Beschreibung

Magnetfeld erzeugendes Element

Die Erfindung betrifft ein Magnetfeld erzeugendes Element zur Befestigung eins Kompressorrades an einer Turbowelle eines Abgasturboladers, mit einem Grundkörper und einem Gewinde.

Die von einer Brennkraftmaschine erzeugte Leistung hängt von der der Brennkraftmaschine zugeführten Luftmasse und Kraft- stoffmenge ab. Zur Leistungssteigerung ist es notwendig der Brennkraftmaschine eine erhöhte Menge Verbrennungsluft und Kraftstoff zuzuführen. Die Leistungssteigerung wird bei einem Saugmotor durch eine Hubraumvergrößerung oder durch die Erhöhung der Drehzahl erreicht. Eine Hubraumvergrößerung führt aber grundsätzlich zu schwereren in den Abmessungen größeren und damit teureren Brennkraftmaschinen. Die Steigerung der Drehzahl bringt besonders bei größeren Brennkraftmaschinen erhebliche Probleme und Nachteile mit sich.

Eine viel genutzte technische Lösung zur Steigerung der Leistung einer Brennkraftmaschine ist die Aufladung. Damit bezeichnet man die Vorverdichtung der Verbrennungsluft durch einen Abgasturbolader oder auch mittels eines vom Motor mechanisch angetriebenen Verdichters. Ein Abgasturbolader besteht im Wesentlichen aus einem Verdichter und einer Turbine, die mit einer gemeinsamen Welle verbunden sind und mit gleicher Drehzahl rotieren. Die Turbine setzt die normalerweise nutzlos verpuffende Energie des Abgases in Rotationsenergie um und treibt den Verdichter an. Der Verdichter, der in diesem Zusammenhang auch als Kompressor bezeichnet wird, saugt Frischluft an und fördert die vorverdichtete Luft zu den Zylindern des Motors. Der größeren Luftmenge in den Zylindern kann eine erhöhte Kraftstoffmenge zugeführt werden, wodurch die Verbrennungskraftmaschine mehr Leistung abgibt. Der Verbrennungsvorgang wird zudem günstig beeinflusst, so dass die Verbrennungskraftmaschine einen besseren Gesamtwirkungs-

grad erzielt. Darüber hinaus kann der Drehmomentverlauf einer mit einem Turbolader aufgeladenen Brennkraftmaschine äußerst günstig gestaltet werden.

Bei zunehmender Abgasmenge kann die maximal zulässige Drehzahl der Kombination aus dem Turbinenrad, dem Kompressorrad und der Turbowelle, die auch als Laufzeug des Abgasturboladers bezeichnet wird, überschritten werden. Bei einer unzulässigen überschreitung der Drehzahl des Laufzeuges würde dieses zerstört werden, was einem Totalschaden des Turboladers gleichkäme. Gerade moderne und kleine Turbolader mit deutlich kleineren Turbinen- und Kompressorraddurchmessern, die durch ein erheblich kleineres Massenträgheitsmoment ein verbessertes Drehbeschleunigungsverhalten aufweisen, werden vom Problem der überschreitung der zulässigen Höchstdrehzahl betroffen. Je nach Auslegung des Turboladers führt schon eine überschreitung der Drehzahlgrenze um etwa 5 % zur kompletten Zerstörung des Turboladers.

Eine sehr genaue Messung der Drehzahl von Turboladern erfolgt mit einem Magnetfeld erzeugenden Element, das auf der Turbowelle angeordnet ist und sich mit dieser dreht, wobei das vom rotierenden Magnetfeld erzeugenden Element hervorgerufene Magnetfeld von einem Sensor erfasst wird, der ein zur Dreh- zahl der Turbowelle proportionales elektrisches Signal erzeugt .

Aus der JP 10206447 A2 ist eine magnetisierte Mutter zur Befestigung des Kompressorrades an der Turbowelle bekannt. In dieser Mutter ist ein Stabmagnet angeordnet, der von einem

Grundkörper getragen wird. Um ein gut messbares Magnetfeld im Sensor zu erzeugen, muss der rotierende Magnet einerseits möglichst groß sein und eine ausreichende Feldstärke produzieren, andererseits sind alle Magnete aus sehr sprödem Mate- rial gebildet, so dass sie sich als Element zur Befestigung des Kompressorrades an der Turbowelle nur sehr schlecht eignen, da das spröde Magnetmaterial die Kräfte und Anzugsdreh-

momente, die bei der Befestigung des Kompressorrades an der Turbowelle auftreten, nur bedingt oder nicht ausreichend aufnehmen kann.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Magnetfeld erzeugendes Element zur Befestigung eines Kompressorrades an einer Turbowelle eines Abgasturboladers anzugeben, das eine möglichst hohe magnetische Feldstärke erzeugt und dennoch die Kräfte und Anzugsdrehmomente, die bei der Befes- tigung des Kompressorrades an der Turbowelle auftreten, schadlos aufnehmen kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.

Wenn der gesamte Grundkörper aus einem magnetischen Material besteht und in dem Grundkörper eine Hülse angeordnet ist, die aus einem nichtmagnetischen Material besteht und die das Gewinde aufweist, das mit einem Gegengewinde der Turbowelle verschraubbar ist, kann das Magnetfeld erzeugende Element ein Magnetfeld mit hoher Feldstärke erzeugen und es ist zudem geeignet, die Kräfte und Anzugsdrehmomente, die bei der Befestigung des Kompressorrades an der Turbowelle auftreten, schadlos aufzunehmen. Damit vereint das erfindungsgemäße Mag- netfeld erzeugende Element zwei Eigenschaften in sich, die bei einem Magnetfeld erzeugenden Element nach dem Stand der Technik nicht verfügbar sind.

Bei einer Ausgestaltung ist die Hülse als Einpresshülse aus- gebildet. Die Einpresshülse lässt sich schnell und mit geringem Aufwand mit dem Grundkörper verbinden, was Kosten und Produktionszeit spart.

Bei einer nächsten Ausgestaltung weist der Grundkörper eine Innenverzahnung auf, durch die die Hülse formschlüssig mit dem Grundkörper verbunden ist. Hierdurch wird die Hülse fest in dem Grundkörper verankert.

Bei einer Weiterbildung besteht die Hülse aus einem nichtmagnetischen Metall. Eine Hülse aus Metall eignet sich gut zum Einpressen in den Grundkörper und sie kann hohe Kräfte und Drehmomente unbeschadet aufnehmen. Alternativ dazu besteht die Hülse aus einem Kunststoff. Auch moderne Kunststoffe können hohe Kräfte und Drehmomente unbeschadet aufnehmen und es ist sogar denkbar die Hülse im Spritzgießverfahren in dem Grundkörper zu erzeugen.

Bei einer nächsten Weiterbildung ist die Hülse mit mindestens einer Krimpung mit dem Grundkörper verbunden. Eine Hülse lässt sich leicht und ohne großen Aufwand an den Rändern krimpen, womit ebenfalls eine sichere und dauerhafte Verbindung der Hülse mit dem Grundkörper erzeugt wird.

Bei einer nächsten Ausgestaltung ist die Hülse aus austheni- tischem Stahl gebildet. Austhenitischer Stahl ist besonders fest und damit kann die Hülse die hohen Kräfte und Anzugsdrehmomente, die bei der Befestigung des Kompressorrades an der Turbowelle auftreten, besonders gut aufnehmen.

Ausführungsformen der Erfindung werden in den Figuren beispielhaft dargestellt. Es zeigt:

Figur 1: einen Abgasturbolader mit einer Turbine und einem Kompressor,

Figur 2: den Kompressor in einer Schnittdarstellung,

Figur 3: den Grundkörper des Magnetfeld erzeugenden Elements,

Figur 4 : den aus Figur 3 bekannten Grundkörper aus einer anderen Perspektive,

Figur 5: eine Hülse,

Figur 6: das Magnetfeld erzeugende Element,

Figur 7: erneut das Magnetfeld erzeugende Element,

Figur 8: eine Schnittdarstellung des Magnetfeld erzeugenden Elements,

Figur 9: das Magnetfelderzeugende Element zur Befestigung eines Kompressorrades an einer Turbowelle in seiner Einbausituation im Abgasturbolader.

Figur 1 zeigt einen Abgasturbolader 1 mit einer Turbine 2 und einem Kompressor 3. In dem Kompressor 3 ist das Kompressorrad 9 drehbar gelagert und mit der Turbowelle 5 verbunden. Auch die Turbowelle 5 ist drehbar gelagert und an ihrem anderen Ende mit dem Turbinenrad 4 verbunden. Die Kombination aus Kompressorrad 9, Turbowelle 5 und Turbinenrad 4 wird auch als Laufzeug bezeichnet. über den Turbineneinlass 7 wird heißes Abgas von einer hier nicht dargestellten Verbrennungskraftma- schine in die Turbine 2 eingelassen, wobei das Turbinenrad 4 in Drehung versetzt wird. Der Abgasstrom verlässt die Turbine 2 durch den Turbinenauslass 8. über die Turbowelle 5 ist das Turbinenrad 4 mit dem Kompressorrad 9 verbunden. Damit treibt die Turbine 2 den Kompressor 3 an . In den Kompressor 3 wird Luft durch den Lufteinlass 16 eingesaugt, die dann im Kompressor 3 verdichtet und über den Luftauslass 6 der Verbrennungskraftmaschine zugeführt wird.

Figur 2 zeigt den Kompressor 3 in einer Schnittdarstellung. In dem Kompressorgehäuse ist das Kompressorrad 9 zu erkennen. Das Kompressorrad 9 ist auf der Turbowelle 5 mit dem Magnetfeld erzeugenden Element 17 befestigt. Das Magnetfeld erzeugende Element 17 befindet sich damit im Lufteinlass 16 des Kompressors 3. Das Magnetfeld erzeugende Element 17 kann zum Beispiel als Hutmutter ausgebildet sein, die auf ein auf der Turbowelle 5 aufgebrachtes Gewinde aufgeschraubt ist, um das Kompressorrad 9 gegen einen Bund der Turbowelle 5 mit dieser

fest zu verspannen. Das Magnetfeld erzeugende Element 17 zur Befestigung des Kompressorrad 9 an der Turbowelle 5 besteht aus einem Permanentmagnet 13, der den Grundkörper 11 des Magnetfeld erzeugenden Elements 17 bildet. Der Magnet 13 dreht sich bei der Rotation der Turbowelle 5 mit dieser um die Rotationsachse der Turbowelle 5. Dabei erzeugt der Magnet 13 eine änderung der magnetischen Feldstärke bzw. des magnetischen Feldgradienten in dem Sensor 15. Diese änderung des Magnetfeldes bzw. des Feldgradienten erzeugt im Sensor 15 ein elektronisch verarbeitbares Signal, das proportional zur Drehzahl der Turbowelle 5 ist.

Figur 3 zeigt den Grundkörper 11 des Magnetfeld erzeugenden Elements 17. Der Grundkörper 11 des Magnetfeld erzeugenden Elements 17 ist vollständig aus magnetischem Material gebildet, wodurch von dem Grundkörper 11 ein magnetisches Feld mit einer hohen Magnetfeldstärke ausgeht. Am Grundkörper 11 ist der Nordpol N und der Südpol S des Magneten 13 zu erkennen. Weiterhin weist der Grundkörper 11 beispielsweise einen Sechskant 14 auf, an dem ein Werkzeug angreifen kann. Im Grundkörper 11 ist eine Innenverzahnung 12 zu erkennen.

Figur 4 zeigt den aus Figur 3 bekannten Grundkörper 11 aus einer anderen Perspektive. Wiederum ist der Grundkörper 11 vollständig aus magnetischem Material gebildet und er kann damit eine hohe Magnetfeldstärke erzeugen. Der Nordpol N und der Südpol S des Magneten 13 sind am Grundkörper 11 zu erkennen. Darüber hinaus ist auch in Figur 4 die Innenverzahnung 12 im Grundkörper 11 gut sichtbar.

Figur 5 zeigt eine Hülse 10, die aus einem nicht magnetischen Material gebildet ist. Diese Hülse 10 kann z. B. aus einem hochfesten, austhenitischen Stahl oder einem Kunststoff hergestellt sein. Weiterhin zeigt die Figur 5 an der Hülse 10 eine Krimpung 20.

Figur 6 zeigt das Magnetfeld erzeugende Element 17. Das Magnetfeld erzeugende Element 17 besteht aus dem Grundkörper 11, der in Figur 3 und 4 dargestellt wurde und der darin angeordneten Hülse 10, die aus Figur 5 bekannt ist. Die Hülse 10 kann in den Grundkörper 11 eingepresst sein, wobei eine formschlüssige Verbindung der Hülse 10 mit der Innenverzahnung 12 des Grundkörpers 11 entsteht. Die formflüssige Verbindung der Innenverzahnung 12 mit der Hülse 10 sowie die Krimpungen 20 führen zu einer unlösbaren Fixierung der Hülse 10 in dem Grundkörper 11. In die Hülse 10, die z. B. aus hochfestem austhenitischen Stahl bestehen kann, kann leicht ein Gewinde 18 eingebracht werden, das mit einem Gegengewinde 19 auf der Turbowelle 5 verschraubbar ist.

Figur 7 zeigt erneut das Magnetfeld erzeugende Element 17, wobei hier die Krimpung 20 an der Hülse 10 gut zu erkennen ist. Damit bildet der Grundkörper 11 und die Hülse 20 eine ebene obere Fläche, die gegen das Kompressorrad 9 geschraubt werden kann.

Eine Schnittdarstellung des Magnetfeld erzeugenden Elements 17 zeigt Figur 8. Wiederum ist der Grundkörper 11 zu erkennen, in den die Hülse 10 eingepresst ist. Der Grundkörper 11 besteht aus magnetischem Material und auf Grund seines hohen Volumens erzeugt der Magnet 13 eine hohe Magnetfeldstärke. Im Grundkörper 11 ist die Hülse 10 aus hochfestem Stahl angeordnet. Die Hülse 10 ist mit der Innenverzahnung 12 des Grundkörpers 11 formschlüssig verbunden, und darüber hinaus durch die Krimpungen 20 fest im Grundkörper 11 fixiert. Durch diese Anordnung erhält das Magnetfeld erzeugende Element 17 zwei wesentliche Eigenschaften. Zum einen erzeugt das Magnetfeld erzeugende Element 17 auf Grund des hohen Volumens des Magneten 13 eine hohe Magnetfeldstärke und zum anderen bildet die Hülse 10 mit dem darauf aufgebrachten Gewinde 18 ein mecha- nisch sehr stabiles Bauteil, das problemlos zur Befestigung des Kompressorrades 9 an der Turbowelle 5 verwendet werden kann .

In Figur 9 ist das Magnetfeld erzeugende Element 17 zur Befestigung eines Kompressorrades 9 an einer Turbowelle 5 in seiner Einbausituation im Abgasturbolader 1 dargestellt. Zu erkennen ist zunächst das Kompressorrad 9, das mit dem Mag- netfeld erzeugenden Element 17 an der Turbowelle befestigt ist. Das Magnetfeld erzeugende Element 17 besteht aus dem Grundkörper 11 und der darin mechanisch oder/und durch Verklebung verankerten Hülse 10. Hierbei sei darauf hingewiesen, dass die Hülse nicht nur aus einem hochfesten Stahl sondern z. B. auch aus einem Kunststoff bestehen kann.

In der Hülse ist das Gewinde 8 zu erkennen, das mit dem Gegengewinde 19 auf der Turbowelle 5 verschraubt ist. Auch hier weist der Grundkörper 11 beispielsweise einen Sechskant 14 auf, an dem ein Schraubenschlüssel angreifen kann. Die entstehenden Drehmomente und Kräfte werden vollständig auf die Hülse 10 übertragen, die aus hochfestem Material gebildet ist. Damit nimmt die Hülse 10 alle mechanischen Kräfte auf, womit das Kompressorrad 9 sicher an der Turbowelle 5 fixiert ist. Mit der Krimpung 20 wird die Hülse 10 gegen das Kompressorrad 9 gepresst.

Der großvolumige Magnet 13 hingegen, der Bestandteil des Magnetfeld erzeugenden Elementes 17 ist, kann ein Feld mit hoher magnetischer Feldstärke erzeugen, wodurch es möglich wird, den Sensor 15 auch in relativ großer Entfernung vom Magnetfeld erzeugenden Element 17 zu platzieren. Der Magnet 13 ist z. B. in der Lage, ein magnetisches Feld mit einer Feldstärke zu erzeugen, dass durch die Außenwand des Kompressorgehäuses hindurch messbar ist. Dies hat den Vorteil, dass der Sensor

15 außerhalb des Kompressorgehäuses angebracht sein kann, wodurch ein Eingriff in den Aufbau des Kompressorgehäuses nicht notwendig ist.