Beschreibung

Magnetisierte Mutter zur Befestigung eines Kompressorrades eines Abgasturboladers an der Turbowelle und Verfahren zur Herstellung einer solchen

Die Erfindung betrifft eine magnetisierte Mutter zur Befestigung eines Kompressorrades eines Abgasturboladers an der Turbowelle, wobei die Mutter einen Grundkorper aus einem nichtmagnetischen Material aufweist, der einen Hohlraum zur Aufnahme eines magnetischen Materials bildet, sowie ein Verfahren zur Herstellung der magnetisierten Mutter.

Die von einer Brennkraftmaschine erzeugte Leistung hangt von der Luftmasse und der Kraftstoffmenge ab, die der Maschine zur Verbrennung zur Verfugung gestellt werden kann. Um die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern, muss die zugefuhrte Menge der Verbrennungsluft und des Kraftstoffs gesteigert werden. Diese Leistungssteigerung wird bei einem Saugmotor durch eine Hubraumvergroßerung oder durch die Erhöhung der Drehzahl erreicht. Eine Hubraumvergroßerung fuhrt aber grundsatzlich 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 und ist aus technischen Gründen begrenzt.

Eine viel genutzte technische Losung 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 Stromungsverdichter und einer Turbine, die mit einer gemeinsamen Turbowelle verbunden sind und mit der gleichen 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 fordert die vorverdichtete Luft zu den einzelnen 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 gunstig beeinflusst, so dass die Verbrennungskraftmaschine einen besseren Gesamtwirkungsgrad erzielt. Darüber hinaus kann der Drehmomentverlauf einer mit einem Turbolader aufgeladenen Brennkraftmaschine äußerst gunstig gestaltet werden. Bei Fahrzeugherstellern vorhandene Seriensaugmotoren können durch den Einsatz eines Abgasturboladers ohne große konstruktive Eingriffe an der Brennkraftmaschine wesentlich optimiert werden. Aufgeladene Brennkraftmaschinen haben in der Regel einen geringeren spezifischen Kraftstoffverbrauch und weisen eine geringere Schadstoffemission auf. Darüber hinaus sind turbogeladene Motoren leiser als Saugmotoren gleicher Leistung, da der Abgasturbolader selbst wie ein zusatzlicher Schalldampfer wirkt.

Für Brennkraftmaschinen mit einem großen Betriebsdrehzahlbereich, zum Beispiel für Pkw Brennkraftmaschinen, wird schon bei niedrigen Motordrehzahlen ein hoher Ladedruck gefordert. Dafür wird bei den Turboladern ein Ladedruckregelventil, ein so genanntes Waste-Gate-Ventil, eingeführt. Durch die Wahl eines entsprechenden Turbinengehauses wird schon bei niedrigen Motordrehzahlen schnell ein hoher Ladedruck aufgebaut. Das Ladedruckregelventil (Waste-Gate-Ventil) begrenzt dann bei steigender Motordrehzahl den Ladedruck auf einen gleich bleibenden Wert. Alternativ dazu kommen Turbolader mit variabler Turbinengeometrie (VTG) zum Einsatz . Bei diesen Turboladern wird der Ladedruck über die Veränderung der Turbinengeometrie reguliert.

Bei zunehmender Abgasmenge kann die maximal zulassige Drehzahl der Kombination aus dem Turbinenrad, dem Kompressorrad und der Turbowelle, die auch als Laufzeug des Turboladers bezeichnet wird, überschritten werden. Bei einer unzulässigen überschreitung der Drehzahl des Laufzeuges wurde dieses zerstört werden, was einem Totalschaden des Turboladers gleichkommt. Gerade moderne und kleine Turbolader mit deutlich kleineren Turbinen- und Kompressorraddurchmessern, die durch ein erheblich kleineres Massentragheitsmoment ein verbessertes

Drehbeschleunigungsverhalten aufweisen, werden vom Problem der überschreitung der zulassigen Hochstdrehzahl betroffen. Je nach Ausfuhrung des Turboladers fuhrt schon eine überschreitung der Drehzahlgrenze um etwa 5 % zur kompletten Zerstörung des Turboladers.

Zur Drehzahlbegrenzung haben sich die Ladedruckregelventile bewahrt, die nach dem Stand der Technik von einem aus dem erzeugten Ladedruck resultierenden Signal angesteuert werden. überschreitet der Ladedruck einen vorgegebenen Schwellwert, so öffnet das Ladedruckregelventil und leitet einen Teil des Abgasmassenstroms an der Turbine vorbei. Diese nimmt wegen des verringerten Abgasmassenstroms weniger Leistung auf, und die Kompressorleistung geht in gleichem Maße zurück. Der Ladedruck und die Drehzahl des Turbinenrades und des

Kompressorrades werden verringert. Diese Regelung ist jedoch relativ trage, da der Druckaufbau bei einer

Drehzahluberschreitung des Laufzeuges mit einem zeitlichen Versatz erfolgt. Deshalb muss die Drehzahlregelung für den Turbolader mit der Ladedruckuberwachung besonders im hochdynamischen Bereich (Lastwechsel) durch entsprechend frühzeitige Ladedruckreduzierung eingreifen, was zu einem Wirkungsgradverlust fuhrt.

Aus der noch nicht veröffentlichten DE 10 2006 044 667.4 ist ein Turbolader mit einem Magnetfeld erzeugenden Element bekannt, bei dem mittels eines aktiven Sensorelementes die

Drehzahl der Turbowelle erfasst wird. Das Magnetfeld erzeugende Element ist als magnetisierte Mutter zur Befestigung eines Kompressorrades eines Abgasturboladers an der Turbowelle ausgebildet. Die magnetisierte Mutter weist einen Grundkorper aus einem nichtmagnetischen Material auf, der einen Hohlraum zur Aufnahme eines magnetischen Materials bildet. Das magnetische Material ist als gesinterter Permanentmagnet ausgebildet, der in den Hohlraum eingeklebt oder eingeschweißt ist. Das Einkleben oder Einschweißen des Permanentmagneten ist aufwendig und fuhrt zu unausgeglichenen Massenverteilungen in der magnetisierten Mutter. Da die Mutter zusammen mit der Turbowelle bei sehr hoher Drehzahl rotiert, wirken sich schon kleinste Fehler bei der Massengleichverteilung extrem nachteilig aus.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine magnetisierte Mutter anzugeben, die einfach und kostengünstig herstellbar ist, wobei eine möglichst gute Massengleichverteilung im Bezug auf die Rotationsachse der Mutter gewahrleistet sein soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemaß dadurch gelost, dass das magnetische Material in den Hohlraum in einem Spritzgussverfahren eingefugt ist.

Dies hat den Vorteil, dass die magnetisierte Mutter sehr einfach hergestellt werden kann, weil kein gesinterter Permanentmagnet in den Grundkorper eingeklebt oder eingeschweißt werden muss. Auch die durch das Einkleben oder Einschweißen des gesinterten Permanentmagneten entstehenden Unwuchten entstehen bei der erfindungsgemaßen magnetisierten Mutter nicht. Darüber hinaus können bei der Herstellung der erfindungsgemaßen magnetisierten Mutter im Grundkorper eventuell vorhandene Masseungleichverteilungen im Bezug auf die Rotationsachse der magnetisierten Mutter (die mit der Rotationsachse der Turbowelle identisch ist) durch das eingespritzte magnetische Material ausgeglichen werden. Man

kann die Mutter also mit dem magnetischen Material auswuchten, was einen bedeutenden Vorteil im Vergleich zu magnetisierten Muttern nach dem Stand der Technik darstellt.

Bei einer ersten Ausgestaltung ist der Hohlraum ringförmig ausgebildet. Durch diese Ausgestaltung des Hohlraums ist es möglich eine große Menge des magnetischen Materials einzuspritzen und man kann das magnetische Material in der entsprechenden Menge im Hohlraum verteilen, um die magnetisierte Mutter auszuwuchten.

Bei einer nächsten Ausgestaltung weist der Hohlraum eine Hinterschneidung auf. Die Hinterschneidung verhindert das Herausfallen des magnetischen Materials aus dem Hohlraum, nachdem es in diesen eingespritzt wurde und erstarrt ist.

Bei einer weiteren Ausgestaltung, die auch vorteilhaft mit der zuvor genannten kombiniert werden kann, weist der Hohlraum an mindestens einer seiner Wände eine umlaufende Verzahnung auf und/oder der Hohlraum weist an mindestens einer seiner Wände eine umlaufende eine raue Oberflache auf. Diese Maßnahmen dienen dazu, das eingespritzte magnetische Material sicher im Hohlraum zu fixieren.

Bei einer Weiterbildung ist das magnetische Material Epoxid gebundenes NdFeeB-Pulver . Epoxid gebundenes NdFeeB-Pulver lasst sich gut verspritzen und härtet im Hohlraum sehr fest und langzeitbestandig aus. Außerdem lasst es sich hervorragend magnetisieren, wodurch die magnetisierte Mutter ein magnetisches Feld mit hoher Feldstarke erzeugen kann.

Im Hinblick auf das Verfahren wird die Aufgabe dadurch gelost, dass der Grundkorper in ein Spritzgießwerkzeug eingelegt wird und das magnetische Material in den Hohlraum eingespritzt wird. Dies ist ein sehr kostengünstiges und effizientes Vorgehen, bei dem eine magnetisierte Mutter von hoher Qualität entsteht. Die magnetisierte Mutter kann sehr

einfach hergestellt werden, weil kein gesinterter Permanentmagnet in den Grundkorper eingeklebt oder eingeschweißt werden muss. Auch die durch das Einkleben oder Einschweißen des gesinterten Permanentmagneten entstehenden Unwuchten entstehen bei dem erfindungsgemaßen Verfahren zur Herstellung einer magnetisierten Mutter nicht.

Bei einer Weiterbildung wird beim Einspritzen des magnetischen Materials eine möglichst gute Massengleichverteilung in der magnetisierten Mutter im Bezug auf die Rotationsachse der magnetisierten Mutter erzeugt. Hierdurch können eventuell im Grundkorper auftretende Massenungleichverteilungen gezielt ausgeglichen werden.

Bei einer Ausgestaltung werden Massenungleichverteilungen des Grundkorpers im Bezug auf die Rotationsachse der magnetisierten Mutter durch das Einspritzen des magnetischen Materials kompensiert. Man kann die Mutter also mit dem erfindungsgemaßen Spritzverfahren auswuchten, was einen bedeutenden Vorteil im Vergleich zum Herstellungsverfahren von magnetisierten Muttern nach dem Stand der Technik darstellt.

Ausfuhrungsformen der Erfindung werden in den Figuren beispielhaft dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1: einen Abgasturbolader,

Fig. 2: einen Abgasturbolader mit einem Sensor zur Messung der Drehzahl der Turbowelle nach dem

Stand der Technik,

Fig. 3: eine magnetisierte Mutter nach dem Stand der

Technik,

Fig. 4a, b, c: eine magnetisierte Mutter von unten, im seitlichen Schnitt und von oben,

Fig. 5a, b, c: eine nächste magnetisierte Mutter von unten, im seitlichen Schnitt und von oben,

Fig. 6a, b, c: eine dritte magnetisierte Mutter von unten, im seitlichen Schnitt und von oben,

Fig. 7: eine schematische Darstellung des Verfahrens zur Herstellung der magnetisierten Mutter.

Figur 1 zeigt einen Abgasturbolader 1 mit einer Turbine 2 und einem Kompressor 3. Im 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. über den Turbineneinlass 7 wird heißes Abgas von einer hier nicht dargestellten

Verbrennungskraftmaschine in die Turbine 2 eingelassen, wobei das Turbinenrad 4 in Drehung versetzt wird. Der Abgasstrom verlasst 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 10 eingesaugt, die dann im Kompressor 3 verdichtet und über den Luftauslass 6 einer hier nicht dargestellten Verbrennungskraftmaschine zugeführt wird.

Figur 2 zeigt den Kompressor 3 eines Abgasturboladers 1 mit einem Sensor 12 zur Messung der Drehzahl der Turbowelle 5 nach dem Stand der Technik. Der Abgasturbolader 1 umfasst eine Turbowelle 5, auf der das Kompressorrad 9 angeordnet ist. Das Kompressorrad 9 ist mit einer magnetisierten Mutter 11 mit der Turbowelle 5 verbunden. Die Rotationsachse der magnetisierten Mutter 11 ist mit der der Turbowelle 5 identisch. In der magnetisierten Mutter 11 befindet sich ein gesinterter Permanentmagnet, der einen Nordpol N und einen Sudpol S aufweist. Der Permanentmagnet ist in einen Hohlraum im Grundkorper der magnetisierten Mutter 11 eingeklebt oder eingeschweißt. Mit der Drehung der Turbowelle 5 erfolgt eine

Drehung der magnetisierten Mutter 11 mit dem Magneten, womit sich das vom Nord- und Sudpol erzeugte magnetische Feld im Bezug auf den Sensor 12 ändert. Der Sensor 12 ist als separates Bauteil in einer Ausnehmung des Kompressorgehauses angeordnet. Hierzu ist eine Dichtung vorgesehen, die das Kompressorgehause im Bereich des Sensors 12 abdichtet.

Figur 3 zeigt eine magnetisierte Mutter 11 nach dem Stand der Technik. Der Grundkorper 14 der magnetisierten Mutter 11 weist einen Hohlraum 15 auf, in den der gesinterte

Permanentmagnet 13 eingeklebt oder eingeschweißt wird. Eine auf diese Weise hergestellte magnetisierte Mutter 11 muss aufwendig nachbearbeitet werden, da der eingeklebte, gesinterte Permanentmagnet 13 in der Regel eine Unwucht in der magnetisierten Mutter 11 erzeugt. Da sich die magnetisierte Mutter 11 mit sehr hoher Geschwindigkeit mit der Turbowelle 5 um deren Rotationsachse dreht, erzeugt jede noch so geringe Massenunwucht hohe, an der Turbowelle 5 angreifende Kräfte. Derartige Unwuchten erzeugen in den Lagern der Turbowelle 5 Lagerschaden, was nur zu vermeiden ist, wenn die Massenunwucht auf der Turbowelle 5 aufwendig ausgewuchtet wird. Daher ist es wünschenswert, alle mit der Turbowelle 5 rotierenden Teile mit einer größtmöglichen Massengleichverteilung in Bezug auf die Rotationsachse herzustellen. Dies geschieht durch das erfindungsgemaße

Verfahren zur Herstellung der magnetisierten Muttern 11. Nach dem Verfahren hergestellte magnetisierte Muttern 11 werden in den Figuren 4 bis 6 dargestellt.

Figur 4a zeigt eine magnetisierte Mutter 11 in ihrer Ansicht von unten. Die magnetisierte Mutter 11 weist einen Grundkorper 14 mit einem Hohlraum 15 auf, in den das magnetische Material 16 eingespritzt wurde. Zur Lagesicherung des magnetischen Materials 16 weist der Grundkorper 14 Ohren 18 auf, in denen das ausgehartete magnetische Material 16 fest verankert ist. Ein Verdrehen des magnetischen Materials 16 in Bezug auf den Grundkorper 14 ist damit ausgeschlossen.

Das magnetische Material 16 kann derart eingespritzt werden, dass im Bezug auf die Rotationsachse der Turbowelle 5 alle Massenungleichverteilungen der magnetisierten Mutter 11 beseitigt sind.

Einen seitlichen Schnitt der magnetisierten Mutter 11 zeigt Figur 4b. Zu erkennen ist wiederum die Turbowelle 5 mit der Rotationsachse, um die in axial symmetrischer Weise der Grundkorper 14 gebildet ist. Der Grundkorper 14 weist einen Hohlraum 15 auf, in dem das magnetische Material 16 eingespritzt ist.

Figur 4c zeigt die magnetisierte Mutter 11 in einer Ansicht von oben. Auch hier ist der Grundkorper zu erkennen, in dem ein Eingriff 21 für ein hier nicht dargestelltes Drehwerkzeug ausgebildet ist. Beispielhaft ist hier der Eingriff 21 für ein Torxschlussel dargestellt, wobei jeder andere Eingriff für ein Drehwerkzeug denkbar ist.

Figur 5 zeigt eine weitere Ausfuhrungsform der magnetisierten Mutter 11, wobei in Figur 5a wieder die Ansicht von unten dargestellt ist. Der Grundkorper 14 weist einen Hohlraum 15 auf, in den das magnetische Material 16 eingespritzt wurde. Um das magnetische Material 16 im Hohlraum 15 zu fixieren, ist an der äußeren Wand des Hohlraumes 15 eine Verzahnung 17 ausgebildet. Das magnetische Material 16 passt seine Form der Verzahnung 17 beim Einspritzvorgang an. Damit wird das magnetische Material 16 in dem Hohlraum 15 der magnetisierten Mutter 11 sicher in seiner Lage fixiert.

Eine seitliche Ansicht der aus Figur 5a bekannten magnetisierten Mutter 11 zeigt Figur 5b. Zu erkennen ist der Grundkorper 14 mit dem Hohlraum 15, in dem das magnetische Material 16 eingebracht ist. Bei dieser magnetisierten Mutter 11 reicht das magnetische Material 16 nicht bis an die

Turbowelle 5 heran. Der Hohlraum 15 bildet eine Trennwand zwischen dem magnetischen Material 16 und der Turbowelle 5.

Figur 5c zeigt die Draufsicht auf die magnetisierte Mutter 11. Der Eingriff 21 ist wiederum für ein Torxdrehwerkzeug ausgebildet. Mit einem Torxeingriff 21 können besonders hohe Anzugsdrehmomente auf die magnetisierte Mutter 11 übertragen werden.

Figur 6a zeigt die Draufsicht einer dritten Ausfuhrungsform der magnetisierten Mutter 11. Zu erkennen ist der Grundkorper 14 mit dem Hohlraum 15 und dem darin eingebrachten magnetischen Material 16. Darüber hinaus ist eine Hinterschneidung 19 angedeutet, die wiederum zur Lagesicherung des magnetischen Materials 16 im Hohlraum 15 ausgebildet ist.

Auch Figur 6b zeigt die Hinterschneidung 19, die an dem Grundkorper 14 ausgebildet ist. Das im Hohlraum 15 eingebrachte magnetische Material 16 ist nach seinem Ausharten durch die Hinterschneidung 19 fest im Hohlraum 15 des Grundkorpers 14 fixiert und kann nicht aus diesem herausrutschen.

Figur 6c zeigt die Draufsicht der magnetisierten Mutter 11 mit dem Eingriff 21 für einen Torxschlussel .

In Figur 7 ist das Verfahren zur Herstellung der magnetisierten Mutter 11 schematisch dargestellt. Der Grundkorper 14 weist den aus den Figuren 4 bis 6 bekannten Hohlraum 15 auf, in den das magnetische Material 16 eingespritzt wird. Die Spritzduse 20 kann so gefuhrt werden, dass die Ungleichverteilungen der Masse der magnetisierten Mutter 11 im Bezug auf die Rotationsachse der Turbowelle 5 ausgeglichen werden, wobei in einem Fertigungsschritt sowohl das magnetische Material 16 in die magnetisierte Mutter 11 eingebracht wird, als auch eine Auswuchtung der Massenverteilung der magnetisierten Mutter 11 im Bezug auf die Rotationsachse der Turbowelle erreicht wird. Mit dem erfindungsgemaßen Verfahren lasst sich eine hervorragend

ausgewuchtete, magnetisierte Mutter 11 sehr kostengünstig und schnell herstellen.