VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUM ZUSAMMENFÜGEN EINER WELLE-NABEVERBINDUNG

EINES LÄUFERS Die Erfindung betrifft einen Läufer einer Ladevorrichtung, insbesondere eines Abgasturboladers mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 9.

Die Befestigung von Laufrädern auf einer Welle eines Abgasturboladers muss hohen Anforderungen genügen. Dazu ist eine Befestigung erforderlich, die bei begrenztem Bauraum hohen Drehzahlen standhält sowie bei großen anliegenden Kräften und Drehmomenten absolut drehfest ist und die eine hohe Lebensdauer aufweist und wuchtbar ausgeführt ist. Turbolader umfassen ein von dem Abgasstrom der Brennkraftmaschine angetriebenes Turbinenrad, das wie- derum ein mit dem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine in Verbindung stehendes Verdichterrad antreibt. Der Verdichter erhöht den Druck, wodurch mehr Sauerstoff ins Ansaugsystem gelangt und eine größere Kraftstoffmenge eingespritzt werden kann, was zu einer Leistungserhöhung der Brennkraftmaschine führt. Eine Welle verbindet das Turbinenrad mit dem Verdichterrad, die ge- meinsam einen Läufer bilden. Im Betrieb können bei Turboladern Drehzahlen von über 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. Die Pfeifgeräusche verursachende Unwuchtveränderung kann weiterhin zu einem völligen Ausfall des Turboladers führen sowie Schäden an der Brennkraftmaschine verursachen.

Die EP 1 502 008 B1 offenbart einen Läufer eines Abgasturboladers, dessen in Lagern eines Gehäuses gelagerte Welle die Laufräder, ein Turbinen- und ein Verdichterrad verbindet. Das Laufrad ist mit einem Nabenfortsatz mit einer zentrischen Ausnehmung und mit einer von der Seite auf die Welle aufgeschraubten Büchse auf der Welle kraftschlüssig montiert. Die eine Dicht- und Haltefunktion ausübende Büchse ist außen mit einer Presshülse versehen, die durch Aufpressen oder Aufschrumpfen mit dem Nabenfortsatz verbunden wird. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Konstruktion vorzuschlagen, die eine kostengünstige Fertigung des Läufers gewährleistet einschließlich eines prozess- sicheren und gleichzeitig dauerfesten Fügevorgangs aller Bauteile des Läufers.

Die Lösung erfolgt erfindungsgemäß mit einem Läufer nach den Merkmalen von Anspruch 1 und einem Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 10. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dar- gestellt.

Gemäß Anspruch 1 bilden die Naben des Laufrades einen axial vorstehenden Nabenfortsatz mit einem inneren Aufnahmeprofil, in das ein endseitiger Wellenabschnitt eines Führungszapfens eines Werkzeugs formschlüssig eingreift, das insbesondere einer Klemmvorrichtung zugeordnet ist.

Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, dass während eines stoffschlüssigen Verbindens der Welle mit dem Turbinenrad und/oder dem Verdichterrad bzw. einer anschließenden Weiterbearbeitung oder Nacharbeit des Läufers deren Nabenfortsatz von einer Klemmvorrichtung außenseitig umschlossen wird. Das Turbinen- und Verdichterrad des Läufers wird bevorzugt aus Inconel oder einem vergleichbar hochtemperaturbeständigen Werkstoff in einem Feingussverfahren hergestellt. Anschließend erfolgt in mehreren Stufen eine Nacharbeit, bevor die Laufräder stoffschlüssig mit der Welle des Läufers zu einer Einheit verbunden werden. Daran schließt sich eine Endbearbeitung des Läufers an, bei der zumindest einzelne Bauteile des Läufers insbesondere mit einem mechanischen, beispielsweise spangebenden Dreh- und Schleifprozess, veredelt werden, um eine optimale Laufqualität des Läufers zu erreichen. Durch das formschlüssige Eingreifen vom Führungszapfen in das Aufnahme- profil des Nabenfortsatzes und das kraftschlüssige Halten der Welle und des Laufrades durch die Klemmvorrichtung während des stoffschlüssigen Verbindens sowie die Endbearbeitung werden diese Bauteile optimal zentriert und fixiert. Weiterhin kann eine kostengünstige Fertigung bzw. Montage aller Bauteile des Läufers realisiert werden. Vorteilhaft werden mit der Klemmvorrichtung und zugehörigen Führungszapfen gleichzeitig alle Bauteile des Läufers zentriert und fixiert. Außerdem kann durch die erfindungsgemäße Kombination der Klemmvorrichtung, die den Nabenfortsatz außenseitig umschließt, und dem Führungszapfen, der formschlüssig in den Nabenfortsatz eingreift, die Länge des Nabenfortsatzes vorteilhaft verkürzt werden. Zudem wird durch die Erfindung eine verbesserte Positionierung, insbesondere Zentrierung bzw. Koaxial i- tät sowie eine rechtwinkelige Ausrichtung der Laufräder gegenüber der Welle erzielt, bevor diese stoffschlüssig verbunden und abschließend nachbearbeitet werden. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen können vorteilhaft auch engere Fertigungs- und Lagetoleranzen eingehalten werden, die sich günstig auf den Betrieb des Abgasturboladers auswirken, bei dem sich Drehzahlen von bis zu 250.000 U/min einstellen. Die erfindungsgemäße Klemmvorrichtung in Verbindung mit den Führungszapfen bewirkt eine sichere form- und kraftschlüssige Verbindung aller Bauteile des Läufers zur Realisierung eines aufgabengerechten, prozesssicheren Fügevorgangs. Vorteilhaft hält die erfindungsgemäße Maßnahme einer hohen Krafteinleitung bzw. Drehmomenteinlei- tung stand und begünstigt somit das stoffschlüssige Verbinden der Welle mit den Laufrädern sowie eine mechanische Endbearbeitung des Läufers. Damit bietet die Erfindung insbesondere für Läufer mit einem RaAx-Turbinenrad (radial und axial angestrahltes Turbinenrad) eine effektive Lösung der bisherigen Spannproblematik.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist in dem Nabenfortsatz sacklochartig ein als Mehrkantprofil ausgebildetes Aufnahmeprofil eingebracht, in das der Führungszapfen eingreift, wobei die Außenkontur des Zapfens mit dem Aufnahmeprofil des Nabenfortsatzes korrespondiert. Als Aufnah- meprofil eignet sich vorteilhaft ein Sechskantprofil, wobei alternativ auch ein Vielzahnprofil einsetzbar ist. Weiterhin bildet der Nabenfortsatz außenseitig einen zylindrisch oder profiliert, insbesondere als Sechskant ausgeführten Zentrieransatz, an dem die Klemmvorrichtung angreift. Um einen eng tolerierten Fügeverband zu realisieren, ist zwischen dem Führungszapfen und dem inneren Aufnahmeprofil des Naben- fortsatzes ein Radialspiel von < 0,15 mm vorgesehen, wobei ein bevorzugtes Radialspiel 0,1 mm beträgt. Ferner schließt die Erfindung eine Klemmvorrichtung ein, die mehrere umfangsverteilt angeordnete, in radialer Richtung verstellbare, mit dem Nabenfortsatz zusammenwirkende Spannbacken umfasst. Um einen dauerfesten Fügeverband zwischen der Welle und der Nabe der Laufräder zu realisieren, ist eine stoffschlüssige Verbindung dieser Bauteile vorgesehen, nachdem zuvor die Welle in der Aufnahme der Nabe eingesetzt bzw. eingepresst wurde. Als stoffschlüssige Verbindung eignen sich unterschiedliche Verfahren, wobei sich bevorzugt eine Reibschweißung eignet, bei der sich beim Abkühlen nach der Schweißung eine gewünschte, den Fügeverband verbessernde Volumenschrumpfung zwischen der Nabe und der Welle einstellt. Alternativ zu einer Reibschweißung bietet sich beispielsweise ein E- lektronenstrahlschweißen, ein Löten oder eine Klebung an, um die Welle und die Laufräder stoffschlüssig dauerfest zu verbinden.

Eine weitere vorteilhafte konstruktive Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Konzepts sieht vor, den Nabenfortsatz mit einer Länge S von < 3 mm auszulegen, wobei bevorzugt eine Länge S von 2 mm vorgesehen ist. Weiterhin weist der Nabenfortsatz eine Wandstärke Z von < 3 mm auf, wobei ein bevorzugtes Maß Z 2 mm beträgt. Der Nabenfortsatz ist damit deutlich kürzer im Vergleich zu bisherigen Lösungen, was vorteilhaft den Materialeinsatz des kostenintensiven, temperaturstabilen Werkstoffs der Laufräder reduziert. Eine weitere Materialeinsparung wird erreicht, indem die bevorzugt als Bohrung ausgeführte Aufnahme sich über die Länge des Nabenfortsatzes hinaus in das Laufrad er- streckt. Neben einem Kostenvorteil bewirken diese Maßnahmen eine deutliche Gewichtsreduktion von > 3 Gramm für jedes Laufrad. Durch die gewichtsoptimierten Laufräder stellt sich im Betriebszustand des Abgasturboladers eine verbesserte Rotordynamik ein, die das Ansprechverhalten und somit den Wirkungsgrad des Abgasturboladers verbessert.

Ferner bietet die Erfindung die Möglichkeit, das Laufrad mit einem Zeichen zu kennzeichnen, das den Werkstoff angibt, aus dem das Laufrad hergestellt ist. Zur Vermeidung einer Unwucht erfolgt die Werkstoffkennzeichnung zentrisch an der Nabe. Bevorzugt ist zur Kennzeichnung innerhalb des Aufnahmeprofils vom Nabenfortsatz ein Buchstabe vorgesehen. Im Anspruch 10 ist ein Verfahren zum dauerfesten Zusammenfügen und zur Endbearbeitung eines Läufers beschrieben, der eine Welle mit einem Turbinenrad und einem Verdichterrad einer Ladevorrichtung, insbesondere eines Abgasturboladers umfasst, wobei das Verfahren durch folgende Schritte gekennzeichnet ist. Zunächst erfolgt eine axiale formschlüssige Montage der Welle in eine Aufnahme der Nabe des jeweiligen Laufrades. Danach wird ein Führungszapfen in ein als Mehrkantprofil ausgeführtes Aufnahmeprofil eines axial vorstehenden Nabenfortsatzes der Nabe des Laufrades eingeführt. Anschließend wird mit zumindest einer den Nabenfortsatz eines Laufrades umschließenden Klemmvorrichtung in Verbindung mit bevorzugt drei zueinander beabstandeten Spannbacken das Laufrad ausgerichtet. Zur Erreichung einer idealen Fixierung wird der Nabenfortsatz über drei weitere Spannbacken der Klemmvorrichtung, die wechselweise zwischen den ersten Spannbacken angeordnet sind, kraftschlüssig gehalten, wobei der Nabenfortsatz bis zu einem dauerelastischen Bereich verformt wird. Die Klemmvorrichtung bewirkt eine Fixierung, die sowohl einer Kraft- und/oder Drehmomenteinleitung während einer stoffschlüssigen Verbindung der Welle mit den Laufrädern standhält als auch einer mechanischen Endbearbeitung des Läufers. Als stoffschlüssige Verbindung ist eine Reibschweißung vorgesehen, mit der in einem weiteren Verfahrensschritt die Welle mit der Nabe verbunden wird. Anschließend erfolgt die mechanische Nacharbeit oder Endbearbeitung des Läufers, insbesondere des Turbinenrades und/oder des Verdichterrades, bevor abschließend die Klemmvorrichtung und der Führungszapfen entfernt werden. 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 beschränkt. Dabei zeigt:

Fig. 1 ein Laufrad in einer Seitenansicht;

Fig. 2 das Laufrad gemäß Fig. 1 in der Vorderansicht; und Fig. 3 einen schematischen Aufbau eines Läufers bestehend aus einer Welle, der endseitig jeweils ein Laufrad zugeordnet ist.

Die Figuren 1 und 2 zeigen in vereinfachten Darstellungen ein als Flügelrad ausgebildetes Laufrad 1 '. Das Laufrad 1 ' ist Teil eines in Figur 3 abgebildeten Läufers 2, der zwei axial beabstandete Laufräder 1 ',1 " umfasst, die über eine Welle 3 verbunden sind. Eine Nabe 4 des Läufers 2 schließt einseitig einen axial vorstehenden Nabenfortsatz 5 mit einem sacklochartigen, als Mehrkantprofil ausgeführten Aufnahmeprofil 6 ein. Außenseitig bildet der Nabenfortsatz 5 einen Zentrieransatz 7, der ebenfalls vorteilhaft ein Mehrkantprofil bildet. Das in dem Nabenfortsatz 5 eingebrachte Aufnahmeprofil 6 erstreckt sich über eine Länge S ₂ , die eine Länge Si von dem Nabenfortsatz übertrifft und weiterhin bis über eine stirnseitige Planfläche 10 in das Laufrad V eingebracht ist. Bevorzugt sind sowohl das Aufnahmeprofil 6 als auch der Zentrieransatz 7 als Sechskantprofil ausgebildet. Der Nabenfortsatz 5 weist eine Länge Si von < 3 mm aus sowie eine Wandstärke Z von < 2 mm. Wie in Figur 2 dargestellt, schließt das Aufnahmeprofil 6 des Nabenfortsatzes 5 eine Kennzeichnung 8 ein, die den Werkstoff angibt, aus dem das Laufrad V hergestellt ist.

Die Darstellung gemäß Figur 3 zeigt den Läufer 2, der Teil eines in Figur 3 nicht näher abgebildeten Abgasturboladers ist. Eines der Laufräder 1 ',1 " ist als Turbinenrad und das weitere Laufrad als Verdichterrad ausgebildet. Die beide Laufräder 1 ',1 " verbindende Welle 3 ist in einem Gehäuse des Abgasturboladers drehbar gelagert. Zur formschlüssigen Verbindung ist die Welle 3 in Auf- nahmen 13 der Naben 4 der Läufer 1 ',1 ' eingesetzt. Eine Zentrierung und Fixierung des Läufers 2 erfolgt mittels einer Klemmvorrichtung 1 1 , die in Figur 3 dem Laufrad V zugeordnet ist. Symmetrisch umfangsverteilt angeordnete, insbesondere hydraulisch verstellbare Spannbacken 12 der Klemmvorrichtung 1 1 stützen sich kraftschlüssig auf dem Zentrieransatz 7 des Nabenfortsatzes 5 vom Laufrad V ab. Weiterhin ist ein Führungszapfen 9 mit einem profilierten Außenprofil in ein korrespondierendes Aufnahmeprofil 6 des Nabenfortsatzes 5 eingesetzt. Die Klemmung des Nabenfortsatzes 5 erfolgt bevorzugt in zwei Schritten. Zunächst ist eine Zentrierung mit beispielsweise drei Spannbacken 12 vorgesehen, bevor mit drei weiteren Spannbacken 12 eine Fixierung erfolgt, bei der gleichzeitig der Nabenfortsatz 5 bis in einen elastischen Bereich verformt werden kann. Mittels einer stoffschlüssigen Verbindung werden anschließend die Welle 3 und die Nabe 5 des Laufrades V durch eine Reibschweißung dauerfest verbunden. Abschließend kann eine mechanische Endbearbeitung des Läufers 2 erfolgen, bevor die Klemmvorrichtung 1 1 sowie der Führungszapfen 9 entfernt werden.

Bezugszeichenliste r,i" Laufrad

2 Läufer

3 Welle

4 Nabe

5 Nabenfortsatz

6 Aufnahmeprofil

7 Zentrieransatz

8 Kennzeichnung

9 Führungszapfen

10 Planfläche

1 1 Klemmvorrichtung

12 Spannbacken

13 Aufnahme

Si Länge Nabenfortsatz

s ₂ Länge Aufnahmeprofil

Z Wandstärke Nabenfortsatz