Welle mit wenigstens einem Laufrad und Verfahren zur Befesti ^¬ gung eines Laufrads an einer Welle eines Turboladers

Die Erfindung betrifft eine Welle eines Turboladers mit we ^¬ nigstens einem Laufrad und ein Verfahren zur Befestigung eines Laufrads, insbesondere eines Verdichterlaufrads , an einer Welle eines Turboladers.

Turbolader weisen im Allgemeinen eine Turbine auf, die in einem Abgasstrom angeordnet ist und über eine Welle mit einem Verdichter im Ansaugtrakt verbunden ist. Auf der Welle sind dabei normalerweise ein Turbinenrad und ein Verdichterrad an- geordnet. Das Turbinenrad der Turbine wird durch den Abgas ^¬ strom eines angeschlossenen Motors angetrieben und treibt hierbei wiederum das Verdichterrad des Verdichters an. Hier ^¬ durch erhöht der Verdichter den Druck im Ansaugtrakt des Motors, so dass während des Ansaugtaktes eine größere Menge Luft in den Zylinder gelangt. Dies hat zur Folge, dass mehr Sauerstoff zur Verfügung steht und eine entsprechend größere KraftStoffmenge verbrannt werden kann.

Im Betrieb kann es nun zu einer Veränderung der Unwucht des Turboladers kommen. So erfährt der Turbinenläufer, während des Betriebs eines Turboladers an einem Motor, sehr hohe Drehzahlen. Bei kleinen Turboladern können dabei Drehzahlen von beispielsweise bis zu 250.000 U/min oder höher auftreten. Durch diese hohen Drehzahlen wird das Verdichterrad aufgrund der Zentrifugalkräfte radial gedehnt und axial verkürzt. Dies kann zu einem kurzzeitigen Lösen des Wellenverbandes führen. Durch dieses kurzzeitige Lösen kann sich nun das Verdichterrad auf der Welle verdrehen und somit zu einer Veränderung der Unwucht des Turboladerlaufzeugs führen. Diese Unwuchtve- ränderung an dem Turbolader macht sich hierbei häufig durch störende Pfeifgeräusche im Fahrzeug bemerkbar. Demnach ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Welle mit einer verbesserten Befestigung wenigstens eines Laufrads darauf bereitzustellen, sowie ein verbessertes Ver ^¬ fahren zum Befestigen eines Laufrads auf einer Welle.

Diese Aufgabe wird durch eine Welle mit den Merkmalen des Pa ^¬ tentanspruchs 1 gelöst.

Demgemäß wird erfindungsgemäß eine Turboladerwelle bereitges- teilt, welche wenigstens ein Laufrad aufweist, welches mit der Turboladerwelle eine Formschlussverbindung bildet.

Die Turboladerwelle hat dabei den Vorteil, dass durch die formschlüssige Verbindung zwischen Laufrad und Welle, ein un- gewolltes Lösen des Laufrads von der Welle im Betrieb verhin ^¬ dert werden kann.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschrei- bung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schemati ^¬ schen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines Verdichterlaufrads wel ^¬ ches auf einer Welle eines Turboladers befestigt ist ;

Fig. 2 eine Schnittansicht eines Laufrads, welches auf einer Welle eines Turboladers befestigt ist gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 eine Perspektivansicht einer Welle mit einem

Laufrad, wobei die Welle einen Montageabschnitt aufweist zur Befestigung eines Laufrads gemäß ei ner zweiten Ausführungsform der Erfindung; Fig. 4 eine Schnittansicht eines Laufrads welches auf der Welle des Turboladers gemäß der zweiten Aus führungsform der Erfindung befestigbar ist;

Fig. 5 ein Ausschnitt des Montageabschnitts der Welle gemäß Fig. 4 zur Befestigung eines Laufrads;

Fig. 6 ein Querschnitt eines Formschlussabschnitt eines

Laufrads und einer Welle eines Turboladers gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung; und

Fig. 7 ein weiterer Querschnitt eines Formschlussab

Schnitts eines Laufrads und einer Welle eines

Turboladers gemäß einem zusätzlichen Ausführungs beispiel der Erfindung.

In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen - sofern nichts anderes angegeben ist - mit denselben Bezugszeichen versehen worden.

In Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines Verdichterlaufrads 10 gezeigt, welches auf einer Welle 12 eines Turboladers befes- tigt ist. Bisher wird das Verdichterrad 10 auf der Läuferwel- le bzw. Turboladerwelle 12 über eine KraftSchlussverbindung gegen ein Verdrehen gesichert.

Das Verdichterlaufrad 10 ist dabei kraftschlüssig mit der Welle 12 verbunden. Hierbei bildet das Verdichterlaufrad 10 in fertig montiertem Zustand mit der Welle 12 einen Bereich 14 mit einer Übergangspassung. Dazu wird das Verdichterlauf- rad 10 zuvor zunächst erwärmt, um dann anschließend auf die Welle 12 aufgeschoben und wieder abgekühlt zu werden. Mit an- deren Worten, es wird durch den Bereich 14 mit der Übergangspassung zwischen dem Verdichterlaufrad 10 und der Welle 12 ein radialer Kraftschluss erzeugt. Zusätzlich wird das Ver- dichterlaufrad 10 über eine Wellenmutter 16 am Ende gesi ^¬ chert. Auf diese Weise wird mittels der Wellenmutter 16 ein axialer Kraftschluss erzeugt. Der Kraftschluss wird dabei zum Teil durch den zuvor be ^¬ schriebenen Bereich 14 mit der Übergangspassung zwischen der Welle 12 und dem Verdichterlaufrad 10 erzeugt und zum größten Teil aber über das axiale Verspannen des sog. Wellenverbandes mittels der Wellenmutter 16 und einem zugehörigen Gewinde 18 auf der Welle 12.

In Fig. 2 ist nun eine Schnittansicht eines Laufrads 100 ge ^¬ zeigt, welches auf einer Welle 120 eines Turboladers befes ^¬ tigt ist gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.

Gemäß der Erfindung wird das Laufrad 100 auf der Welle 120 gegen ein ungewolltes Verdrehen gesichert, durch Bereitstel ^¬ len eines Formschlusses zwischen dem Laufrad 100 und der Wel ^¬ le 120. Mit anderen Worten, das Laufrad 100 und die Welle 120 weisen wenigstens jeweils einen Formschlussabschnitt 20 auf über den das Laufrad 100 und die Welle 120 formschlüssig ver ^¬ bunden sind.

Bei der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, weist die Welle 120 einen Montageab ^¬ schnitt 22 auf, auf welchem das Laufrad 100, beispielsweise ein Verdichterlaufrad oder ein Turbinenlaufrad, aufgebracht wird. Der Montageabschnitt 22 der Welle 120 weist dabei gemäß der Erfindung wenigstens einen Formschlussabschnitt 20 auf, welcher eine formschlüssige Verbindung mit dem Laufrad 100 bildet. Der Formschlussabschnitt 22 der Welle 120 weist dabei einen Querschnitt oder Formschlussprofil auf welcher bzw. welches mit dem entsprechenden Querschnitt oder Formschluss ^¬ profil des Laufrads 100 einen Formschluss bildet. Der in Fig. 2 gezeigte Formschlussabschnitt 20 der Welle 120 weist we ^¬ nigstens einen Vorsprung 24 (z.B. einen Zahn oder Zacken) und/oder wenigstens eine Vertiefung auf. In dem in Fig. 2 ge- zeigten Beispiel weist der Formschlussabschnitt 20 der Welle 120 eine Rändelung auf mit mehreren Riefen oder Zacken bzw. Zähnen . Des Weiteren kann der Montageabschnitt 22 der Welle 120 wahl ^¬ weise zusätzlich wenigstens einen Passungsabschnitt 26 auf ^¬ weisen, oder wie in Fig. 2 gezeigt ist, z.B. zwei Passungsab ^¬ schnitte 26, welche mit dem jeweils zugeordneten Passungsab ^¬ schnitt oder Passungsabschnitten 26 des Laufrads 100 in fer- tig montiertem Zustand z.B. eine Spielpassung oder Übergangspassung bilden.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, ist der Formschlussabschnitt 20 von Welle 120 und Laufrad 100 mit einem z.B. vollständig um- laufenden Zackenprofil oder Rändelung versehen, beispielsweise mit einer Rändel mit achsparallelen Riefen (s.h. Fig. 2) . Ebenso kann auch der Formschlussabschnitt 20 von Welle 120 und Laufrad 100 mit einer Linksrändel und/oder Rechtsrändel versehen sein, um nur einige Beispiele zu nennen. Der Form- Schlussabschnitt 20 von Welle 120 und Laufrad 100 kann aber ebenso auch nur wenigstens einen Abschnitt mit einer Rände ^¬ lung aufweisen oder mehrere Abschnitte mit gleichen oder unterschiedlichen Rändelungen oder Zackenprofilen. Die Rändelung des Formschlussabschnitts 20 der Welle 120 kann dabei beispielsweise durch spanloses Rändeldrücken und/oder spanendes Rändelfräsen ausgebildet werden oder einem anderen geeigneten Verfahren. Zur Herstellung des entsprechenden Zackenprofils oder der entsprechenden Rändelung in dem korres- pondierenden Formschlussabschnitt 20 des Laufrads 100 kann das Zackenprofil oder die Rändelung beispielsweise mittels Fräsen hergestellt werden oder einem anderen geeigneten Verfahren . Wie in Fig. 2 gezeigt ist, können an wenigstens einem Ende des Formschlussabschnitts 20 der Welle 120 sowie an wenigs ^¬ tens einem Ende des Formschlussabschnitts 20 des Laufrads 100 eine Vertiefung 28 oder Ausdrehung bzw. Nut vorgesehen werden. Die Vertiefung 28 oder Nut dient dazu die Rändelung zu begrenzen, wenn diese in dem Formschlussabschnitt 20 ausge ^¬ bildet wird.

Zum Befestigen wird das Laufrad 100 schließlich auf den Montageabschnitt 22 der Welle 120 aufgeschoben, wobei das Lauf ^¬ rad 100 bei Bedarf zusätzlich erwärmt werden kann, wenn beispielsweise der Montageabschnitt 22 wenigstens einen zusätz- liehen Passungsabschnitt 26 aufweist, der mit dem Laufrad 100 eine Übergangspassung bildet. Ansonsten wird das Laufrad 100 mit seinem Formschlussabschnitt 20 auf den korrespondierenden Formschlussabschnitt 20 der Welle 120 aufgeschoben, so dass die Welle 120 und das Laufrad 100 mit ihren beiden Form- Schlussabschnitten 20 ineinander greifen und so einen Form- schluss bilden. Das Laufrad 100 kann dabei außerdem vorzugs ^¬ weise über eine Wellenmutter 26 am Ende zusätzlich gesichert werden, wobei das Laufrad 100 dabei gegen einen Absatz 30 auf der Welle 120 geschraubt werden kann, wie in Fig. 2 gezeigt ist.

In Fig. 3 ist weiter eine Perspektivansicht einer Welle 120 mit einem Laufrad 32 und einem Montageabschnitt 22 für ein zweites Laufrad 100 gemäß der zweiten Ausführungsform der Er- findung gezeigt.

Auf der Welle 120 ist ein Laufrad 32, beispielsweise ein Tur ^¬ binenlaufrad 32 vorgesehen. Zum Befestigen des Verdichterlaufrads 100 weist die Welle 120 einen Montageabschnitt 22 auf. Der Montageabschnitt 22 weist dabei wenigstens einen Formschlussabschnitt 20 auf, um die Welle 120 über einen Formschluss mit dem Verdichterlaufrad 100 zu verbinden, um einem ungewollten Lösen des Verdichterlaufrads 100 im Betrieb entgegenzuwirken. Dabei weist der Formschlussabschnitt 20 von Welle 120 und Laufrad 100 beispielsweise ebenfalls ein Zahn ^¬ profil oder Rändelprofil auf. Gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung ist der Formschlussabschnitts 20 bzw. dessen Formschlussprofil, hier z.B. ein Zahnprofil oder Rändelprofil, auf der Welle 120 derart ausgebildet, d.h. hier selbstschneidend ausgebildet, so dass es ein entsprechendes Formschlussprofil, hier z.B. Zahnprofil oder Rändelprofil, in einen Abschnitt des Laufrads 100 schneidet, um so den Abschnitt des Laufrads 100 als entspre ^¬ chenden Formschlussabschnitt 20 auszubilden. Dies hat den Vorteil, dass auf einen zusätzlichen Arbeitsschritt zum Aus- bilden des Formschlussabschnitts mit z.B. einem Zahnprofil oder einem Rändelprofil als Formschlussprofil verzichtet wer ^¬ den kann. Stattdessen wird beim Aufbringen des Laufrads 100 auf die Welle 120 der Formschluss direkt erzeugt, indem der Formschlussabschnitt 20 der Welle 120 beim Aufschieben des Laufrads 100, das entsprechende Formschlussprofil, hier z.B. Zahnprofil oder Rändelprofil, in das Laufrad 100 und dessen vorgesehenen Formschlussabschnitt 20 einschneidet. Ebenso kann auch umgekehrt ein Formschlussabschnitt 20 mit einem Formschlussprofil, wie z.B. einem Zahnprofil oder Rändelpro- fil, beispielsweise auf dem Laufrad 100 derart ausgebildet werden, d.h. hier z.B. selbstschneidend ausgebildet werden, so dass ein entsprechendes Formschlussprofil, hier z.B. Zahn ^¬ profil oder Ränderprofil, in einen Abschnitt der Welle 120 eingeschnitten werden kann, um so den Abschnitt der Welle 120 als entsprechenden Formschlussabschnitt 20 auszubilden.

Mit anderen Worten, bei der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform wird der Formschluss zwischen der Welle 120 und dem Laufrad 100 bei der Montage erzeugt bzw. bei der Montage des Laufrads 100 auf der Welle 120.

Neben dem Formschlussabschnitt 20 kann der Montageabschnitt 22 der Welle 120 außerdem wenigstens einen zusätzlichen Passungsabschnitt 26 vor und/oder nach dem Formschlussabschnitt 20 aufweisen und mit einem korrespondierenden Passungsabschnitt 26 des Laufrads 100, hier des Verdichterrads, z.B. eine Übergangspassung oder Spielpassung bilden. Des Weiteren können an wenigstens einem Ende des Formschluss ^¬ abschnitts 20 der Welle 120 sowie an wenigstens einem Ende des Formschlussabschnitts 20 des Laufrads 100 eine Vertiefung 28 oder Ausdrehung bzw. Nut vorgesehen werden. Die Vertiefung 28 oder Nut dient dazu die Rändelung zu begrenzen, wenn diese in dem jeweiligen Formschlussabschnitt 20 ausgebildet wird.

In Fig. 4 ist eine Schnittansicht eines Verdichterlaufrads 100 gezeigt, wie es später auf der Welle 120 des Turboladers gemäß Fig. 3 befestigt werden kann.

Wie zuvor beschrieben, wird gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung der Formschluss zwischen der Welle 120 und dem Laufrad 100 bei der Montage erzeugt. Das Verdichterlaufrad 100 weist daher beispielsweise einen Abschnitt auf, welche den späteren Formschlussabschnitt 20 mit der Welle 120 bil ^¬ det. Der Innendurchmesser d _L des Verdichterlaufrads 100 ist vor dem späteren Formschlussabschnitt 20 ausreichend groß ge- wählt, so dass das Laufrad 100 auf die Welle 120 aufgeschoben werden kann und nur im Bereich des späteren Formschlussabschnitts 20 das Formschlussprofil, hier z.B. Zahnprofil oder Rändelprofil, eingeschnitten wird. Des Weiteren kann am Ende des späteren Formschlussabschnitts 20 wahlweise zusätzlich eine Vertiefung 28 oder ein Einstich bzw. eine Nut vorgesehen werden, um das Schneiden des Formschlussprofils, z.B. hier des Zahnprofils oder des Rändelpro ^¬ fils, zu begrenzen. Daran anschließend kann der Durchmesser des Laufrads beispielsweise den gleichen, einen kleineren oder einen größeren Durchmesser als der Formschlussabschnitt 20 aufweisen.

Das Laufrad 100 kann außerdem wie das in Fig. 2 gezeigte Laufrad, am Ende durch eine zusätzliche Wellenmutter (nicht dargestellt) gesichert werden und beispielsweise gegen einen Absatz auf der Welle geschraubt werden. Des Weiteren kann der Montageabschnitt 22 des Laufrads 100 wenigstens einen zusätzlichen Passungsabschnitt 26 vor und/oder nach dem Formschlussabschnitt 20 aufweisen und mit einem korrespondierenden Passungsabschnitt 26 der Welle 100 z.B. eine Übergangspassung oder Spielpassung bilden.

In Fig. 5 ist des Weiteren ein vergrößerter Ausschnitt des Montageabschnitts 22 der Welle 120 für das zweite Laufrad ge- mäß Fig. 3 gezeigt.

Der Montageabschnitt 22 der Welle 120 weist dabei wenigstens einen Formschlussabschnitt 20 auf, wie zuvor beschrieben, wo ^¬ bei der Formschlussabschnitt 20 mit einem Profil versehen ist, das ein entsprechendes Profil bzw. Formschlussprofil in das Laufrad 100 bei dessen Montage auf der Welle 120 schnei ^¬ det. Das in Fig. 5 gezeigte Formschlussprofil des Form ^¬ schlussabschnitts 20 ist dabei ein Rändelprofil 34 mit bei ^¬ spielsweise achsparallelen Riefen. An einen oder beiden Enden des Formschlussabschnitts 20 der Welle 120 kann dabei wahl ^¬ weise zusätzlich eine umlaufende Vertiefung 28 oder ein Einstich bzw. eine Nut vorgesehen werden. Dies erleichtert das Ausbilden des Rändelprofils 34 auf der Welle 120 beispiels ^¬ weise mittels Rändelfräsens .

Des Weiteren kann vor und/oder hinter dem Formschlussabschnitt 20 der Welle 120, in dem Montageabschnitt 22 für das Laufrad 100 wenigstens ein Passungsabschnitt 26 vorgesehen sein, so dass die Welle 120 mit dem Laufrad 100 in montiertem Zustand eine Passung bildet, beispielsweise eine Übergangs ^¬ passung oder einer Spielpassung.

Weiter ist in Fig. 6 ein Querschnitt eines Formschlussab ^¬ schnitts 20 und dessen Formschlussprofils einer Welle 120 und eines Laufrads 100 eines Turboladers gezeigt gemäß einem wei ^¬ teren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Welle 120 und das Laufrad 100 bilden dabei einen Formschluss. Wie in Fig. 6 gezeigt ist, können der Formschlussabschnitt 20 der Welle 120 und der korrespondierende Formschlussabschnitt 20 des Laufrads 100 beispielsweise in Form wenigstens einer Nut- und Federverbindung ausgebildet sein. Dabei können bei ^¬ spielsweise beide Formschlussabschnitte 20 der Welle 120 und des Laufrads 100 jeweils wenigstens eine Vertiefung oder Nut 36 (z.B. eine längliche Vertiefung oder eine längliche Nut) aufweisen. Dabei ist beispielsweise in der zugeordneten Nut 36 der Welle 120 ein entsprechendes Federelement 38 oder Ver ^¬ bindungsstück vorgesehen, welches in die korrespondierende Vertiefung 40 des Formschlussabschnitts 20 des Laufrads 100 bei der Montage eingeführt wird. Mittels wenigstens einer solchen Nut /Federverbindung 36, 38 kann so ein Formschluss zwischen der Welle 120 und dem Laufrad 100 gebildet werden.

Ebenso kann die Welle 120 als Formschlussprofil wahlweise zu ^¬ sätzlich oder alternativ beispielsweise auch wenigstens eine oder mehrere einstückig oder integral mit der Welle 120 aus- gebildete abgerundete Vorsprünge 42 (z.B. längliche abgerun ^¬ dete Vorsprünge) aufweisen, wie in Fig. 6 mit einer gestrichelten Linie angedeutet ist. Auf die Welle 120 mit dem Mon ^¬ tageabschnitt 22 mit dem wenigstens einen abgerundeten Vor ^¬ sprung 42 wird ein Laufrad 100 aufgeschoben mit einer ent- sprechend geformten abgerundeten Vertiefung 44. Auf diese

Weise kann ebenfalls ein Formschluss zwischen der Welle 120 und dem Laufrad 100 bereitgestellt werden. Dabei muss der je ^¬ weilige Vorsprung 42 im Montageabschnitt 22 auf der Welle 120 nicht zwangsläufig länglich, d.h. z.B. in Längsrichtung der Welle 120 verlängert ausgebildet sein. Stattdessen kann der Vorsprung 42 beispielsweise auch kreisförmige ausgebildet sein (nicht dargestellt) und in die Vertiefung 44 des Lauf ^¬ rads 100 entsprechend eingeführt werden bzw. das Laufrad 100 mit seiner Vertiefung 44 auf die Welle 120 und den Vorsprung aufgeschoben werden. Fig. 7 zeigt einen weiteren Querschnitt eines Formschlussab ^¬ schnitts 20 und dessen Formschlussprofils einer Welle 120 und eines Laufrads 100 eines Turboladers gemäß einem zusätzlichen Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Dabei weist das Formschlussprofil des Formschlussabschnitts 20 der Welle 120 wenigstens eine entsprechende Vertiefung 46 oder Nut auf. Dabei wird jedoch im Gegensatz zu der in Fig. 6 gezeigten Nut- und Federverbindung, das Laufrad 100 in Fig. 7 mit jeweils einem entsprechenden Vorsprung 48 versehen, der in die zugeordnete Nut oder Vertiefung 46 der Welle 120 ein ^¬ geführt wird, wenn das Laufrad 100 auf die Welle 120 aufge ^¬ schoben wird, um so einen Formschluss zwischen Laufrad 100 und Welle 120 zu bilden.

Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand der bevor ^¬ zugten Ausführungsbeispiele und Ausführungsformen beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfäl ^¬ tige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere können einzel- ne Merkmale der Ausführungsformen und Ausführungsbeispiele in den Figuren 1 bis 7 miteinander kombiniert werden.

Grundsätzlich kann das Formschlussprofil des jeweiligen Formschlussabschnitts von Welle und Laufrad beliebig ausgebildet sein oder variiert werden, sofern beim Verbinden von Welle und Laufrad ein Formschluss zwischen Welle und Laufrad be ^¬ reitgestellt werden kann. Dies gilt für alle Ausführungsformen der Erfindung. Insbesondere ist die Erfindung auf die ge ^¬ zeigten Formschlussprofile von Welle und Laufrad nicht be- schränkt.