WO2014032825A1 - Turbinenläufer eines abgasturboladers - Google Patents

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WO2014032825A1
WO2014032825A1 PCT/EP2013/062205 EP2013062205W WO2014032825A1 WO 2014032825 A1 WO2014032825 A1 WO 2014032825A1 EP 2013062205 W EP2013062205 W EP 2013062205W WO 2014032825 A1 WO2014032825 A1 WO 2014032825A1
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shaft
impeller
hub extension
turbine rotor
hub
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PCT/EP2013/062205
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Inventor
Klaus Daut
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • 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
    • F01D5/30—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • 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
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B47/00—Methods of operating engines involving adding non-fuel substances or anti-knock agents to combustion air, fuel, or fuel-air mixtures of engines
    • F02B47/04—Methods of operating engines involving adding non-fuel substances or anti-knock agents to combustion air, fuel, or fuel-air mixtures of engines the substances being other than water or steam only
    • F02B47/08—Methods of operating engines involving adding non-fuel substances or anti-knock agents to combustion air, fuel, or fuel-air mixtures of engines the substances being other than water or steam only the substances including exhaust gas
    • 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
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49316—Impeller making
    • Y10T29/4932—Turbomachine making
    • Y10T29/49321—Assembling individual fluid flow interacting members, e.g., blades, vanes, buckets, on rotary support member

Definitions

  • the invention relates to a turbine rotor of a turbocharger of an internal combustion engine having the features of the preamble of claim 1 and a method having the features of the preamble of claim 9.
  • Turbochargers in particular exhaust gas turbochargers, are provided by the use of the exhaust gas energy to increase the performance of internal combustion engines.
  • Exhaust gas turbochargers include impellers which are connected via a mounted within a bearing housing of the exhaust gas turbocharger shaft.
  • a first impeller, the turbine wheel driven by the exhaust gas flow of the internal combustion engine, is connected via the shaft to a second compressor wheel associated with the intake tract of the internal combustion engine.
  • the compressor wheel increases the pressure, whereby more oxygen enters the intake system and a larger amount of fuel can be injected, resulting in an increase in power of the internal combustion engine.
  • the power and the maximum torque of the internal combustion engine can be significantly increased with the aid of the exhaust gas turbocharger.
  • a shaft connects the turbine wheel with the compressor wheel, which together form a turbine rotor.
  • turbochargers may have speeds of> 250,000 rpm. At these speeds, the compressor wheel and / or the turbine wheel are stretched radially and axially shortened due to the centrifugal forces, which can set a changed imbalance. Furthermore, an imbalance change which also causes whistling noise can further lead to a complete failure of the turbocharger and cause consequential damage to the internal combustion engine. Due to this component stress, a secure connection of all components of the turbine rotor is necessary to allow trouble-free operation of the turbocharger.
  • the wheel mounting on the shaft of the turbine runner is therefore crucial for the reliability of the exhaust gas turbocharger.
  • EP 1 502 008 B1 discloses a turbine runner of an exhaust-gas turbocharger whose shaft connects two running wheels, a turbine wheel and a compressor wheel, and which is mounted in bearings of the exhaust gas turbocharger housing.
  • Each impeller comprises a hub extension with a central recess, which are provided for receiving the shaft and a sleeve connected thereto.
  • the socket performing a sealing and holding function is enclosed on the outside by a compression sleeve, which is connected in a force-fitting manner to the hub extension by pressing or shrinking.
  • the shaft and the impeller or the wheels are assembled to realize a permanent connection by means of a screw, wherein an external thread of an axially projecting Nabenfort- set of the impeller for receiving an integrally connected to the shaft shaft sleeve or shaft nut is determined.
  • the shaft nut In an end position, in which the components made of different materials are screwed tight, the shaft nut is centered on a cone of the hub process.
  • the invented The proper screw connection for the components made of different materials of the turbine rotor is easy to manufacture, easy to install and can therefore be realized inexpensively.
  • the wheels are also centered and fixed relative to the shaft by the joint assembly according to the invention.
  • the centering improves the positioning, in particular the coaxiality and a rectangular orientation of the run as a turbine and compressor impellers against the shaft, which has an advantageous effect on the life.
  • the screw assembly according to the invention is suitable for permanently withstanding or potentially transmitting a potentially high introduction of force or torque introduction. If required, the joint assembly also allows mechanical finishing of all components of the turbine rotor, such as a RaAx turbine wheel (radially and axially irradiated turbine wheel) and the balancing of the turbine rotor.
  • the task-compliant screw according to the invention advantageously further ensures a reliable, positive and non-positive connection even with occurring temperature differences of ⁇ 400 K ( ⁇ 130 °) between the components made of different materials of the turbine rotor.
  • the inventive measures also allow desirable tighter manufacturing and position tolerances, which have a favorable effect on the operation of the exhaust gas turbocharger, for speeds of ⁇ 250,000 rev / min. is designed.
  • the impeller made of an iron-free material and the shaft made of steel.
  • the turbine and compressor wheel of the turbine runner including the axially projecting hub extension can preferably be made of Inconel or a comparable high temperature resistant material in a precision casting process.
  • a rework is carried out, for example, with a cutting machining the external thread, a cone and a groove or an annular groove is made on the hub extension before the wheels are connected to the shaft to form a unit, the turbine rotor.
  • This is followed by a finishing of the turbine rotor, in which at least individual Components are refined to achieve optimum runnability of the runner.
  • the external thread for the hub extension is designed according to the invention as a flat trapezoidal thread.
  • the flat American trapezoidal thread 5/16 14 STUB ACME which can be used for large power transmissions, which adjust, for example, during strong accelerations, a rapid run-up of the exhaust gas turbocharger is suitable.
  • this external thread which interacts positively with a corresponding internal thread of the shaft nut over the entire thread length, prevents vibration or vibration-related loosening phenomena which are transmitted by the internal combustion engine or usually occur in the exhaust gas turbocharger.
  • the selected trapezoidal thread is ideal for the resulting proportions of the hub extension of the wheels. Due to the dimensions of the hub extension, the screw connection can be reduced to max.
  • 2 threads are limited, so as to create a compact, space-optimized joint assembly, which is sufficiently dimensioned for a permanent connection.
  • a screw band can be used, which includes more than 2 supporting threads.
  • the invention is not limited to the aforementioned thread.
  • a flat trapezoidal thread according to DIN 380 could be used.
  • other thread forms such as a metric ISO thread (DIN 13) or a Whitworth thread can be used, which are executed right or left rising.
  • the flat trapezoidal thread is introduced by means of a circular milling in the hub process and in the shaft nut.
  • Circular thread milling has been specially developed for short threads and certain machining center materials.
  • the circular thread milling cutters used have a high durability, so that flat trapezoidal threads can be reproduced in a high production quality.
  • the circular milling can be achieved by conventional milling or by a teres suitable machining process can be replaced, with which the required gear quality for the ring said can be produced.
  • the following dimensions are suitable for the structural design of the hub extension of the wheels, for the length S ⁇ 12 mm and for the diameter D ⁇ 10 mm. As an optimization measure have proven for the length S ⁇ 9 mm and for the diameter D ⁇ 8 mm as particularly useful.
  • the hub extension is thus dimensioned relatively small, which advantageously reduces the required material use of the temperature-stable cost-intensive material.
  • the invention is not limited to the aforementioned design dimensions of the hub process.
  • a cone is provided on the hub extension which is preferably produced after the circular milling operation for the outer trapezoidal thread.
  • the cone connects to the external thread of the hub extension, wherein the shaft is centered, for example, on a cone arranged on the front side of the hub extension.
  • the constructive conical design provides that the cone rising to the hub of the impeller has a length of ⁇ 1.5 mm and an angle ⁇ of ⁇ 35 °.
  • the cone is limited to a length of 1 mm and forms an angle of about 25 degrees.
  • the impeller centered on the shaft by a cone attachment, provides a desired perpendicular orientation and facilitates balancing of the turbine runner.
  • an internal thread is introduced in the sack hole-like bore of the shaft nut of the shaft, which establishes a connection between the wheels of the turbine runner.
  • the shaft nut has an end-side receptacle that is complementary to the cone of the hub process.
  • a recess designed as an annular groove is arranged in the hub extension downstream of the cone. brought. After completion of screwing the hub extension with the shaft nut takes place at least a partial flanging of a flange of the shaft material in the groove. For effective securing of the threaded bandage a beading of about 0.4 mm on the circumference is sufficient.
  • the object mentioned above is further achieved by a method according to claim 9.
  • the method relates to a fatigue-resistant assembly of a shaft with at least one impeller of a turbine rotor, which is used in an exhaust gas turbocharger of an internal combustion engine and comprises the following steps.
  • Fig. 2 is an impeller in a single part drawing
  • FIG. 3 shows the hub extension in a view according to detail A of FIG. 2;
  • FIG. 4 shows, on an enlarged scale, the hub extension according to FIG. 3;
  • FIG. 5 shows the shaft of the turbine rotor in longitudinal section.
  • Fig. 6 shows the detail B of FIG. 5 on an enlarged scale.
  • a turbine rotor 1 is shown, consisting of two spaced apart wheels 2.3, which are formed as a turbine wheel or as a compressor wheel and connected by a shaft 4.
  • the two wheels 2, 3 interconnecting shaft 4 is rotatably mounted in a non-illustrated housing of a Abgastuboladers.
  • the wheels 2,3 are each connected by means of a screw 5.6 with the shaft 4.
  • each impeller 2, 3 in the region of a hub 7 forms an axially projecting hub extension 8 with an external thread 9 shown in FIGS. 3 and 4, on which a shaft nut 10 of the shaft 4 is screwed.
  • For centering of the screw 5.6 includes a form-fitting cone compound.
  • a crimping of a flange is provided to secure the screw 5.6.
  • locally material of the shaft nut 10 is formed into an annular groove 11 illustrated in FIG. 4.
  • FIGS. 2 to 4 illustrate the construction and the arrangement of the hub extension 8, which extends from the hub 7 axially over a length S and has a diameter D.
  • the external thread 9 produced by a circular thread milling method is designed as a flat trapezoid thread. 4 closes at the end of the external thread 9 in the direction of the hub 7 expanding cone 12 or cone.
  • the provided for centering and cooperating with the shaft nut 10 cone 12 includes an angle ⁇ .
  • the annular groove 1 1, in the crimping a shown in Fig. 5 Bördelbund 17 positively engages and secures the screw 5.6 against loosening. 5 and 6 further details of the shaft 4 and the associated shaft nut 10 are shown.
  • the integral with the shaft 4 shaft nut 10 includes in a blind hole-like bore 13 a complementary to the external thread 9 of the hub extension 8 executed trapezoidal internal thread 14 a.
  • a transition zone between the bore 13 and an end face 15 forms a cone-like receptacle 16, the interpretation corresponds to the cone 12 of the hub extension 8. Accordingly, there is a match of the angle ß of the receptacle 16 with the angle ⁇ from the cone 12 of the hub process. 8

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Turbinenläufer eines Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine, der zumindest ein als Turbinenrad und / oder als Verdichterrad ausgebildetes Laufrad (2,3) sowie eine Welle (4) umfasst, die aus unterschiedlichen Werkstoffen hergestellt sind. Über einen Schraubverband (5,6) ist die Nabe (7) des Laufrades (2,3) dauerfest mit der Welle (4) verbunden. Dazu ist ein Außengewinde (9) eines axial vorstehenden Nabenfortsatzes (8) des Laufrades (2,3) zur Aufnahme einer mit der Welle (4) verbundenen Wellenmutter (10) bestimmt. In einer Endlage ist die Wellenmutter (10) an einem Konus (12) des Nabenfortsatzes (8) zentriert.

Description

Turbinenläufer eines Abgasturboladers
Die Erfindung betrifft einen Turbinenläufer eines Turboladers einer Brennkraft- maschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 und ein Verfah- ren mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 9.
Turbolader, insbesondere Abgasturbolader, sind durch die Nutzung der Abgasenergie zur Leistungssteigerung von Brennkraftmaschinen vorgesehen. Abgasturbolader umfassen Laufräder, die über eine innerhalb eines Lagergehäuses des Abgasturboladers gelagerte Welle verbunden sind. Ein erstes Laufrad, das vom Abgasstrom der Brennkraftmaschine angetriebene Turbinenrad, ist über die Welle mit einem zweiten, dem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine zugeordneten Verdichterrad verbunden. Das Verdichterrad erhöht den Druck, wodurch mehr Sauerstoff ins Ansaugsystem gelangt und eine größere Kraftstoffmenge eingespritzt werden kann, was zu einer Leistungserhöhung der Brennkraftmaschine führt. Bei annähernd gleichen Abmessungen kann mit Hilfe des Abgasturboladers die Leistung und das maximale Drehmoment der Brennkraftmaschine deutlich gesteigert werden. Eine Welle verbindet das Turbinen- rad mit dem Verdichterrad, die gemeinsam einen Turbinenläufer bilden. Im Betrieb können bei Abgasturboladern Drehzahlen von > 250.000 U/min auftreten. Bei diesen Drehzahlen werden das Verdichterrad und/oder das Turbinenrad aufgrund der Zentrifugalkräfte radial gedehnt und axial verkürzt, wobei sich eine geänderte Unwucht einstellen kann. Eine außerdem Pfeifgeräusche verur- sachende Unwuchtveränderung kann weiterhin zu einem völligen Ausfall des Turboladers führen sowie Folgeschäden an der Brennkraftmaschine verursachen. Aufgrund dieser Bauteilbeanspruchung ist eine sichere Verbindung aller Bauteile des Turbinenläufers notwendig, um einen störungsfreien Betrieb des Turboladers zu ermöglichen. Die Laufräderbefestigung auf der Welle des Tur- binenläufers ist daher mitentscheidend für die Zuverlässigkeit des Abgasturboladers. Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, die einzelnen Bauteile des Turbinenläufers stoffschlüssig, beispielsweise durch Reibschweißen oder Laser, miteinander zu verbinden. Bei der anschließenden Abkühlung der Schweißverbindung kommt es zu unterschiedlichen Wärmeübergängen der aus verschie- denen Werkstoffen hergestellten Bauteile. Daher erfordern diese Verfahren eine kostspielige Wärmenachbehandlung und anschließende Rissprüfung.
Die EP 1 502 008 B1 offenbart einen Turbinenläufer eines Abgasturboladers, dessen Welle zwei Laufräder, ein Turbinen- und ein Verdichterrad, verbindet und die in Lagern des Abgasturboladergehäuses gelagert ist. Jedes Laufrad umfasst einen Nabenfortsatz mit einer zentrischen Ausnehmung, die zur Aufnahme der Welle und einer damit verbundenen Buchse vorgesehen sind. Die eine Dicht- und Haltefunktion ausübende Buchse ist außen von einer Presshülse umschlossen, die durch Aufpressen oder Aufschrumpfen kraftschlüssig mit dem Nabenfortsatz verbunden ist.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine sichere Verbindung zwischen den aus unterschiedlichen Werkstoffen hergestellten Bauteilen der Läuferwelle zu schaffen, die bei einfacher Montage und geringen Kosten dauerfest ausgelegt ist.
Die Lösung erfolgt erfindungsgemäß mit einem Turbinenläufer nach den Merkmalen von Anspruch 1 und einem Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 9. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angeführt.
Gemäß Anspruch 1 sind die Welle und das Laufrad bzw. die Laufräder zur Realisierung einer dauerfesten Verbindung mittels eines Schraubverbandes zusammengefügt, wobei ein Außengewinde eines axial vorstehenden Nabenfort- satzes des Laufrades zur Aufnahme einer einstückig mit der Welle verbundenen Wellenmuffe oder Wellenmutter bestimmt ist. In einer Endlage, bei der die aus unterschiedlichen Werkstoffen hergestellten Bauteile fest verschraubt sind, ist die Wellenmutter an einem Konus des Nabenfortsatzes zentriert. Der erfin- dungsgemäße Schraubverband für die aus unterschiedlichen Werkstoffen hergestellten Bauteile des Turbinenläufers ist einfach herstellbar, problemlos montierbar und kann folglich kostengünstig realisiert werden. Vorteilhaft werden durch den Fügeverband gemäß der Erfindung weiterhin die Laufräder gegen- über der Welle zentriert und fixiert. Die Zentrierung verbessert die Positionierung, insbesondere die Koaxialität sowie eine rechtwinkelige Ausrichtung der als Turbinenrad und Verdichterrad ausgeführten Laufräder gegenüber der Welle, was sich vorteilhaft auf die Lebensdauer auswirkt. Der erfindungsgemäße Schraubverband ist geeignet, um einer potentiell hohen Krafteinleitung bzw. Drehmomenteinleitung dauerhaft stand zu halten bzw. sie zu übertragen. Bei Bedarf ermöglicht der Fügeverband außerdem eine mechanische Endbearbeitung aller Bauteile des Turbinenläufers, beispielsweise eines RaAx- Turbinenrades (radial und axial angestrahltes Turbinenrad) sowie das Auswuchten des Turbinenläufers. Die aufgabengerechte erfindungsgemäße Schraubverbindung gewährleistet vorteilhaft weiterhin eine prozesssichere, form- und kraftschlüssige Verbindung selbst bei auftretenden Temperaturdifferenzen von ~ 400 K (~ 130°) zwischen den aus verschiedenen Materialien hergestellten Bauteilen des Turbinenläufers. Die erfindungsgemäßen Maßnahmen ermöglichen außerdem wünschenswerte engere Fertigungs- und Lagetoleran- zen, die sich günstig auf den Betrieb des Abgasturboladers auswirken, der für Drehzahlen von ~ 250.000 U/min. ausgelegt ist.
Für die aus unterschiedlichen Materialien hergestellten Bauteile des Turbinenläufers bietet es sich bevorzugt an, das Laufrad aus einem eisenfreien Werk- stoff und die Welle aus Stahl herzustellen. Das Turbinen- und Verdichterrad des Turbinenläufers einschließlich des axial vorstehenden Nabenfortsatzes können vorzugsweise aus Inconel oder einem vergleichbar hochtemperaturbeständigen Werkstoff in einem Feingussverfahren hergestellt werden. Anschließend erfolgt eine Nacharbeit, bei der beispielsweise mit einer spangebenden Bearbeitung das Außengewinde, ein Konus sowie ein Einstich bzw. eine Ringnut an dem Nabenfortsatz hergestellt wird, bevor die Laufräder mit der Welle zu einer Einheit, dem Turbinenläufer verbunden werden. Daran schließt sich eine Endbearbeitung des Turbinenläufers an, bei der zumindest einzelne Bauteile veredelt werden, um eine optimale Laufqualität des Läufers zu erreichen.
Das Außengewinde für den Nabenfortsatz ist gemäß der Erfindung als ein fla- ches Trapezgewinde ausgeführt. Bevorzugt eignet sich dazu das flache amerikanische Trapezgewinde 5/16 14 STUB ACME, das für große Kraftübertragungen einsetzbar ist, die sich beispielsweise bei starken Beschleunigungen, einem schnellen Hochlauf des Abgasturboladers einstellen. Weiterhin verhindert dieses Außengewinde, das auf der gesamten Gewindelänge formschlüssig mit einem entsprechenden Innengewinde der Wellenmutter zusammenwirkt, schwingungs- bzw. vibrationsbedingte Lockerungserscheinungen, die von der Brennkraftmaschine übertragen werden oder üblicherweise im Abgasturbolader entstehen. Das ausgewählte Trapezgewinde ist ideal für die sich ergebenden Größenverhältnisse an dem Nabenfortsatz der Laufräder. Aufgrund der maßli- chen Gegebenheit des Nabenfortsatzes kann der Schraubverband auf max. 2 Gewindegänge beschränkt werden, um so einen kompakten, bauraumoptimier- ten Fügeverband zu schaffen, der für eine dauerfeste Verbindung ausreichend dimensioniert ist. Bei Bedarf kann selbstverständlich ein Schraubverband eingesetzt werden, der mehr als 2 tragende Gewindegänge einschließt. Weiterhin ist die Erfindung nicht auf das zuvor genannte Gewinde beschränkt. Alternativ könnte beispielsweise ein flaches Trapezgewinde gemäß der DIN 380 eingesetzt werden. Außerdem können gemäß der Erfindung auch andere Gewindeformen wie beispielsweise ein metrisches ISO-Gewinde (DIN 13) oder ein Whitworth-Gewinde eingesetzt werden, die rechts- oder linkssteigend ausge- führt sind.
Erfindungsgemäß wird das flache Trapezgewinde mittels einer Zirkularfräsung in den Nabenfortsatz sowie in die Wellenmutter eingebracht. Das zirkuläre Gewindefräsen wurde speziell für kurze Gewinde und bestimmte Werkstoffe für Bearbeitungszentren entwickelt. Die dabei eingesetzten Zirkulargewindefräser besitzen eine hohe Dauerhaltbarkeit, so dass flache Trapezgewinde in einer hohen Fertigungsqualität reproduzierbar herstellbar sind. Die Zirkularfräsung kann erfindungsgemäß durch eine herkömmliche Fräsung oder durch ein wei- teres geeignetes spanabhebendes Verfahren ersetzt werden, mit dem die geforderte Verzahnungsqualität für den Schraubverband herstellbar ist.
Für die konstruktive Ausgestaltung von dem Nabenfortsatz der Laufräder eig- nen sich folgende Maße, für die Länge S < 12 mm und für den Durchmesser D < 10 mm. Als Optimierungsmaßnahme haben sich für die Länge S < 9 mm und für den Durchmesser D < 8 mm als besonders zweckmäßig erwiesen. Der Nabenfortsatz ist damit relativ klein dimensioniert, wodurch sich vorteilhaft der erforderliche Materialeinsatz des temperaturstabilen kostenintensiven Werk- Stoffs reduziert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die zuvor genannten Auslegungsmaße des Nabenfortsatzes beschränkt.
Für die ferner gemäß der Erfindung vorgesehene Zentrierung der Welle ist an dem Nabenfortsatz ein Konus vorgesehen, der vorzugsweise nach dem Zirku- larfräsarbeitsgang für das äußere Trapezgewinde hergestellt wird. In vorteilhafter Weise schließt sich der Konus an das Außengewinde des Nabenfortsatzes an, wobei die Welle beispielsweise auch an einem stirnseitig des Nabenfortsatzes angeordneten Konus zentrierbar ist. Die konstruktive Konusauslegung sieht vor, dass der zur Nabe des Laufrades ansteigende Konus eine Länge von < 1 ,5 mm und einen Winkel α von < 35° aufweist. Nach einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Konus auf eine Länge von 1 mm beschränkt und bildet einen Winkel von ca. 25 Grad. Das durch eine Konusanlage an der Welle zentrierte Laufrad bewirkt eine gewünschte rechtwinkelige Ausrichtung und vereinfacht ein Auswuchten des Turbinenläufers.
Korrespondierend mit dem Außengewinde des Nabenfortsatzes ist in der sack- lochartigen Bohrung der Wellenmutter der Welle, die eine Verbindung zwischen den Laufrädern des Turbinenläufers herstellt, ein Innengewinde eingebracht. Zudem weist die Wellenmutter eine stirnseitige Aufnahme auf, die kom- plementär zu dem Konus des Nabenfortsatzes ausgeführt ist.
Zur Sicherung des Schraubverbandes und der Zentrierung ist dem Konus nachgeordnet ein als Ringnut ausgeführter Einstich in den Nabenfortsatz ein- gebracht. Nach abgeschlossener Verschraubung des Nabenfortsatzes mit der Wellenmutter erfolgt wenigstens ein partielles Verbördeln eines Bördelbundes von dem Wellen Werkstoff in den Einstich. Zur wirksamen Sicherung des Schraubverbandes ist ein Verbördeln von ca. 0,4 mm am Umfang ausreichend.
Die eingangs genannte Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren gemäß Anspruch 9 gelöst. Das Verfahren bezieht sich auf ein dauerfestes Zusammenfügen einer Welle mit zumindest einem Laufrad eines Turbinenläufers, der in einem Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine eingesetzt ist und das fol- gende Schritte umfasst. A) Bearbeitung des Laufrades: Zunächst wird auf dem axial vorstehenden Nabenfortsatz des Laufrades mittels eines zirkulären Gewindefräsverfahrens ein Außengewinde aufgebracht. Danach wird ein Konus sowie ein Einstich oder eine Ringnut hergestellt in einem dem Außengewinde nachgeordneten Abschnitt vom Nabenfortsatz des Laufrades. B) Bearbeitung der Welle: Zunächst wird mittels eines zirkulären Gewindefräsverfahrens eine Innenverzahnung in die Sacklochbohrung der Wellenmutter eingebracht sowie stirnseitig eine mit dem Konus des Nabenfortsatzes korrespondierende Aufnahme. C) Zusammenfügen von Laufrad und Welle mittels eines Schraubverbandes: Zur form- und kraftschlüssigen Verbindung wird die Wellenmutter auf das Außengewinde des Laufrades geschraubt. Synchron zum Festziehen des Schaubverbandes mit einem definierten Anziehmoment erfolgt ein Zentrieren der zusammengefügten Bauteile, indem der Konus des Nabenfortsatzes formschlüssig in die Aufnahme der Wellenmutter eingreift. Abschließend wird der Schraubverband durch ein Verbördeln gesichert, bei dem ein Bördelbund von dem Wellenwerkstoff in die Ringnut des Nabenfortsatzes verformt wird.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Figuren, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, wobei sich die Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel be- schränkt. Dabei zeigt:
Fig. 1 einen Turbinenläufer in einer Einzelteilzeichnung, bestehend aus
einer Welle, der endseitig jeweils ein Laufrad zugeordnet ist; Fig. 2 ein Laufrad in einer Einzelteilzeichnung;
Fig. 3 den Nabenfortsatz in einer Ansicht gemäß Einzelheit A der Fig. 2;
Fig. 4 im vergrößerten Maßstab den Nabenfortsatz gemäß Fig. 3;
Fig. 5 die Welle des Turbinenläufers im Längsschnitt; Fig. 6 die Einzelheit B gemäß Fig. 5 im vergrößerten Maßstab.
In Fig. 1 ist ein Turbinenläufer 1 dargestellt, bestehend aus zwei zueinander beabstandeten Laufrädern 2,3, die als Turbinenrad bzw. als Verdichterrad ausgebildet und durch eine Welle 4 verbunden sind. Die beide Laufräder 2,3 mit- einander verbindende Welle 4 ist in einem nicht abgebildeten Gehäuse eines Abgastuboladers drehbar gelagert. Die Laufräder 2,3 sind jeweils mittels eines Schraubverbandes 5,6 mit der Welle 4 verbunden. Dazu bildet jedes Laufrad 2,3 im Bereich einer Nabe 7 einen axial vorstehenden Nabenfortsatz 8 mit einem in den Fig. 3 und 4 gezeigten Außengewinde 9, auf dem eine Wellenmut- ter 10 der Welle 4 geschraubt ist. Zur Zentrierung schließt der Schraubverband 5,6 einen formschlüssigen Konusverbund ein. Weiterhin ist zur Sicherung des Schraubverbandes 5,6 ein Verbördeln von einem Bördelbund vorgesehen. Dabei wird lokal Material der Wellenmutter 10 in eine in Fig. 4 abgebildete Ringnut 1 1 umgeformt.
Die Fig. 2 bis 4 verdeutlichen den Aufbau und die Anordnung des Nabenfortsatzes 8, der von der Nabe 7 ausgehend sich über eine Länge S axial erstreckt und einen Durchmesser D aufweist. Wie in Fig. 3 gezeigt, ist das durch ein zirkuläres Gewindefräsverfahren hergestellte Außengewinde 9 als flaches Tra- pezgewinde ausgeführt. Gemäß Fig. 4 schließt sich endseitig an das Außengewinde 9 ein in Richtung der Nabe 7 spreizender Konus 12 bzw. Kegel an. Der zur Zentrierung vorgesehene und mit der Wellenmutter 10 zusammenwirkende Konus 12 schließt einen Winkel α ein. Zwischen dem Konus 12 und der Nabe 7 schließt der Nabenfortsatz 8 die Ringnut 1 1 ein, in die beim Verbördeln ein in Fig. 5 gezeigter Bördelbund 17 formschlüssig eingreift und den Schraubverband 5,6 gegen Lösen sichert. In den Fig. 5 und 6 sind weitere Details der Welle 4 sowie der zugehörigen Wellenmutter 10 gezeigt. Die einstückig mit der Welle 4 verbundene Wellenmutter 10 schließt in einer sacklochähnlichen Bohrung 13 ein komplementär zu dem Außengewinde 9 des Nabenfortsatzes 8 ausgeführtes trapezartiges Innengewinde 14 ein. Eine Übergangszone zwischen der Bohrung 13 und einer Stirnseite 15 bildet eine konusartige Aufnahme 16, deren Auslegung korrespondiert mit dem Konus 12 des Nabenfortsatzes 8. Entsprechend besteht eine Übereinstimmung des Winkels ß der Aufnahme 16 mit dem Winkel α vom Konus 12 des Nabenfortsatzes 8.
Bezugszeichenliste
1 Turbinenläufer
2 Laufrad
3 Laufrad
4 Welle
5 Schraubverband
6 Schraubverband
7 Nabe
8 Nabenfortsatz
9 Außengewinde
10 Wellenmutter
1 1 Ringnut
12 Konus
13 Bohrung
14 Innengewinde
15 Stirnseite
16 Aufnahme
17 Bördelbund
S Länge, Nabenfortsatz
D Durchmesser, Nabenfortsatz α Konuswinkel, Nabenfortsatz ß Aufnahmewinkel, Welle

Claims

Patentansprüche
Turbinenläufer eines Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine, der zumindest ein als Turbinenrad und / oder als Verdichterrad ausgebildetes Laufrad (2,3) sowie eine Welle (4) umfasst, die aus unterschiedlichen Werkstoffen hergestellt sind, wobei eine Nabe (7) des Laufrades (2,3) dauerfest mit der Welle (4) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (4) mit dem Laufrad (2,3) mittels eines Schraubverbandes (5,6) zusammengefügt ist, wobei ein Außengewinde (9) eines axial vorstehenden Nabenfortsatzes (8) des Laufrades (2,3) zur Aufnahme einer mit der Welle (4) verbundenen Wellenmutter (10) bestimmt ist und in einer Endlage die Wellenmutter (10) an einem Konus (12) des Nabenfortsatzes (8) zentriert ist.
Turbinenläufer nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die aus einem Stahlwerkstoff hergestellte Welle (4) mit einem Laufrad (2,3) aus einem eisenfreien Werkstoff zusammengefügt ist.
Turbinenläufer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Außengewinde (9) ein flaches Trapezgewinde vorgesehen ist.
Turbinenläufer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Außengewinde (9) mittels einer zirkulären Gewindefräsung hergestellt wird.
Turbinenläufer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Nabenfortsatz (8) des Laufrades (2,3) eine Länge S < 9 mm sowie einen Durchmesser D < 8 mm aufweist.
Turbinenläufer nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der zur Zentrierung der Welle (4) vorgesehene Konus (12) an dem Nabenfort- satz (8) des Laufrades (2,3) eine Länge von < 1 ,2 mm und einen Winkel α von < 30° aufweist.
Turbinenläufer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenmutter (10) ein mit dem Außengewinde (9) korrespondierendes Innengewinde (14) sowie eine stirnseitige Aufnahme (16) bildet, die komplementär zu dem Konus (12) des Nabenfortsatzes (8) ausgeführt ist.
Turbinenläufer nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Sicherung des Schraubverbandes (5,6) wenigstens ein partielles Ver- bördeln eines Bördelbundes (17) des Wellen Werkstoffs in eine dem Außengewinde (9) des Nabenfortsatzes (8) nachgeordnete Ringnut (1 1 ) vorgesehen ist.
Verfahren zum dauerfesten Zusammenfügen einer Welle (4) mit zumindest einem Laufrad (2,3) eines Turbinenläufers (1 ), der in einem Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine eingesetzt ist, wobei das Verfahren durch folgende Schritte gekennzeichnet ist:
a) Bearbeitung des Laufrades (2,3):
- Herstellen eines Außengewindes (9) auf einem axial vorstehenden Nabenfortsatz (8) des Laufrades (2,3) mittels eines zirkulären Gewindefräsverfahrens;
- Einbringen einer Ringnut (1 1 ) in einem dem Außengewinde (9) nachgeordneten Abschnitt vom Nabenfortsatz (8) des Laufrades (2,3);
- Gestalten eines Konus (12) an dem Nabenfortsatz (8) zwischen dem Außengewinde (9) und der Ringnut (1 1 );
b) Bearbeitung der Welle (4):
- Einbringen einer Innenverzahnung in die Wellenmutter (10) mittels eines zirkulären Gewindefräsverfahrens; Herstellen einer stirnseitigen Aufnahme (16), in der die Wellenmutter (10) mit dem Konus (12) des Nabenfortsatzes (8) korrespondiert;
Zusammenfügen von Laufrad (2,3) und Welle (4):
Verschrauben der Wellenmutter (10) auf dem Außengewinde (9) des Laufrades (2,3);
Festziehen und Zentrieren des Schaubverbandes (5,6) durch ein definiertes Anziehmoment, wobei der Konus (12) des Nabenfortsatzes (8) form- und kraftschlüssig in die Aufnahme (16) der Wellenmutter (10) eingreift;
Fixieren des Schraubverbandes (5,6) durch ein Verbördeln, bei dem ein Bördelbund (17) der Wellenmutter (10) formschlüssig in die Ringnut (1 1 ) des Nabenfortsatzes (8) verformt wird.
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