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Dokumentenidentifikation DE60311725T2 22.11.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001413766
Titel Anordnung eines Verdichterlaufrades
Anmelder Holset Engineering Co. Ltd., Huddersfield, West Yorkshire, GB
Erfinder Billington, Anthony, Huddersfield, HD1 6RA, GB
Vertreter derzeit kein Vertreter bestellt
DE-Aktenzeichen 60311725
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 20.10.2003
EP-Aktenzeichen 032565889
EP-Offenlegungsdatum 28.04.2004
EP date of grant 14.02.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.11.2007
IPC-Hauptklasse F04D 29/26(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse F04D 25/04(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   F02B 39/04(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   F02C 6/12(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]

Diese Erfindung betrifft den Anbau eines Verdichterlaufrades an einer rotierenden Welle. Insbesondere betrifft die Erfindung die Verdichterlaufrad-Baugruppe eines Turboladers.

Turbolader sind gut bekannte Vorrichtungen zum Zuführen von Luft zum Einlass einer Verbrennungskraftmaschine bei Drücken oberhalb des atmosphärischen Drucks (Ladedrücken). Ein herkömmlicher Turbolader umfasst im Wesentlichen ein abgasgetriebenes Turbinenlaufrad, das an einer drehbaren Welle innerhalb eines Turbinengehäuses angebracht ist. Das Drehen des Turbinenlaufrads dreht ein innerhalb eines Verdichtergehäuses am anderen Ende der Welle angebrachtes Verdichterlaufrad. Das Verdichterlaufrad führt dem Einlassverteiler der Kraftmaschine verdichtete Luft zu, wodurch die Kraftmaschinenleistung gesteigert wird. Die Welle wird an Radial- und Axiallagern getragen, die innerhalb eines mittigen Lagergehäuses angeordnet sind, das zwischen das Turbinen- und das Verdichterlaufradgehäuse geschaltet ist.

Ein herkömmliches Verdichterlaufrad umfasst eine Anordnung von Schaufeln, die sich von einer mittigen Nabe aus erstrecken, die mit einer Bohrung zum Aufnehmen eines Endes der Turboladerwelle versehen ist. Das Verdichterlaufrad ist durch eine Mutter an der Welle befestigt, die auf das Ende der Welle geschraubt ist, wo es sich durch die Radbohrung erstreckt, und am Ansatzende des Rades anliegt, um das Rad gegen einen Wellenabsatz (oder ein anderes in Radialrichtung vorstehendes Widerlager, das sich mit der Welle dreht) zu klemmen. Ein nicht ausgewuchtetes Rad wird zumindest eine gesteigerte Vibration erfahren, was die Lebensdauer des Rades verkürzen könnte, und könnte schlimmstenfalls einen Vollausfall erleiden.

Moderne Anforderungen an die Turboladerleistung erfordern einen gesteigerten Luftstrom aus einem Turbolader einer gegebenen Größe, was zu gesteigerten Drehgeschwindigkeiten, zum Beispiel von über 100000 U/min, führt. Um sich solchen hohen Drehgeschwindigkeiten anzupassen, müssen die Turboladerlager und folglich der Turbolader-Wellendurchmesser auf ein Minimum verringert werden. Jedoch ist die Verwendung einer Welle mit verhältnismäßig kleinem Durchmesser problematisch bei der herkömmlichen Verdichterlaufrad-Anbringungsbaugruppe, weil die Welle in der Lage sein muss, der hohen Klemmkraft zu widerstehen, die erforderlich ist, um einen Schlupf des Rades zu verhindern. Folglich kann die Festigkeit der Welle, d.h., die Klemmbelastung, der sie widerstehen kann, die Masse des Verdichterlaufrades, das an der Welle angebracht werden kann, begrenzen.

Das obige Problem wird verschärft, da die fortgesetzte Turboladerentwicklung die Verwendung von leistungsfähigeren Materialien, wie beispielsweise Titan, das eine größere Dichte als die herkömmlicherweise verwendeten Aluminiumlegierungen hat, erfordert. Die gesteigerte Trägheit solcher Materialien steigert die Wahrscheinlichkeit eines Verdichterlaufradschlupfs, insbesondere, da das Verdichterlaufrad während der Übergangsbetriebsbedingungen schnell beschleunigt. Die von einer herkömmlichen Verdichterlaufrad-Anbringungsbaugruppe geforderte Klemmkraft kann gut diejenige überschreiten, der die Welle widerstehen kann.

Ein möglicher Weg zum Vermeiden des obigen Problems ist es, ein sogenanntes, „bohrungsloses" Verdichterlaufrad zu verwenden, wie es beispielsweise im US-Patent Nummer 4705463 offenbart wird. Bei dieser Verdichterlaufrad-Baugruppe wird im Verdichterlaufrad nur eine verhältnismäßig kurze Gewindebohrung bereitgestellt, um das mit Gewinde versehene Ende einer gekürzten Turboladerwelle aufzunehmen. Jedoch können solche Baugruppen ebenfalls Auswuchtprobleme erfahren, da die Gewindeverbindung zwischen dem Verdichterlaufrad und der Welle und der einer solchen Verbindung innewohnende Abstand es schwierig machen, den erforderlichen Grad an Konzentrizität aufrechtzuerhalten.

Das US-Patent Nummer 3019039 offenbart ein Verfahren zum Anbringen eines Verdichterlaufrades an einer Welle, wobei das Verdichterlaufrad mechanisch an die Welle gekoppelt wird. Das Verdichterlaufrad ist zwischen einem Absatz an der Welle und einer auf das Ende der Welle geschraubten Mutter an der Welle angebracht. Eine Scheibe ist zwischen der Nabe des Verdichterlaufrades und dem Wellenabsatz an der Welle angebracht und wird durch Stifte, die sich in Radialrichtung durch die Scheibe und in die Welle erstrecken, in ihrer Position an der Welle festgehalten. Radialkeile sind auf einer Seite der Scheibe angeordnet und greifen in Schlitze ein, die auf der Rückseite der Nabe des Verdichterlaufrades geformt sind, um das Verdichterlaufrad an der Scheibe zu verkeilen, die wiederum an der Welle verkeilt ist. Eine andere bekannte Anordnung zum Anbringen eines Verdichterlaufrades an einer Welle wird im US-Patent 2577134 offenbart. Ein Verdichterlaufrad wird zwischen einer Mutter und einem Absatz an der Welle an der Welle festgehalten. Die Mutter liegt an einem Ansatzstück an, das so mit der Welle verkeilt ist, dass es sich mit der Welle dreht. Das Ansatzstück ist ebenfalls durch entweder am Verdichterlaufrad oder am Ansatzstück bereitgestellte, in Radialrichtung verlaufende Keilnuten, die mit an der anderen der Komponenten Verdichterlaufrad und Ansatzstück bereitgestellten Schlitzen ineinandergreifen, mit dem Verdichter verkeilt. Das Ansatzstück koppelt folglich das Verdichterlaufrad mechanisch an die Welle, für eine Drehung mit derselben.

Andere Beispiele bekannter Anordnungen zum Anbringen eines Verdichterlaufrades an einer Turboladerwelle werden in EP 0800012 und DE 19736333 offenbart.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die obigen Probleme zu beseitigen oder zu mindern.

Nach der vorliegenden Erfindung wird eine Verdichterlaufrad-Baugruppe bereitgestellt, die Folgendes umfasst:

ein Verdichterlaufrad, angebracht an einer rotierenden Welle, wobei sich die Welle durch eine längs der Rotationsachse des Rades bereitgestellte Bohrung erstreckt;

eine Mutter, die auf das eine Ende der Welle geschraubt ist und mittelbar an einem Ansatzabschnitt des Rades anliegt, um das Rad gegen ein Widerlager zu klemmen und eine Axialbewegung des Rades längs der Welle zu verhindern;

Verkeilungsformationen, bereitgestellt an dem Rad bzw. der Welle;

eine Antriebsscheibe, angeordnet um die Welle zwischen der Mutter und dem Rad, wobei die Antriebsscheibe eine innere Öffnung zum Aufnehmen der Welle und innere und äußere Verkeilungsformationen, welche die Wellen- bzw. die Radverkeilungsformationen in Eingriff nehmen, hat,

wobei die Radverkeilungsformationen Aussparungen, die sich in Radialrichtung in das Rad erstrecken, umfassen und die äußeren Verkeilungsformationen der Antriebsscheibe radiale Vorsprünge, welche die Aussparungen in Eingriff nehmen, umfassen.

Folglich wird bei der vorliegenden Erfindung die Antriebskraft für das Verdichterlaufrad durch einen zwangsschlüssigen Eingriff zwischen der Welle und dem Rad bereitgestellt. Bei der vorliegenden Erfindung ist die durch die Mutter bereitgestellte Klemmkraft nur erforderlich, um eine Bewegung des Rades in Axialrichtung längs der Welle zu verhindern. Falls es wünschenswert ist, könnte die Klemmkraft jedoch ausreichend sein, um dazu beizutragen, dass der Verkeilungseingriff die Antriebsbelastung sichert.

Andere bevorzugte Merkmale der Erfindung werden aus der Beschreibung weiter unten offensichtlich.

Es werden nun, nur als Beispiel, spezifische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:

1 ein axialer Querschnitt durch einen herkömmlichen Turbolader ist, der die Hauptkomponenten eines Turboladers und einer herkömmlichen Verdichterlaufrad-Baugruppe illustriert,

2 ein Querschnitt durch eine Verdichterlaufrad-Baugruppe nach der vorliegenden Erfindung ist,

3 eine Stirnansicht des Ansatzabschnitts der Verdichterlaufrad-Baugruppe von 2 ist, wobei die Befestigungsmutter und die Unterlegscheibe entfernt sind, und

4 eine Draufsicht einer Antriebsscheibe von der Verdichterlaufrad-Baugruppe von 2 und 3 ist.

Unter Bezugnahme zuerst auf 1 illustriert diese die Grundkomponenten eines Turboladers des herkömmlichen Zentripetaltyps. Der Turbolader umfasst eine Turbine 1, die über ein mittiges Lagergehäuse 3 mit einem Verdichter 2 verbunden ist. Die Turbine 1 umfasst ein Turbinengehäuse 4, das ein Turbinenlaufrad 5 aufnimmt. Ähnlich umfasst der Verdichter 2 ein Verdichtergehäuse 6, das ein Verdichterlaufrad 7 aufnimmt. Das Turbinenlaufrad 5 und das Verdichterlaufrad 7 sind an entgegengesetzten Enden einer gemeinsamen Welle 8 angebracht, die an Lagerbaugruppen 9 innerhalb des Lagergehäuses 3 getragen wird.

Das Turbinengehäuse 4 ist mit einem Abgaseinlass 10 und einem Abgasauslass 11 versehen. Der Einlass 10 leitet das eintretende Abgas zu einer ringförmigen Einlasskammer 12, die das Turbinenlaufrad 5 umgibt. Das Abgas strömt durch die Turbine und über eine kreisförmige Auslassöffnung, die koaxial mit dem Turbinenlaufrad 5 ist, in den Auslass 11. Eine Rotation des Turbinenlaufrads 5 dreht das Verdichterlaufrad 7, welches durch den axialen Einlass 13 Luft ansaugt und Druckluft zum Motoreinlass über einen Auslass-Diffusor 14 liefert.

Unter detaillierterer Bezugnahme auf die Verdichterlaufrad-Baugruppe umfasst das Verdichterlaufrad mehrere Schaufeln 15, die sich von einer mittigen Nabe 16 aus erstrecken, die mit einer Durchgangsbohrung versehen ist, um ein Ende der Welle 8 aufzunehmen. Die Welle 8 steht geringfügig vom Ansatz des Verdichterlaufrades 7 vor und ist mit einem Gewinde versehen, um eine Mutter 17 aufzunehmen, die am Verdichterlaufrad-Ansatz anliegt, um das Verdichterlaufrad 7 an eine Baugruppe 18 aus Axiallager und Öldichtung zu klemmen. Die Einzelheiten der Axiallager-Öldichtung-Baugruppe können variieren und sind für das Verständnis der Verdichterlaufrad-Anbringungsanordnung nicht wichtig. Wesentlich ist, dass durch die von der Mutter 17 ausgeübte Klemmkraft verhindert wird, dass das Verdichterlaufrad 7 auf der Welle 8 rutscht.

Die mit der oben beschriebenen herkömmlichen Verdichterlaufrad-Baugruppe verbundenen Probleme werden in der Einleitung zu dieser Beschreibung erörtert.

2 und 3 illustrieren ein Beispiel einer Verdichterlaufrad-Baugruppe nach der vorliegenden Erfindung. Die Turboladerwelle 20 ist durch das Bereitstellen von zwei gegenüberliegenden Flachstellen 21, die an dem mit Gewinde versehenen Ende der Welle 20 bereitgestellt werden, modifiziert. Die Flachstellen 21 können zum Beispiel einfach in das Ende der Welle 20 gespannt sein. Der Ansatzabschnitt des Verdichterlaufrades 22 ist versenkt, um eine Aussparung 23 mit einem größeren Durchmesser als die Verdichterlaufrad-Durchgangsbohrung 24, welche die Welle 20 aufnimmt, bereitzustellen. Vier umlaufend mit gleichem Abstand angeordnete Schlitze oder Aussparungen 25, die sich in Radialrichtung von der versenkten Aussparung 23 aus erstrecken, werden im Ansatz des Verdichterlaufrades 22 bereitgestellt.

Eine Antriebsscheibe 26 (gezeigt in der Isolationsabbildung 4) sitzt innerhalb der Aussparung 23 um die Welle 20. Die Antriebsscheibe 26 hat eine nicht kreisförmige Mittelöffnung 27, die mit gegenüberliegenden Flachstellen 28 versehen ist, welche die an der Welle 20 bereitgestellten Flachstellen 21 in Eingriff nehmen. Zwei diametral gegenüberliegende Nasen 29 erstrecken sich in Radialrichtung von der kreisförmigen Außenfläche der Antriebsscheibe 26 und greifen in diametral gegenüberliegende Schlitze 25 ein, die im ausgesparten Ansatzabschnitt des Verdichterlaufrades 22 bereitgestellt werden. Die Antriebsscheibe 26 wird durch eine Flanschmutter 30 an ihrem Platz festgehalten, die auf das Ende der Welle 20 geschraubt ist.

Folglich ist das Verdichterlaufrad 22 über die Antriebsscheibe 26, die als Verkeilungselement wirkt, an der Welle 20 verkeilt. Die Welle 20 und das Rad 22 sind folglich miteinander in Eingriff und müssen sich zusammen drehen. Es ist daher nicht möglich, dass das Rad 22 rutscht, wenn sich die Welle 20 dreht. Dies beseitigt (oder vermindert wenigstens) das Verlassen auf die durch die Mutter 29 bereitgestellte Klemmkraft, die nur ausreichend sein muss, um die Antriebsscheibe 26 an ihrem Platz zu halten und eine Bewegung des Rades 22 in Axialrichtung längs der Welle 20 zu verhindern. Jedoch kann sich auf eine durch die Mutter 29 bereitgestellte Klemmkraft verlassen werden, um die Verkeilungswirkung der Antriebsscheibe 26 zu ergänzen und die Antriebsbelastung aufzuteilen.

Das Bereitstellen der Verkeilungsverbindung zwischen der Welle 20 und dem Rad 22 am Ansatzabschnitt des Rades 22, statt zum Beispiel an der nach innen gerichteten Seite des Rades 22, verringert die Wahrscheinlichkeit eines Beanspruchungsausfalls stark, da der Ansatzabschnitt des Rades 22 kühler ist als der nach innen gerichtete Abschnitt des Rades.

Es wird zu erkennen sein, dass an den Einzelheiten der oben beschriebenen Ausführungsform der Erfindung viele Modifikationen vorgenommen können. Zum Beispiel kann die Zahl der am Ende der Welle bereitgestellten Flachstellen variieren, d.h., es kann nur eine oder mehr als zwei geben. Ähnlich kann die Zahl der an der Antriebsscheibe bereitgestellten Nasen und/oder der im Ansatz des Verdichterlaufrades bereitgestellten Schlitze variieren. Es ist vorzuziehen, eine Vielzahl von wenigstens dem einen oder dem anderen zu haben, um eine Zahl von alternativen Winkelanbringungspositionen für das Verdichterlaufrad bereitzustellen, um das Auswuchten der Verdichterlaufrad-Baugruppe zu unterstützen. Es ist ebenfalls vorzuziehen, eine Vielzahl von Verkeilungseingriffen zwischen dem Verdichterlaufrad und der Antriebsscheibe/Turboladerwelle zu haben, um die Antriebsbelastung zu verteilen.

Die an der Antriebsscheibe und an dem Rad und der Welle bereitgestellten Verkeilungsformationen können eine von den illustrierten unterschiedene Konfiguration annehmen. Zum Beispiel könnte das Verdichterlaufrad mit Vorsprüngen in Radialrichtung nach innen versehen sein, und die Antriebsscheibe könnte mit Aussparungen in ihrer Außenfläche versehen sein, um diese Vorsprünge aufzunehmen. Ähnlich können andere Formen eines Verkeilungseingriffs zwischen der Antriebsscheibe und der Welle, wie beispielsweise an der Antriebsscheibe bereitgestellte Vorsprünge und an der Welle bereitgestellte Aussparungen, bereitgestellt werden. Andere mögliche Alternativen werden der Person mit entsprechenden Fachkenntnissen leicht offensichtlich sein.

Es wird ebenfalls zu erkennen sein, dass anstelle der Antriebsscheibe 26 eine andere Form eines Verkeilungselements verwendet werden kann. Zum Beispiel kann eine Vielzahl von Verkeilungselementen bereitgestellt werden, um einen wechselseitigen Eingriff zwischen entsprechenden Formationen, die an der Welle und dem Verdichterlaufrad bereitgestellt werden, herzustellen. Zum Beispiel könnten sowohl die Welle als auch das Verdichterlaufrad mit Schlitzen oder dergleichen versehen sein, die miteinander fluchten, wobei sich jeweilige Verkeilungselemente zwischen den ausgerichteten Schlitzen/Öffnungen erstrecken, um zu verhindern, dass sie sich außer Ausrichtung drehen. Jedoch ist es wahrscheinlich, dass solche Anordnungen komplexer in Aufbau und Zusammenbau sind als die vorteilhaft einfache Antriebsscheibenform eines Verkeilungselements.

Es wird ebenfalls zu erkennen sein, dass die Erfindung durch Bereitstellen einer unmittelbaren Verkeilung zwischen dem Verdichterlaufrad und der Turboladerwelle ohne das Bereitstellen eines gesonderten Verkeilungselements umgesetzt werden kann. Zum Beispiel kann die Innenbohrung des Rades und der Welle mit unmittelbar wechselseitig ineinandergreifenden Verkeilungsformationen versehen sein. Zum Beispiel kann der Ansatzabschnitt des Rades mit Vorsprüngen versehen sein, die sich in Radialrichtung nach innen erstrecken und mit in das Ende der Welle gespannten Flachstellen oder Aussparungen ineinandergreifen. Solche Anordnungen können eher auf Verdichterlaufräder anwendbar sein, die eine gegossene Mittelbohrung haben, als auf Verdichterlaufräder, in denen die Bohrung gebohrt ist.

Es wird zu erkennen sein, dass die vorliegende Erfindung in der Anwendung nicht auf eine beliebige bestimmte Form eines Verdichterlaufrades oder eine nach innen gerichtete Baugruppe von Lagern usw. begrenzt ist. Ähnlich ist die vorliegende Erfindung in der Anwendung nicht auf Turbolader-Verdichterlaufräder begrenzt, sondern kann auf Verdichterlaufräder in anderen Anwendungen angewendet werden, einschließlich von anderen Formen eines Verbrennungskraftmaschinen-Turboladers (wie beispielsweise ein riemengetriebenes Verdichterlaufrad), aber ohne darauf begrenzt zu sein.

Andere mögliche Modifikationen und Anwendungen der vorliegenden Erfindung werden einer Person mit entsprechenden Fachkenntnissen leicht offensichtlich sein.


Anspruch[de]
Verdichterlaufrad-Baugruppe, die Folgendes umfasst:

ein Verdichterlaufrad (22), angebracht an einer rotierenden Welle (20), wobei sich die Welle (20) durch eine längs der Rotationsachse des Rades (22) bereitgestellte Bohrung (24) erstreckt,

eine Mutter (30), die auf das eine Ende der Welle (20) geschraubt ist und mittelbar an einem Ansatzabschnitt des Rades (22) anliegt, um das Rad (22) gegen ein Widerlager zu klemmen und eine Axialbewegung des Rades (22) längs der Welle (20) zu verhindern,

Verkeilungsformationen (25, 21), bereitgestellt an dem Rad (22) bzw. der Welle (20),

eine Antriebsscheibe (26), angeordnet um die Welle (20) zwischen der Mutter (30) und dem Rad (22), wobei die Antriebsscheibe (26) eine innere Öffnung (27) zum Aufnehmen der Welle (20) und innere und äußere Verkeilungsformationen (28, 29), welche die Wellen- bzw. die Radverkeilungsformationen (21, 25) in Eingriff nehmen, hat,

wobei die Radverkeilungsformationen Aussparungen (25), die sich in Radialrichtung in das Rad (22) erstrecken, umfassen und die äußeren Verkeilungsformationen der Antriebsscheibe radiale Vorsprünge (29), welche die Aussparungen (25) in Eingriff nehmen, umfassen.
Verdichterlaufrad-Baugruppe nach Anspruch 1, wobei die Wellenverkeilungsformationen einen oder mehrere flache Abschnitte (21), bereitgestellt im Umfang der Welle (20), umfassen und die inneren Verkeilungsformationen (28) der Antriebsscheibe (26) lineare Abschnitte (28) der Scheibenöffnung umfassen. Verdichterlaufrad-Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, versehen mit mehreren Verkeilungsformationen (25, 21) an dem Verdichterlaufrad (22) und/oder der Welle (20), die ein Schalten der relativen Winkelposition des Rades (22) an der Welle (20) erlauben, um das Radauswuchten zu unterstützen. Verdichterlaufrad-Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antriebsscheibe (26) mit mehreren inneren und/oder äußeren Verkeilungsformationen (28, 29) versehen ist, um ein Schalten der Drehposition des Rades (22) im Verhältnis zu der Welle (20) zu ermöglichen, um das Radauswuchten zu unterstützen. Verdichterlaufrad-Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ansatzabschnitt des Rades (22) versenkt ist, um die Antriebsscheibe (26) aufzunehmen. Turbolader, der eine Verdichterlaufrad-Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.






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