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Die Erfindung betrifft eine Befestigungsanordnung eines Verdichterrads an einer Welle für einen Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 beziehungsweise 2.
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Eine solche Befestigungsanordnung eines Verdichterrads an einer Welle für einen Abgasturbolader ist beispielsweise bereits der
EP 3 421 751 A1 als bekannt zu entnehmen. Bei der Befestigungsanordnung ist das auf der Welle angeordnete Verdichterrad in axialer Richtung der Welle an der Welle mittels einer Sicherungsmutter gesichert, welche über ihr Innengewinde und ein korrespondierendes Außengewinde der Welle mit der Welle verschraubt ist, insbesondere auf die Welle aufgeschraubt ist.
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Des Weiteren offenbart die
DE 11 2010 001 369 T5 eine rotierende Anordnung, mit einer Welle mit einem Turbinenende und einem Gewindeverdichterende. Vorgesehen ist auch ein Turbinenrad, das mit dem Turbinenende der Welle starr verbunden ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Befestigungsanordnung der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass eine vorteilhafte Laufruhe auf besonders einfache Weise realisiert werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Befestigungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Befestigungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um eine Befestigungsanordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass eine besonders gute Laufruhe eines die Welle, die Sicherungsmutter und das Verdichterrad umfassenden und auch als Laufzeug oder Rotorsystem bezeichneten Rotors realisieren zu können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein Längenbereich des Verdichterrades in eine korrespondierende Ausnehmung der Sicherungsmutter eingreift, welche in radialer Richtung der Welle, insbesondere nach innen und ganz insbesondere direkt, an dem Längenbereich des Verdichterrades abgestützt ist.
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Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass der Längenbereich des Verdichterrads frei von einem Außengewinde ist, sodass die Sicherungsmutter in radialer Richtung des Verdichterrads beziehungsweise der Welle, insbesondere nach innen und ganz insbesondere direkt, an einer gewindefreien, außenumfangsseitigen Mantelfläche des Längenbereichs des Verdichterrads abgestützt ist.
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Um eine Befestigungsanordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 2 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass eine besonders gute Laufruhe auf besonders einfache Weise realisiert werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Welle einen sich in axialer Richtung der Welle von dem Verdichterrad weg an das Außengewinde der Welle anschließenden, gewindefreien Längenbereich aufweist, an welchem die Sicherungsmutter in radialer Richtung der Welle, insbesondere nach innen hin und ganz insbesondere direkt, abgestützt ist. Dies bedeutet, dass sich der gewindefreie Längenbereich der Welle in eine parallel zu der axialen Richtung der Welle verlaufende oder mit der axialen Richtung der Welle zusammenfallende und von dem Verdichterrad weg weisende Richtung an das Außengewinde anschließt. Unter dem Merkmal, dass der sich von dem Verdichterrad weg an das Außengewinde der Welle anschließende Längenbereich der Welle gewindefrei ist, ist insbesondere zu verstehen, dass der Längenbereich der Welle frei von einem Außengewinde ist, mithin eine gewindefreie, außenumfangsseitige Mantelfläche aufweist, wobei die Sicherungsmutter, insbesondere eine vorzugsweise gewindefreie, innenumfangsseitige Mantelfläche der Gewindemutter, in radialer Richtung der Welle vorzugsweise nach innen und ganz vorzugsweise direkt an der gewindefreien, außenumfangsseitigen Mantelfläche des Längenbereichs der Welle abgestützt ist.
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Beispielsweise ragt der Längenbereich der Welle auf einer in axialer Richtung der Welle und somit des Verdichterrads von dem Verdichterrad abgewandten Seite der Sicherungsmutter aus der Sicherungsmutter heraus, welche in radialer Richtung der Welle, insbesondere nach innen hin und ganz insbesondere direkt, an dem Längenbereich der Welle abgestützt ist.
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Der Erfindung liegen insbesondere die folgenden Erkenntnisse und Überlegungen zugrunde: Die Welle, das Verdichterrad und die Sicherungsmitter sind separat voneinander ausgebildete und miteinander verbundene Komponenten. Dabei ist das Verdichterrad auf der Welle angeordnet und in axialer Richtung der Welle, das heißt in zumindest eine parallel zur axialen Richtung der Welle verlaufende oder mit der axialen Richtung der Welle zusammenfallende Richtung mittels der Sicherungsmutter an der Welle gesichert, sodass in axialer Richtung verlaufende Relativbewegungen zwischen dem Verdichterrad und der Welle zumindest begrenzt, insbesondere vermieden, werden können. Insbesondere ist es denkbar, dass mittels der Sicherungsmutter das Verdichterrad in axialer Richtung der auch als Rotorwelle bezeichneten Welle gegen die Welle, insbesondere gegen einen Bund der Welle, gespannt ist, wodurch insbesondere axiale Relativbewegungen zwischen der Welle und dem Verdichterrad vermieden werden können. Hierzu sind das Innengewinde und das Außengewinde, insbesondere direkt, miteinander verschraubt, sodass die Sicherungsmutter auf die Welle aufgeschraubt, das heißt mit der Welle verschraubt ist. Der Rotor umfasst somit das Verdichterrad, die Welle und die Sicherungsmutter als separat voneinander ausgebildete und miteinander verbundene Komponenten, aus welchen der Rotor aufgebaut oder zusammengebaut ist. Daher wird der Rotor auch als gebauter Rotor oder gebautes Rotorsystem bezeichnet.
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In vollständig hergestelltem Zustand des Abgasturboladers ist der Rotor, insbesondere über die Welle, um eine Drehachse relativ zu einem Gehäuse, insbesondere einem Lagergehäuse, des Abgasturboladers drehbar an dem Gehäuse gelagert. Durch die Eigenschaft von gebauten Rotoren, dass bedingt durch Fertigungstoleranzen nicht alle Bauteile mit ihrem Massenschwerpunkt in der Drehachse des einfach auch als Turbolader bezeichneten Abgasturboladers liegen, und durch den Umstand, dass die dominante Biegeeigenform im Bereich des Rotorendes der auch als Wellenmutter bezeichneten Sicherungsmutter liegt, treten herkömmlicherweise bei Abgasturboladern insbesondere durch die Wellenmutter hohe Unwuchteinflüsse auf. Durch die Erfindung wird die mögliche Abweichung des Schwerpunkts der Sicherungsmutter von der auch als Rotordrehachse bezeichneten Drehachse im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen stark reduziert, da nun die einfach auch als Mutter bezeichnete Sicherungsmutter nicht mehr ausschließlich über das Innengewinde und das Außengewinde, insbesondere an der Welle, geführt wird, was bei herkömmlichen Lösungen prinzipbedingt immer mit Spiel behaftet ist. Die Reduktion dieses Spiels durch die Erfindung reduziert die Rohunwucht des Rotorsystems und verbessert damit stark die Wuchtbarkeit. Dadurch können die Produktionskosten im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen erheblich gesenkt werden.
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Bei der Erfindung wird die Sicherungsmutter nicht nur mittels des Innengewindes und des Außengewindes, welche zusammenfassend auch als Gewinde bezeichnet werden, geführt, sondern die Sicherungsmutter ist zusätzlich in radialer Richtung der Welle und somit in radialer Richtung des Verdichterrads und der Sicherungsmutter, insbesondere nach innen und ganz insbesondere direkt, an dem Längenbereich abgestützt und dadurch zusätzlich geführt beziehungsweise relativ zu der Welle und relativ zu dem Verdichterrad und somit relativ zu der Drehachse positioniert. Hierdurch wird der Schwerpunkt der Sicherungsmutter deutlich reproduzierbarer und mit geringeren Abweichungen zur auch als Wellendrehachse bezeichneten Drehachse positioniert. Durch die Absenkung des Einflusses der Sicherungsmutter auf die Unwucht des Rotors und somit des Abgasturboladers wird die Wuchtbarkeit des Rotors und somit des Abgasturboladers im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen stark verbessert. Dies reduziert den Aufwand für eine Nacharbeit und reduziert die Zeit für die Auswuchtung ebenso. So wird es möglich, die Produktionskosten für Abgasturbolader im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen zu senken.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die 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.
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Die Zeichnung zeigt in:
- 1 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer ersten Ausführungsform einer Befestigungsanordnung eines Verdichterrads an einer Welle für einen Abgasturbolader;
- 2 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer zweiten Ausführungsform der Befestigungsanordnung; und
- 3 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer dritten Ausführungsform der Befestigungsanordnung.
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In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ausschnittsweise in einer schematischen Längsschnittansicht eine erste Ausführungsform einer Befestigungsanordnung 10 eines Verdichterrads 12 an einer auch als Rotorwelle bezeichneten Welle 14 eines Abgasturboladers. Beispielsweise wird der Abgasturbolader für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, verwendet, wobei das vorzugsweise als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Nutzfahrzeug, ausgebildete Kraftfahrzeug mittels der auch als Verbrennungsmotor bezeichneten Verbrennungskraftmaschine antreibbar ist. Bei der Befestigungsanordnung 10 ist das auf der Welle 14 angeordnete Verdichterrad 12 in axialer Richtung der Welle 14 an der Welle 14 mittels einer auch als Mutter oder Wellenmutter bezeichneten Sicherungsmutter 16 gesichert. Hierzu durchdringt die Welle 14 eine korrespondierende, vorzugsweise gewindefreie Durchgangsöffnung 18 des Verdichterrads 12, insbesondere derart, dass auf einer in axialer Richtung des Verdichterrads 12 und somit der Welle 14 und der Sicherungsmutter 16 zu zumindest einem Teilbereich der Sicherungsmutter 16 hinweisenden, axialen Seite S1 des Verdichterrads 12 ein Längenbereich L1 der Welle 14 aus dem Verdichterrad 12 herausragt. Zumindest in einem ersten Teil T1 des Längenbereichs L1 weist die Welle 14 ein erstes Gewinde in Form eines Außengewindes 20 auf. Die Sicherungsmutter 16 weist dabei eine vorliegend als Durchgangsöffnung ausgebildete Öffnung 22 auf, in welcher ein zweites Gewinde in Form eines Innengewindes 24 angeordnet, insbesondere ausgebildet, ist, wobei das Innengewinde 24 mit dem Außengewinde 20 korrespondiert. Es ist erkennbar, dass die Sicherungsmutter 16 über ihr Innengewinde 24 und das korrespondierende Außengewinde 20 der Welle 14 mit der Welle 14 verschraubt ist. Mit anderen Worten sind die Gewinde miteinander verschraubt, insbesondere direkt miteinander verschraubt, wodurch die Sicherungsmutter 16 auf die Welle 14 aufgeschraubt ist. Insbesondere ist mittels der Sicherungsmutter 16 das Verdichterrad 12 in axialer Richtung der Welle 14 gegen die Welle 14, insbesondere gegen einen in den Fig. nicht erkennbaren Bund der Welle 14, gespannt, wodurch in axialer Richtung der Welle 14 und somit in axialer Richtung des Verdichterrads 12 und der Sicherungsmutter 16 verlaufende Relativbewegungen zwischen der Welle 14 und dem Verdichterrad 12 zumindest begrenzt, insbesondere unterbunden, sind.
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Das Verdichterrad 12 weist auf seiner in axialer Richtung der Welle 14 zumindest dem Teilbereich der Sicherungsmutter 16 zugewandten Seite S1 eine axiale Stirnseite 26 auf, welche in axialer Richtung der Welle 14 der Sicherungsmutter 16 zugewandt ist. Bei der ersten Ausführungsform ist die Sicherungsmutter 16 in axialer Richtung der Welle 14 direkt an der Stirnseite 26 und somit direkt an dem Verdichterrad 12 abgestützt, sodass die Sicherungsmutter 16 mittels der Gewinde gegen die Stirnseite 26 gespannt ist.
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Es ist denkbar, dass die Welle 14, insbesondere der Längenbereich L1, auf einer in axialer Richtung der Welle 14 von dem Verdichterrad 12 abgewandten, zweiten Seite S2 der Sicherungsmutter 16 aus der Sicherungsmutter 16, das heißt aus der Öffnung 22, herausragt, sodass die Welle 14 vorliegend die als Durchgangsöffnung ausgebildete Öffnung 22 und somit die Sicherungsmutter 16 in axialer Richtung der Welle 14 vollständig durchdringt.
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Das Verdichterrad 12, die Welle 14 und die Sicherungsmutter 16 sind Bestandteile eines auch als Laufzeug oder Rotorsystem bezeichneten Rotors des Abgasturboladers. Der Rotor ist, insbesondere über die Welle 14, um eine auch als Wellendrehachse oder Rotordrehachse bezeichnete Drehachse 28 relativ zu einem Gehäuse des Abgasturboladers drehbar an dem Gehäuse gelagert, welches beispielsweise ein Lagergehäuse des Abgasturboladers ist. Insbesondere ist das Verdichterrad 12 drehfest mit der Welle 14 verbunden. Der Rotor kann ein in den Fig. nicht dargestelltes Turbinenrad einer Turbine des Abgasturboladers aufweisen. Das Turbinenrad und über das Turbinenrad der Rotor sind von Abgas der Verbrennungskraftmaschine antreibbar und dadurch um die Drehachse 28 relativ zu dem Gehäuse drehbar. Dies bedeutet, dass das Verdichterrad 12 über die Welle 14 von dem Turbinenrad antreibbar und somit um die Drehachse 28 relativ zu dem Gehäuse drehbar ist. Hierdurch kann mittels des Verdichterrads 12 Luft verdichtet werden, die wenigstens einem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine zugeführt wird.
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Um nun auf besonders einfache Weise eine besonders gute Laufruhe des Rotors realisieren zu können, ist es bei der ersten Ausführungsform vorgesehen, dass ein Längenbereich L2 des Verdichterrads 12 in eine korrespondierende, insbesondere mit der Öffnung 22 verbundene Ausnehmung 30 der Sicherungsmutter 16 eingreift. Besonders gut aus 1 ist erkennbar, dass der Längenbereich L2 des Verdichterrads 12 in axialer Richtung der Welle 14 zu zumindest dem Teilbereich der Sicherungsmutter 16 hin und zu sich in radialer Richtung der Welle 14 und somit in radialer Richtung des Verdichterrads 12 an den Längenbereich L2 anschließenden Teilbereichen des Verdichterrads 12, insbesondere der Stirnseite 26, absteht, sodass der Längenbereich L2 in die korrespondierende Ausnehmung 30 der Sicherungsmutter 16 eingreift, mithin in der Ausnehmung 30 aufgenommen ist. Die Sicherungsmutter 16 ist dabei in radialer Richtung der Welle 14 nach innen hin direkt an den Längenbereich L2 des Verdichterrads 12 abgestützt, wodurch die Sicherungsmutter 16 in radialer Richtung der Welle 14 und somit in radialer Richtung des Rotors insgesamt und dabei insbesondere relativ zu der Drehachse 28 besonders präzise und vorteilhaft positioniert ist. Hierdurch kann insbesondere der Massenschwerpunkt der Sicherungsmutter 16 einfach, präzise und definiert relativ zu der Drehachse 28 ausgerichtet werden.
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Insbesondere ist eine die Ausnehmung 30, insbesondere direkt, begrenzende und gewindefreie, innenumfangsseitige Mantelfläche der Sicherungsmutter 16 in radialer Richtung der Welle 14 nach innen hin direkt an einer gewindefreien, außenumfangsseitigen Mantelfläche des Längenbereichs L2 abgestützt, wodurch die Sicherungsmutter 16 insbesondere zusätzlich zu den Gewinden vorteilhaft positioniert werden kann.
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Befestigungsanordnung 10. Bei der zweiten Ausführungsform ragt auf der in axialer Richtung der Welle 14 von dem Verdichterrad 12 abgewandten Seite S2 der Sicherungsmutter 16 der Längenbereich L1 der Welle 14 aus der Sicherungsmutter 16 heraus, derart, dass sich in eine parallel zur axialen Richtung der Welle 14 verlaufende oder mit der axialen Richtung der Welle 14 zusammenfallende und von dem Verdichterrad 12 weg weisende Richtung an den das Außengewinde 20 der Welle 14 aufweisenden Teil T1 des Längenbereichs L1 ein gewindefreier, zweiter Teil T2 des Längenbereichs L1 anschließt, sodass der gewindefreie Teil T2 auf der Seite S2 aus der Sicherungsmutter 16 herausragt. Dabei ist sozusagen der Teil T2 ein weiterer Längenbereich der Welle 14. Dabei ist die Sicherungsmutter 16 in radialer Richtung der Welle 14 nach innen hin direkt an dem gewindefreien Teil T2 abgestützt. Insbesondere ist eine gewindefreie, insbesondere die Öffnung 22, insbesondere direkt, begrenzende, innenumfangsseitige Mantelfläche der Sicherungsmutter 16 direkt an einer gewindefreien, außenumfangsseitigen Mantelfläche des zweiten Teils T2 in radialer Richtung der Welle 14 nach innen hin abgestützt, wodurch die Sicherungsmutter 16 insbesondere zusätzlich zu den Gewinden vorteilhaft relativ zu der Drehachse 28 positioniert werden kann.
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Schließlich zeigt 3 eine dritte Ausführungsform der Befestigungsanordnung 10. Bei der dritten Ausführungsform schließt sich an den das Außengewinde 20 aufweisenden Teil T1 des Längenbereichs L1 in axialer Richtung der Welle 14 zu dem Verdichterrad 12 hin ein gewindefreier Teil T3 des Längenbereichs L1 an, wobei der Teil T3 auf der Seite S1 des Verdichterrads 12 aus dem Verdichterrad 12, das heißt aus der Durchgangsöffnung 18, herausragt. Dabei greift der Teil T3 in die Sicherungsmutter 16, insbesondere in deren Ausnehmung 30, ein, wobei die Sicherungsmutter 16 in radialer Richtung der Welle 14, insbesondere nach innen hin und ganz insbesondere direkt, an dem gewindefreien Teilbereich T3 abgestützt ist. insbesondere ist eine gewindefreie, die Ausnehmung 30, insbesondere direkt, begrenzende, innenumfangsseitige Mantelfläche der Sicherungsmutter 16 in radialer Richtung der Welle 14 nach innen hin direkt an einer gewindefreien, außenumfangsseitigen Mantelfläche des Teils T3 des Längenbereichs L1 der Welle 14 abgestützt, wodurch auch bei der dritten Ausführungsform die Sicherungsmutter 16 zusätzlich zu den Gewinden in radialer Richtung der Welle 14 vorteilhaft relativ zu der Drehachse 28 positioniert ist. Es ist erkennbar, dass bei der dritten Ausführungsform die Sicherungsmutter 16 an einem sogenannten Verdichterrad-Durchmesser abgestützt wird. Bei der ersten Ausführungsform erfolgt eine Abstützung der Sicherungsmutter 16 an dem Verdichterrad 12, und bei der zweiten Ausführungsform erfolgt eine Abstützung der Sicherungsmutter 16 an einem Wellenende der Welle 14.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Befestigungsanordnung
- 12
- Verdichterrad
- 14
- Welle
- 16
- Sicherungsmutter
- 18
- Durchgangsöffnung
- 20
- Außengewinde
- 22
- Öffnung
- 24
- Innengewinde
- 26
- Stirnseite
- 28
- Drehachse
- 30
- Ausnehmung
- L1
- Längenbereich
- L2
- Längenbereich
- S1
- Seite
- S2
- Seite
- T1
- Teil
- T2
- Teil
- T3
- Teil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 3421751 A1 [0002]
- DE 112010001369 T5 [0003]