DE102007050124A1

DE102007050124A1 - Gehäuse für ein Laufrad

Info

Publication number: DE102007050124A1
Application number: DE102007050124A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dipl.-Ing. Botsch
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2007-10-19
Filing date: 2007-10-19
Publication date: 2009-04-23
Anticipated expiration: 2027-10-20
Also published as: CN101828006A; JP2011501021A; WO2009052883A2; US20100310362A1; DE102007050124B4; WO2009052883A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gehäuse für ein Laufrad, insbesondere Turbinengehäuse für ein Turbinenrad eines Abgasturboladers, welches aus einem Gusswerkstoff gebildet ist und wenigstens zwei Fluten (10, 12) aufweist, die durch ein Flutenteiler (14) voneinander unterteilt sind, wobei das Flutenteiler als separates Einlegeteil (14), insbesondere als Metallblech oder ein Gussteil, ausgebildet ist, welches in einen Wandbereich (18) des Gehäuses eingegossen ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gehäuse für ein Laufrad, insbesondere ein Turbinengehäuse für ein Turbinenrad eines Abgasturboladers, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Gehäuses der im Oberbegriff des Patentanspruchs 6 angegebenen Art.
Derartige Gehäuse, insbesondere Turbinengehäuse für Turbinenräder von Abgasturboladern, und zwar insbesondere von Nutzkraftwagen, sind häufig als so genannte Zwillingsstromgehäuse ausgeführt, bei welchen zwei Fluten bzw. Kammern durch einen Flutenteiler voneinander unterteilt sind. Die Wirkungsweise bzw. die Leistung eines Turboladers ist eng gekoppelt an das Spaltmaß welches den Abstand zwischen der Spitze des Flutenteilers und den korrespondierenden Gehäusewandungen beschreibt.
Aus dem Stand der Technik ist es dabei bekannt, diesen Flutenteiler einstückig mit der übrigen Gehäusewand des aus einem Gusswerkstoff geschaffenen Gehäuses auszubilden. Gehäusewand und Flutenteiler werden dabei einstückig in einem Verfahrensschritt gegossen. Zur Darstellung eines möglichst geringen und präzisen abgebildeten Spaltmaßes sind höchste Anforderungen an die Gießtechnik, insbesondere an den Gießkern zu stellen. Gerade im Spaltbereich ist der Gießkern ausgesprochen dünn und beim Gießen dennoch hohen Belastungen ausgesetzt.
Im Bereich des Flutenteilers können außerdem im Betrieb Spannungen entstehen können, die im Extremfall eine Rissbildung im Bereich des Flutenteilers und daraus resultierend einen Leistungsverlust oder gar einen Ausfall des Abgasturboladers bedingen können, so dass in der GB 2 186 328 A bereits ein Gehäuse als bekannt zu entnehmen, bei welchem der Flutenteiler als separates Blech zwischen zwei Gehäusehälften eingeklemmt ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Gehäuse sowie ein Gießverfahren zu schaffen, mittels welchem der Flutenteiler mit geringem und präzisem Spaltmaß zwischen den beiden zugehörigen Fluten anzuordnen ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Gehäuse sowie ein Verfahren mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bzw. 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildung der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Um ein Gehäuse zu schaffen, bei welchem der Flutenteiler auf verbesserte Weise innerhalb des Gehäuses anzuordnen ist, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Flutenteiler als separates Einlegeteil, insbesondere als Metallblech oder Gussteiles ausgebildet ist, welches in einen Wandbereich des Gehäuses eingegossen ist. Auf diese Weise ist es möglich, den Flutenteiler fertigungstechnisch besonders einfach und günstig innerhalb des Gehäuses anzuordnen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass mittels des separaten Flutenteilers, welcher insbesondere aus Metallblech oder einem Gussteil ausgebildet ist, äußerst kleine Spaltmaße der Spalte zwischen dem Flutenteiler und dem korrespondierenden Wandbereich des Gehäuses geschaffen werden können, was beispielsweise bei einem aus dem Gusswerkstoff des Gehäuses selbst geschaffenen Flutenteiler aufgrund der zu großen Gusstolerenzen nicht möglich wäre. Die jeweiligen Spaltmaße können somit äußerst genau eingestellt werden, was schlussendlich zu einer Effizienzsteigerung des Abgasturboladers führt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass ein separates Einlegeteil eine geringe Anfälligkeit gegen eine Rissbildung hat, so dass beim vorliegenden Gehäuse ein hierdurch bedingter Leistungsverlust oder gar ein Ausfall des Abgasturboladers zuverlässig vermieden werden kann.
Es ist klar, dass natürlich auch mehrflutige Gehäuse erzeugt werden können, bei welchen beispielsweise eine Mehrzahl von Einlegeteilen nach Art eines Tannenbaums relativ zueinander angeordnet sind.
Das Einlegeteil kann dabei unterschiedliche Werkstoffe, Herstellungsverfahren und Formen aufweisen. Beispielsweise sind ein Metallblech, insbesondere aus Edelstahl oder ein Stahlgussteil gut geeignet. Beim Gussteil besteht die Möglichkeit besonders einfach Oberflächenkonturen oder komplexere Formen zu realisieren.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn zwischen dem Einlegeteil, und einem jeweils korrespondierenden Wandbereich des Gehäuses ein Spalt mit einem Spaltmaß von etwa 2 mm bis etwa 6 mm und vorzugsweise etwa 3–4 mm, vorgesehen ist. Ein derart enger Spalt begünstigt dabei besonders gute Abgaswerte.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn das Einlegeteil in den Wandbereich des Gehäuses formschlüssig hintergreifend und/oder stoffschlüssig und teilweise metallurgisch eingegossen ist. Hierdurch lässt sich eine besonders zuverlässige Verbindung des Einlegeteils mit dem korrespondierenden Wandbereich des Gehäuses erzielen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Gehäuse aus einem dünnwandigen Stahlguss und/oder das Einlegeteil aus einem Stahl, insbesondere einem hochtemperaturfesten Stahl hergestellt. Ein Gehäuse aus dünnwandigem Stahlguss kann dabei besonders gewichtsgünstig hergestellt werden. Ein Einlegeteil aus Stahl, insbesondere hochfestem Stahl, hat dabei den Vorteil, besonders resistent gegen das zu verdichtende Medium zu sein.
Des Weiteren hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn das Einlegeteil zur Fixierung eines zugeordneten Gießkerns an dem Gehäuse angeordnet ist. Somit kommt dem Einlegeteil die weitere Funktion zu, nämlich den zugehörigen Gießkern besonders zuverlässig relativ zur Gießform bzw. zum späteren Gehäuse zu positionieren, um hierdurch äußerst gleichmäßige und reproduzierbare Spaltmaße zu erreichen.
Die vorstehend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Gehäuse erläuterten Vorteile gelten in ebensolcher Weise für das Verfahren gemäß Patentanspruch 6. Dieses zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass das Einlegeteil in den zugehörigen Wandbereich des Gehäuses eingegossen wird. Somit ergibt sich ein besonders einfaches und kostengünstiges Verfahren, mittels welchem das Gehäuse hergestellt werden kann. Des Weiteren ergibt sich hierdurch das vorstehend bereits beschriebene vorteilhafte Gehäuse.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung hat es sich dabei als zudem vorteilhaft gezeigt, wenn das Einlegeteil in einen Gießkern integriert ist, welcher vor dem Gießen des Gehäuses in einer entsprechenden Gießform angeordnet wird. Durch den Gießkern wird dabei das Einlegeteil besonders vorteilhaft und lagesicher innerhalb des Gehäuses bzw. der Gießform positioniert. Hierdurch ergibt sich auf besonders vorteilhafte Weise ein sehr präzises bzw. enges Spaltmaß zwischen dem Einlegeteil und den korrespondierenden Wandbereichen des Gehäuses.
Besonders vorteilig ist dabei, dass der metallblechartige Flutenteiler im Bereich des Spaltes eine mechanische Stütze für den Gießkern darstellt. Da in diesem Bereich nur eine verhältnismäßig geringe Dicke des Gießkerns herrscht, stellt das im Gießkern enthaltene Einlegeteil eine erhebliche mechanische Verstärkung dar. Diese wirkt sich sowohl bei der Gießkernherstellung, beispielsweise durch einen Kernschießprozess, als auch bei dem Gießprozess selbst sehr günstig aus. Vergleichsweise geringe Spaltmaße werden dadurch gießereitechnisch überhaupt erst in ausreichender Qualität verfügbar.
Um dabei eine besonders einfache Herstellung des Gießkerns zu ermöglichen, wird dieser gemeinsam mit dem Einlegeteil, bevorzugt in einem Arbeitsgang geschossen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung hat es sich darüber hinaus als vorteilhaft gezeigt, wenn der Gießkern mittels wenigstens einer Kernstütze in der Gießform positioniert und gehalten wird, um somit eine besonders gleichmäßige und reproduzierbare Positionierung des Einlegeteils innerhalb des Gehäuses zu erreichen.
Das Einlegeteil dient darüber hinaus in weiterer Ausgestaltung der Erfindung zur Halterung und/oder Verstärkung des Gießkerns, so dass dieser besonders vorteilhaft innerhalb der Gießform gehalten ist. Eine besonders vorteilhafte Verstärkung ergibt sich, wenn das Einlegeteil den Gießkern an seiner dünnsten Stelle, also insbesondere im Bereich des Spaltes zwischen dem Einlegeteil und dem korrespondierenden Wandbereich entsprechend verstärkt.
Schließlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn das Einlegeteil in den Wandbereich des Gehäuses formschlüssig hintergreifend und/oder stoffschlüssig eingegossen wird, um eine optimale Verbindung des separaten Einlegeteils mit dem gegossenen Gehäuse zu erreichen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:
1 eine axiale Schnittansicht durch ein als Turbinengehäuse für ein Turbinenrad eines Abgasturboladers gestaltetes Gehäuse, welches zweiflutig ausgebildet ist und dessen beide Fluten durch einen Flutenteiler voneinander unterteilt sind, welches als separates Einlegeteil, insbesondere aus einem Metallblech oder eines Gussteiles, gestaltet und in den korrespondierenden Wandbereich des Gehäuses eingegossen ist; und
2 eine ausschnittsweise vergrößerte Schnittdarstellung der beiden Fluten gemäß 1, welche durch das als separates Einlegeteil ausgebildete Flutenteiler voneinander unterteilt sind, wobei ein Gießkern erkennbar ist, mittels welchem das Einlegeteil während des Gießprozesses innerhalb der Gießform gehalten ist.
In 1 ist in einer axialen Schnittansicht ein als Turbinengehäuse für ein nicht dargestelltes Turbinenrad eines Abgasturboladers ausgebildetes Gehäuse dargestellt. Das Turbinengehäuse wird vorliegend insbesondere bei einem Nutzkraftwagen oder auch in Personenkraftwagen eingesetzt und umfasst zwei Kammern bzw. Fluten 10, 12, die durch einen Flutenteiler in Form eines separaten Einlegeteils 14 voneinander unterteilt sind. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Einlegeteil 14 aus einer Metalllegierung hergestellt und als Metallblech ausgebildet. Insbesondere kann dabei ein hochtemperaturfester Stahl zum Einsatz kommen, welcher geeignet ist, dem im Inneren des Gehäuses strömenden Medium entsprechend zu widerstehen. Als im Rahmen der Erfindung mit umfassend ist es zu betrachten, dass anstelle einer Metalllegierung bzw. eines Metallbleches oder eines Gussteiles gegebenenfalls auch ein anderes Material, beispielsweise auf Keramikbasis, zum Einsatz kommen könnte.
Das Gehäuse selbst ist im vorliegenden Fall aus einem Gusswerkstoff, insbesondere als dünnwandiger Stahlguss, gestaltet. Das Metallblech oder das Gussteil kann somit aus unterschiedlichen Werkstoffen – je nach Anwendung – beschaffen sein, um beispielsweise in Bezug auf den Gusswerkstoff eine entsprechende Zähigkeit, Elastizität, Temperaturbeständigkeit, Verschleißbeständigkeit sowie beispielsweise auch einen geringeren oder angepassten Wärmeausdehnungskoeffizienten aufzuweisen.
In Zusammenschau mit 2, welche eine ausschnittsweise vergrößerte Schnittansicht des vorliegend gedreht dargestellten Gehäuses zeigt, wird erkennbar, dass das die beiden Fluten 10, 12 unterteilende separate Einlegeteil 14 in einen korrespondierenden Wandbereich 16 des Gehäuses eingegossen ist.
Dies erfolgt im vorliegenden Fall durch ein Verfahren zur Herstellung des Gehäuses, bei welchem das Einlegeteil 14 zunächst in einen in 2 dargestellten Gießkern 18 integriert wird, welcher vor dem Gießen des Gehäuses innerhalb einer entsprechenden Gießform angeordnet wird. Im vorliegenden Fall handelt es sich bei dem Gießkern 18 um einen Sandkern, der gemeinsam mit dem Einlegeteil 14 in einem Arbeitsgang geschossen wird. Das Einlegeteil dient dabei als Kernstütze für die beiden Fluten 12 und 10. Durch den Gießkern 18 wird das Einlegeteil 14 äußerst zuverlässig und genau innerhalb der Gießform gehalten und fixiert, so dass sich ein äußerst genaues und reproduzierbares Gießergebnis einstellt.
Zudem wird durch den Gießkern 18 erreicht, dass sich zwischen dem Einlegeteil 14 und dem jeweils zugeordneten Wandbereich 20, 22 ein relativ geringer Spalt a, b, mit einem Spaltmaß von etwa 2 mm bis etwa 6 mm und vorzugsweise etwa 4 mm, einstellt. Der Gießkern 18 wird dabei im Nahbereich zu den Wandbereichen 20, 22 des Gehäuses – also an seiner dünnsten Stelle – durch das Einlegeteil 14 selbst verstärkt.
Der Gießkern 18 wird dabei mittels einem entsprechenden Kernlagers 26 in der Gießform positioniert und gehalten, so dass sich daraus resultierend nach dem Gießen der Gießschmelze der erwünschte geringe Spalt a, b zwischen dem jeweiligen Wandbereich 20, 22 des Gehäuses und dem Einlegeteil 14 ergibt. Auf der den Wandbereichen 20, 22 des Gehäuses gegenüberliegenden Seite ist das Einlegeteil 14 entsprechend eingegossen, wobei ein entsprechender Endbereich 24 des Einlegeteils 14 zur Halterung des Gießkerns 18 innerhalb der Gießform dient. Mit anderen Worten dient das Einlegeteil 14 dann auch zur Kernfixierung – insbesondere gegen Verdrehen und Verschieben – innerhalb der Gießform. Somit dient das Einlegeteil 14 nicht nur als Kernstütze im Bereich seines freien Endes – also im Bereich der Spalte a, b – sondern auch zur Positionierung des Gießkerns 18. Das Einlegeteil 14 kann dabei derart in den korrespondierenden Randbereich 16 des Gehäuses eingegossen sein, dass sich ein formschlüssiger Hintergriff und/oder eine stoffschlüssige bzw. metallurgische Verbindung zwischen dem Einlegeteil 14 – insbesondere dem Metallblech oder eines Gussteiles – und der Gießschmelze bzw. dem Gusswerkstoff ergibt.
Im Rahmen der Erfindung mit umfassend ist es zu betrachten, dass das Gehäuse natürlich auch mehrere als die hier gezeigten zwei Fluten 10, 12 umfassen könnte, welche beispielsweise durch nach Art eines Tannenbaums zueinander angeordnete bzw. ausgebildete Einlegeteile 14 sind. Insgesamt ist jedoch erkennbar, dass vorliegend das eingegossene Einlegeteil 14 ein äußerst gut reproduzierbares Gehäuse geschaffen werden kann welches jeweils im Bereich der Spalte a, b mit einem äußerst geringen und genauen Spaltmaß herstellbar ist, so dass sich insgesamt mittels des Abgasturboladers äußerst günstige Abgaswerte erreichen lassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- GB 2186328 A [0004]

Claims

Gehäuse für ein Laufrad, insbesondere Turbinengehäuse für ein Turbinenrad eines Abgasturboladers, welches aus einem Gusswerkstoff gebildet ist und wenigstens zwei Fluten (10, 12) aufweist, die durch ein Flutenteiler voneinander unterteilt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Flutenteiler als separates Einlegeteil (14), ausgebildet ist, welches in einen Wandbereich (16) des Gehäuses eingegossen ist.
Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Einlegeteil (14) und einem jeweils korrespondierenden Wandbereich (20, 22) ein Spalt (a, b) mit einem Spaltmaß von etwa 2 mm bis etwa 6 mm, und vorzugsweise etwa 4 mm, vorgesehen ist.
Gehäuse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeteil (14) in den Wandbereich (16) des Gehäuses formschlüssig hintergreifend und/oder stoffschlüssig eingegossen ist.
Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse aus einem dünnwandigen Stahlguss besteht und das Einlegeteil (14) aus einem hochtemperaturfesten Stahl besteht.
Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeteil (14) ist ein in das Gehäuse angegossenes Metallblech oder ein Gussteil.
Verfahren zur Herstellung eines Gehäuses für ein Laufrad, insbesondere eines Turbinengehäuses für ein Turbinenrad eines Abgasturboladers, bei welchem das wenigstens zwei durch einen Flutenteiler voneinander unterteilte Fluten (10, 12) aufweisende Gehäuse aus einem Gusswerkstoff gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein als Flutenteiler vorgesehenes Einlegeteil (14) an einem Gießkern fixiert wird und der Gießkern vom Gehäusewerkstoff so umgossen wird, dass ein Teil des Einlegeteils in einen Wandbereich (16) des Gehäuses eingegossen wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Einlegeteil (14) ein Metallblech oder ein Gussteil ausgewählt wird, welches bis auf einen zum Eingießen in das Gehäuse vorgesehenen Bereich vollständig in einen Gießkern (18) für die Innenkontur des Gehäuses integriert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Gießkern (18) mit dem Einlegeteil (14) in einem Arbeitsgang geschossen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Gießkern (18) mittels wenigstens einer Kernstütze (26) in der Gießform positioniert und gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Gießkern (18) mittels des Einlegeteils (14), insbesondere des Metallbleches oder eines Gussteiles, in der Gießform gehalten und/oder verstärkt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeteil (14), insbesondere das Metallblech oder des Gussteiles, in den Wandbereich (16) des Gehäuses formschlüssig hintergreifend und/oder stoffschlüssig eingegossen wird.