10) einer Welle (12) mit einem Laufrad (14), insbesondere einem Turbinerad (14), eines Abgasturboladers, bei welchem das Laufrad (14) und die Welle (12) unter Vermittlung eines
Zwischenelements (18) miteinander verbunden werden,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Zwischenelement (18) und das Laufrad (14) durch einen Gießprozess miteinander verbunden werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Zwischenelement (18) zumindest teilweise in das Laufrad (14) eingegossen und/oder an das Laufrad (14) angegossen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Laufrad (14) zumindest teilweise in das Zwischenelement (18) eingegossen und/oder an das Zwischenelement (18) angegossen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
das hergestellte Zwischenelement (18) in und/oder an einer Form angeordnet wird, mittels welcher im Anschluss daran das Laufrad (14) durch Gießen hergestellt wird.
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