Charging device i.e. exhaust gas turbocharger, for motor vehicle, has turbine or compressor geometry comprising guide vanes and mounted in axial direction, where each vane has blade, pin and rim connected with one another as single-piece

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ladeeinrichtung, insbesondere einen Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug, mit einer variablen Turbinen- und/oder Verdichtergeometrie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Montage einer derartigen Ladeeinrichtung.

Aus der DE102004023210DE 10 2004 023 210 A1A1 ist eine gattungsgemäße Ladeeinrichtung mit einer variablen Turbinengeometrie bekannt. Um sowohl einen Aufbau als auch eine Montage dieser Ladeeinrichtung zu vereinfachen, sind die Gleitlager zweiteilig ausgebildet, wobei ein erstes Teil eine erste seitliche Führungsscheibe sowie einen sich von dieser erhebenden Gleitlagerzapfen umfasst und ein zweites Teil eine auf den Gleichlagerzapfen an einem von der ersten seitlichen Führungsscheibe abgewandten Ende aufsteckbare zweite seitliche Führungsscheibe umfasst. Dies soll den Vorteil haben, das zunächst unabhängig von dem Verstellring die ersten Teile der Gleitlager am Leitschaufelträger montiert werden können und danach der Verstellring auf den Gleitlagern und abschließend die zweiten Teile der Gleitlager auf die jeweiligen ersten Teile der Gleitlager gesteckt werden können. Erst zum Abschluss der Montagearbeiten werden dann die beiden Teile der Gleitlager miteinander verschweißt.

Eine weitere Ladeeinrichtung mit einer variablen Turbinengeometrie ist bspw. aus der US3068638US 3,068,638 bekannt.

Variable Turbinengeometrien bei Ladeeinrichtungen finden zunehmend Verbreitung, da mit ihnen eine Leistung der Ladeeinrichtung flexibel und schnell anpassbar ist. Konstruktiv betrachtet sind derartige variable Turbinengeometrien jedoch zum Teil äußerst aufwendig zu fertigen, was insbesondere in der Tatsache begründet liegt, dass die Leitschaufeln zuerst mit ihrem Schaufellagerzapfen durch einen Schaufellagerring gesteckt und anschließend von der anderen Seite ein Verstellhebel mit dem freien Ende des Schaufellagerzapfens verbunden werden muss. Dieser Verstellhebel greift in korrespondierende Ausnehmungen an einem Verstellring ein und ermöglicht durch ein Verdrehen des Verstellrings ein vorzugsweise simultanes Verstellen sämtlicher Leitschaufeln.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Ladeeinrichtung der gattungsgemäßen Art, eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, welche sich insbesondere durch eine deutlich vereinfachte Montage und eine reduzierte Teileanzahl auszeichnet.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine variable Turbinen- und/oder Verdichtergeometrie einer Ladeeinrichtung derart auszubilden, dass sie bezüglich ihrer einzelnen Komponenten, das heißt insbesondere bezüglich eines Schaufellagerrings und daran bzw. darin gelagerten Leitschaufeln und bezüglich eines Verstellrings zum Verstellen der Leitschaufeln, aus lediglich einer axialen Richtung zusammensteckbar und damit montierbar ist. Die einzelnen Leitschaufeln sind dabei vorzugsweise einstückig ausgeführt und weisen demnach nicht wie bisher üblich, separate Verstellhebel auf, die erst in einem zusätzlichen Montageschritt an einem Schaufellagerzapfen der Leitschaufeln befestigt werden müssen. Durch die einstückig ausgebildeten Leitschaufeln kann somit eine deutliche Reduzierung der Teilevielfalt erreicht werden, wodurch insbesondere ein reduzierter Montageaufwand und geringere Lager- und Logistikkosten verbunden sind. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Turbinen- und/oder Verdichtergeometrie derart, dass sie aus lediglich einer axialen Richtung zusammensteckbar und montierbar ist, wird auch die Montage bzw. eine entsprechende Demontage deutlich vereinfacht, da die variable Turbinen- und/oder Verdichtergeometrie weder bei der Montage noch bei der Demontage verdreht bzw. ausgerichtet werden muss, um bspw. die einzelnen Leitschaufeln zu montieren. Die einstückig ausgebildeten Leitschaufeln ermöglichen ein Einstecken derselben in den Schaufellagerring von einer Seite her, wobei der zugehörige Verstellring zum Verstellen der Leitschaufeln aus derselben axialen Richtung aufgeschoben wird.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung, sind die Leitschaufeln im Metallspritzgussverfahren hergestellt oder aus Keramik ausgebildet. Das Metallpulverspritzgussverfahren erlaubt es, komplizierte und komplexe Geometrien mit ausgezeichneter Maßhaltigkeit und bester Wirtschaftlichkeit, insbesondere bei hohen Stückzahlen herzustellen. Darüber hinaus weisen derartig hergestellte Bauteile nahezu keinen Nachbearbeitungsaufwand auf, wodurch die Fertigung insgesamt kostengünstiger gestaltet werden kann. Als Rohmaterial beim Metallpulverspritzgussverfahren wird Metallpulver mit einem Bindemittel zu einem homogenen, spritzgießfähigen Granulat vermischt. Die anschließende Verarbeitung des Granulats erfolgt auf konventionellen Spritzgießmaschinen zum Grünling. Das Abschließen des Sinterns bei hohen Temperaturen sowie die anschließende Wärmebehandlung erlauben ein vielseitiges Einstellen von mechanischen Eigenschaften, wie bspw. Härte, Festigkeit oder Zähigkeit. Denkbar ist hierbei auch eine alternative Ausbildung der erfindungsgemäßen Leitschaufeln aus Keramik, welche insbesondere mittels Keramikpulverspritzgussverfahren hergestellt werden. Das keramische Spritzgießen bietet dabei ähnliche Vorteile hinsichtlich der Maßgenauigkeit und der Stückkosten, wie das Metallpulverspritzgussverfahren. Darüber hinaus können mittels keramischen Spritzgussverfahren hergestellte Leitschaufeln bei hohen Temperaturen, insbesondere auch bei Ottomotoren, eingesetzt werden.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.

Dabei zeigen, jeweils schematisch,

1 eine mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen variablen Turbinen- oder Verdichtergeometrie,

2 eine Darstellung wie in 1, jedoch bei einer anderen Ausführungsform,

3 eine weitere mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen variablen Turbinen- oder Verdichtergeometrie,

4 eine Schnittdarstellung im Bereich eines federvorgespannten Nockens zur axialen Fixierung einer zugehörigen Leitschaufel.

Entsprechend der 1, weist eine erfindungsgemäße variable Turbinen- oder Verdichtergeometrie 1 einen Schaufellagerring 2, eine daran drehbar gelagerte Leitschaufel 3 sowie einen Verstellring 4 zum Verstellen der Leitschaufeln 3 auf. Die Leitschaufel 3 ist somit radial zwischen dem innenliegenden Schaufellagerring 2 und dem außenliegenden Verstellring 4 gelagert, wobei ein Verdrehen des Verstellrings 4 gemäß den rechten Darstellungen in der 1 nicht nur ein Verdrehen eines Leitschaufelblatts 5 der Leitschaufel 3, sondern auch eine komplette translatorische Verstellbewegung der Leitschaufel 3 bewirkt. Selbstverständlich erfolgt dieselbe Verstell- bzw. Verdrehbewegung der Leitschaufel 3 bei einem Verdrehen des Schaufellagerrings 2. Gemäß der 1 ist dabei der Übersichtlichkeit halber lediglich eine Leitschaufel 3 dargestellt, wobei klar ist, dass zur Realisierung einer variablen Turbinen- oder Verdichtergeometrie 1 üblicherweise eine Vielzahl derartiger Leitschaufeln 3 vorgesehen sind. Wie der 1 weiter zu entnehmen ist, ist der Verstellring 4 mit einer Innenverzahnung 6 und der Schaufehlagerring 2 mit einer Außenverzahnung 7 versehen, welche bei mit einem Zahnkranz 8 der Leitschaufel 3 kämmen. Erfindungsgemäß umfasst dabei jede Leitschaufel 3 zumindest ein Leitschaufelblatt 5, einen Schaufellagerzapfen 9 (vgl. 2) sowie den Zahnkranz 8, die alle einstückig miteinander ausgebildet sind. Um die variable Turbinen- oder Verdichtergeometrie 1 darüber hinaus besonders einfach montieren zu können, ist diese derart ausgebildet, dass sie aus lediglich einer axialen Richtung zusammensteckbar und damit montierbar bzw. auch demontierbar ist. Dieses Merkmal kennzeichnet alle in den 1 bis 4 dargestellten variablen Turbinen- oder Verdichtergeometrien 1.

Betrachtet man die variable Turbinen- oder Verdichtergeometrie 1 gemäß der 1, so ist klar, dass diese für ihren Zusammenhalt über Stützkonturen an einem Gehäuse der Ladeeinrichtung, bspw. einem Lagergehäuse oder einem Turbinengehäuse, abgestützt sein muss.

Betrachtet man im Vergleich zu der in der 1 gezeigten variablen Turbinen- oder Verdichtergeometrie 1 diejenige in 2, so fällt auf, dass bei dieser jede Leitschaufel 3 zusätzlich einen Lagerkragen 10 aufweist, der vorzugsweise ebenfalls einstückig mit dem Leitschaufelblatt 5, dem Schaufellagerzapfen 9 und dem Zahnkranz 8 ausgebildet ist. Der Übersichtlichkeit halber ist dabei in der 2 ebenfalls lediglich eine einzige Leitschaufel 3 gezeigt, wobei an dieser gut erkennbar ist, dass diese über den zugehörigen Lagerkragen 10 und zusätzlich über den Schaufellagerzapfen 9 im Schaufellagerring 2 gelagert ist. Zusätzlich weist die variable Turbinen- oder Verdichtergeometrie 1 gemäß der 2 eine Deckscheibe 11 auf, welche zusammen mit dem Schaufellagerring 2 eine Lagerausnehmung 12 für den Lagerkragen 10 der daran gelagerten Leitschaufel 3 bildet. Im Vergleich zu der Ausführungsform nach der 1 ist somit die Leitschaufel 3 im Schaufellagerring 2 nach der 2 an zwei Stellen gelagert, nämlich einerseits am Lagerkragen 10 und andererseits am Schaufellagerzapfen 9. Eine Verstellung der Leitschaufeln 3, dass heißt nach der Ausführungsform der 2 eine Verdrehung der Leitschaufeln 3, erfolgt ebenfalls über einen Verstellring 4, welcher mit seiner Innenverzahnung 6 in die Verzahnung am Zahnkranz 8 der Leitschaufel 3 eingreift. Um dabei eine möglichst leichtgängige Lagerung des Verstellrings 4 erreichen zu können, ist dieser über ein Kugellager am Schaufellagerring 2 gelagert, wobei alternativ auch denkbar ist, dass hierfür ein Rollen- oder ein Wälzlager vorgesehen ist. Zur Realisierung des dargestellten Kugellagers weist dabei der Verstellring 4 eine außen liegende Umfangsnut auf, während der Schaufellagerring 2 eine derartige innen liegende Umfangsnut aufweist, in welchen die Kugeln 13 des Kugellagers geführt sind. Als Material für die Kugeln 13 bzw. das gesamte Kugel-/Rollen-/Gleitlager können bspw. Keramik, Stahl oder auch Nickelbasislegierungen zum Einsatz kommen. Denkbar ist auch eine hydrodynamische Lagerung.

Bei den Gemäß den 1 und 2 gezeigten variablen Turbinen- oder Verdichtergeometrien kann die Innenverzahnung 6 und/oder die Außenverzahnung 7 voll umfänglich oder lediglich an bestimmten Kreissegmentabschnitten angeordnet sein, wobei die Verzahnungen 6 und 7sowie der Zahnkranz 8 evolventische, zykloidische oder kerbartige Zähne aufweisen können. Selbstverständlich ist anstelle der Verzahnungen 6, 7 und des Zahnkranzes 8 auch ein entsprechender Reibschluss denkbar, wobei die gezeichneten Verzahnungen 6, 7, 8 eine höhere Stellsicherheit ermöglichen und weniger schmutzanfällig sind.

Sowohl der variablen Turbinen- oder Verdichtergeometrie 1 nach der 1 als auch derjenige nach der 2, ist gemeinsam, dass beide aus einer axialen Richtung montierbar sind, wobei die axiale Montagerichtung in beiden Figuren mit den Pfeil 14 bezeichnet ist.

Bei der variablen Turbinen- oder Verdichtergeometrie 1 nach der 3 ist ein innen liegender Verstellring 4 vorgesehen, welcher mit einer Außenverzahnung 7' mit dem Zahnkranz 8 der Leitschaufel 3 kämmt. Die Leitschaufel 3 ist in diesem Fall über ihren Schaufellagerzapfen 9 und über einen Lagerkragen 10 im Schaufellagerring 2 drehbar gelagert. Generell gilt hierbei, dass die Zähneanzahl an der Innenverzahnung 6, der Außenverzahnung 7, 7' und am Zahnkranz 8 durch eine Anzahl der Leitschaufeln 3 ganzzahlig teilbar sein muss, damit sämtliche Leitschaufeln 3 dieselbe Position zueinander einnehmen können.

Gemäß der 4 ist eine variable Turbinen- oder Verdichtergeometrie 1 gezeigt, bei welcher einer jeweiligen Leitschaufel 3 gegenüberliegend ein federbeaufschlagter Nocken 15 vorgesehen ist, der die Leitschaufel 3 in Richtung des Schaufellagerrings 2 vorspannt. Mittels dieses Nockens 15 kann insbesondere eine axiale Positionierung und das Einstellen eines Spaltspiels, das heißt das Einstellen eines Spiels zwischen der Leitschaufel 3 und einer gegenüberliegenden Wandung erfolgen.

Generell können bei allen gezeigten Ausführungsformen die Leitschaufeln 3 im Metallspritzgussverfahren hergestellt oder geschmiedet sein, wobei alternativ auch vorstellbar ist, dass die Leitschaufeln 3 aus Keramik, insbesondere mittels eines keramischen Spritzgussverfahrens hergestellt werden. Demgegenüber ist der Schaufellagerring 2 üblicherweise als Blechteil, insbesondere als Biege-, Stanz- oder Drehteil ausgebildet. Analog zu den Leitschaufeln 3 kann auch der Verstellring 4 im Metallspritzgussverfahren hergestellt oder aus Keramik ausgebildet sein. Insbesondere die Ausbildung aus Keramik bietet dabei den großen Vorteil, dass derartige Leitschaufeln 3 bzw. Verstellringe 4 auch bei Ottomotoren, eingesetzt werden können.

Durch die Tatsache, dass die erfindungsgemäße variable Turbinen- oder Verdichtergeometrie 1 aus lediglich einer axialen Richtung 14 montierbar und in entgegengesetzter Richtung demontierbar ist, können die Montage bzw. Demontage derselben deutlich vereinfacht und damit die Fertigungskosten reduziert werden. Durch die einstückige Ausbildung der Leitschaufeln 3, insbesondere mit Zahnkranz 8, Leitschaufelblatt 5, Lagerkragen 10 und Schaufellagerzapfen 9 kann darüber hinaus die Teilevielfalt reduziert werden, was ebenfalls zu einer Senkung der Herstellungskosten, insbesondere im Lager- und Logistikbereich, führt. Vor allem kann jedoch aber die separate und aufwendige Montage von Verstellhebeln, wie dies bei bisherigen variablen Turbinengeometrien Gang und Gäbe ist, entfallen.

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• - DE 102004023210 A1 [0002]
• - US 3068638 [0003]