DE112015002907B4

DE112015002907B4 - Leitgitter für einen turbolader und verfahren zum herstellen eines stellstifts

Info

Publication number: DE112015002907B4
Application number: DE112015002907.9T
Authority: DE
Inventors: Thomas Ramb
Original assignee: BorgWarner Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 2014-06-20
Filing date: 2015-06-17
Publication date: 2024-10-17
Anticipated expiration: 2035-06-18
Also published as: KR20170020433A; JP2017518460A; CN106460547B; WO2015195766A1; JP6615127B2; DE112015002907T5; CN106460547A; US20170122124A1; US10968768B2

Abstract

Leitgitter (18) für einen Turbolader (1) mit variabler Turbinengeometrie (VTG), das einen Turbinenrotor (4) des Turboladers (1) radial außen umgibt und folgende Teile aufweist:- einen Schaufellagerring (6),- eine Mehrzahl von Leitschaufeln (7), die jeweils eine im Schaufellagerring (6) gelagerte Schaufelwelle (8) aufweisen,- einen Verstellring (5), der mit den Leitschaufeln (7) über zugeordnete, an den Schaufelwellen (8) an einem ihrer Enden befestigte Schaufelhebel (20) in Wirkverbindung steht, wobei jeder Schaufelhebel (20) am anderen Ende einen Hebelkopf (23) aufweist, der mit einer zugeordneten Eingriffsausnehmung (24) des Verstellrings (5) in Eingriff bringbar ist, und- einen Stellstift (25), der mit dem Verstellring (5) verbunden ist,wobei der Stellstift (25) einen Schweißbolzen (27) aufweist, auf dem eine verschleißresistente Hülse (28) angeordnet ist, undwobei der Schweißbolzen (27) einen zylindrischen Bolzenkörper (29) aufweist, der an einem Ende mit einer Auflagescheibe (30) versehen ist,dadurch gekennzeichnet, dass die Auflagescheibe (30) einen Steckstift (31) aufweist und/oder dass die Hülse (28) an der Auflagescheibe (30) anschlägt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Leitgitter für einen Turbolader mit variabler Turbinengeometrie gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, einen Turbolader mit variabler Turbinengeometrie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Stellstifts für eine Stelleinrichtung eines Abgasturboladers gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8.
Ein derartiger Turbolader ist aus der EP 1 564 380 A1 bekannt.
Die WO 2013/163024 A1 offenbart einen Abgasturbolader mit einer Turbine, die ein Turbinenrad aufweist, das von einem Anströmkanal umgeben ist. Der Abgasturbolader weist zudem eine VTG-Kartusche mit einer Scheibe und einem Schaufellagerring auf, die den Anströmkanal begrenzen. Eine Mehrzahl von Schaufeln ist im Anströmkanal angeordnet und im Schaufellagerring über drehbare Schaufelwellen gelagert, wobei die Schaufeln mit Schaufelhebeln verbunden sind, deren Hebelköpfe in zugeordneten Nuten eines Verstellrings eingreifen, der den Schaufellagerring außenseitig umgibt. Ein ebener Verstellhebel steht mit einer Verstellwelle zur Übertragung eines Verstellmomentes auf den Verstellring in Wirkverbindung. Der Verstellhebel weist in einem dem Verstellring benachbarten ersten Endbereich eine Nut auf, die einen Stellstift umgreift, der auf dem Verstellring fixiert ist. Zudem sind die Schaufelhebel gekröpft.
DE 11 2011 103 421 T5 offenbart einen Abgasturbolader mit einem Verdichter und mit einer Turbine, die ein Turbinengehäuse aufweist. Zudem weist der Abgasturbolader ein Lagergehäuse auf, das einen verdichterseitigen Flansch und einen turbinenseitigen Flansch aufweist. Eine VTG-Kartusche weist einen Verstellring auf und eine Verstellwelle, die durch den turbinenseitigen Flansch des Lagergehäuses hindurchgeführt ist. Ein innerer Hebel greift in den Verstellring der VTG-Kartusche ein. Ein äußerer Hebel ist mit einem Stellelement eines Aktuators verbunden. Der äußere Hebel weist eine offene gerundete Befestigungsaufnahme auf, in die ein zugeordneter Wellenabschnitt der Verstellwelle eingreift.
Zudem wird auf die US 2004/0250540 A1 verwiesen, die sich auf ein Herstellungsverfahren bezieht, durch welches eine Massenproduktion von einstellbaren Schaufeln und eines VGS-Turboladers mit den darin enthaltenen einstellbaren Schaufeln erreicht werden kann.
Weiterhin wird auf die DE 60 2006 000 327 T2 verwiesen, welche ein Verfahren zur Herstellung eines Abgasturboladers sowie von Bestandteilen eines variablen Verengungsmechanismus zum Verändern des Blattwinkels einer Mehrzahl von in einem Gehäuse gelagerten Düsenflügeln betrifft.
Zur Verbindung eines inneren Hebels einer Betätigungseinrichtung ist ein Stellstift vorgesehen, der einerseits mit dem Verstellring verbunden ist und andererseits mit dem inneren Hebel in Eingriff steht. Dieser üblicherweise kalt umgeformte Stellstift wird direkt auf den Verstellring aufgeschweißt. Der hochwertige Grundwerkstoff in Verbindung mit der verschleißoptimierten Oberfläche muss die Dauerhaltbarkeit sicherstellen. Dies ist jedoch bei dem gattungsgemäßen Turbolader nur mit Kompromissen in der Schweißgüte bzw. in der Verschleißfestigkeit realisierbar.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Leitgitter für einen Turbolader der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art zu schaffen, bei dem es möglich ist, sowohl eine hohe Schweißgüte, als auch eine hohe Verschleißfestigkeit eines Stellstiftes des Turbolader-Leitgitters möglich zu machen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruches 1. Die Unteransprüche beziehen sich jeweils auf weitere Aspekte, die miteinander in irgendeiner gewünschten, technologisch sinnvollen Weise kombiniert werden können. Die Beschreibung, insbesondere in Verbindung mit den Figuren, kennzeichnet und spezifiziert die Erfindung weiter.
Dementsprechend stellt die Erfindung ein Leitgitter für einen Turbolader mit variabler Turbinengeometrie bereit, das ein Turbinenrad des Turboladers radial außen umgibt, das einen Schaufellagerring aufweist, das eine Mehrzahl von Leitschaufeln aufweist, die jeweils eine im Schaufellagerring gelagerte Schaufelwelle aufweisen. Das Leitgitter weist zudem einen Verstellring auf, der mit den Leitschaufeln über zugeordnete, an den Schaufelwellen an einem ihrer Enden befestigte Schaufelhebel in Wirkverbindung steht. Jeder Schaufelhebel weist am anderen Ende einen Hebelkopf auf, der mit einer zugeordneten Eingriffsausnehmung des Verstellrings in Eingriff bringbar ist. Das Leitgitter weist einen Stellstift auf, der mit dem Verstellring verbunden ist, wobei der Stellstift einen Schweißbolzen aufweist, auf dem eine verschleißresistente Hülse angeordnet ist. Der Schweißbolzen weist einen zylindrischen Bolzenkörper auf, der an einem Ende mit einer Auflagescheibe versehen ist, wobei die Auflagescheibe einen Steckstift aufweist und/oder wobei die Hülse an der Auflagescheibe anschlägt.
In einer Ausführungsform ist der Schweißbolzen aus einem gut schweißbaren Material hergestellt. Dadurch kann der Schweißbolzen ohne großen Aufwand an den Verstellring geschweißt werden.
Die Auflagescheibe bildet einen Flächenkontakt zwischen dem Schweißbolzen und dem Verstellring.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Auflagescheibe einen größeren Durchmesser als der Bolzenkörper auf. Die Auflagescheibe bildet dadurch eine axiale Begrenzung für die Hülse. Die Auflageoberfläche positioniert den Stellstift orthogonal bezüglich des im Wesentlichen ebenen Verstellrings.
Während des Schweißens des Stellstifts an den Verstellring zentriert der Steckstift den Stellstift in einer präzisen Lage bezüglich des Verstellrings.
Um den Steckstift aufzunehmen, kann der Verstellring eine Aufnahmeausnehmung aufweisen, die entsprechend geformt sein kann. Der Steckstift und/oder die Aufnahmeausnehmung können außerdem derart geformt sein, dass der Steckstift leicht in die Aufnahmeausnehmung eingeführt werden kann, zum Beispiel durch eine konische Form und/oder durch einen Durchmesser, der sich über die axiale Erstreckung des Steckstifts zunächst stark und dann schwächer in Richtung eines distalen Endes des Steckstifts verjüngt.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Bolzen an einem der Auflagescheibe gegenüber angeordneten Ende freigelegt. Dadurch kann eine Schweißelektrode in direkten Kontakt mit dem Schweißbolzen gebracht werden, um die Leitfähigkeit während des Schweißprozesses zu verbessern und für den Zweck der Positionierung einer Schweißelektrode.
Metall-Spritzgusswerkzeuge für die anfängliche Herstellung eines Grünlings, für die Produktion des Stellstifts gemäß einer weiter unten beschriebenen Art aus zwei Bauteilen, wobei ein erstes Bauteil den Schweißbolzen bildet und ein zweites Bauteil die Hülse bildet, sind entsprechend konfiguriert.
Dadurch, dass der Stellstift aus zwei Materialien gebildet ist, ist es möglich, den Schweißbolzen aus einem Material herzustellen, der gut schweißbar ist und andererseits die Hülse aus verschleißresistentem Material herzustellen, so dass es möglich ist, für diese beiden Bauteile je nach Anwendungsfall einen optimal passenden Werkstoff auszuwählen.
Zudem stellt die vorliegende Erfindung einen Turbolader mit einer variablen Turbinengeometrie bereit, der ein Turbinengehäuse mit einem Zuführkanal für Abgase, ein Turbinenrad, das drehbar im Turbinengehäuse gelagert ist, und ein Leitgitter nach irgendeiner der vorangehenden Ausführungsformen aufweist. Der Turbolader weist zudem eine Betätigungseinrichtung auf, die einen im Turbinengehäuse angeordneten inneren Hebel aufweist, der mittels des Stellstiftes mit dem Verstellring verbunden ist.
Der Stellstift kann erfindungsgemäß mit folgendem Verfahren hergestellt werden, das die folgenden Schritte umfasst:

a) Spritzgießen eines ersten Bauteils, das gute Schweißeigenschaften nach einem Sinterprozess aufweist und das in der Form eines Schweißbolzens ist,
b) Umspritzen des Schweißbolzens in einem zweiten Bauteil, das verschleißresistent nach einem Sinterprozess ist und das in Form einer Hülse ist, die den Schweißbolzen umgibt,
c) Sintern, durch Hitze, eines Grünlings, produziert nach den Schritten a) und b).

Dadurch wird ein Steckstift gebildet, der an den Verstellring geschweißt werden kann und der einen geringen Verschleiß während des Betriebs aufweist. Schritt c) kann auch unter Verwendung von Druck durchgeführt werden.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Es zeigt:

1 eine geschnittene perspektivische Darstellung des grundsätzlichen Aufbaues eines erfindungsgemäßen Turboladers,
2 eine Draufsicht auf einen Teil des erfindungsgemäßen Leitgitters, und
3 eine Schnittdarstellung eines Teils eines Turbinengehäuses des erfindungsgemäßen Turboladers.

In 1 ist ein erfindungsgemäßer Turbolader 1 dargestellt, der ein Turbinengehäuse 2 und ein damit über ein Lagergehäuse 19 verbundenes Verdichtergehäuse 3 aufweist. Die Gehäuse 2, 3 und 19 sind entlang einer Rotationsachse R angeordnet. Das Turbinengehäuse 2 ist teilweise im Schnitt gezeigt, um die Anordnung eines Schaufellagerrings 6 als Teil eines radial äußeren Leitgitters 18 zu verdeutlichen, das eine Mehrzahl von über den Umfang verteilten Leitschaufeln 7 mit Schwenkachsen bzw. Schaufelwellen 8 aufweist. Hierdurch werden Düsenquerschnitte gebildet, die je nach der Lage der Leitschaufeln 7 größer oder kleiner sind und den in der Mitte an der Rotationsachse R gelagerten Turbinenrad 4 mehr oder weniger mit dem über einen Zuführkanal 9 zugeführten und über einen Zentralstutzen 10 abgeführten Abgas eines Motors beaufschlagen, um über den Turbinenrad 4 ein auf der selben Welle sitzendes Verdichterrad 17 anzutreiben.
Um die Bewegung bzw. die Lage der Leitschaufeln 7 zu steuern, ist eine Betätigungseinrichtung 11 vorgesehen. Diese kann an sich beliebig ausgebildet sein, jedoch weist eine bevorzugte Ausführungsform ein Steuergehäuse 12 auf, das die Steuerbewegung eines an ihr befestigten Stößelgliedes 14 steuert, um dessen Bewegung auf einen hinter dem Schaufellagerring 6 gelegenen Verstellring 5 in eine leichte Drehbewegung desselben umzusetzen.
In 2 ist eine Draufsicht auf einen Teil des erfindungsgemäßen Leitgitters 18 in vergrößertem Maßstab dargestellt.
Repräsentativ für sämtliche Schaufelhebel dieses Leitgitters 18 ist ein Schaufelhebel 20 dargestellt, der an einem Ende einen Befestigungsring 21 mit einer Ausnehmung 22 aufweist, in der ein Ende der Schaufelwelle 8 fixiert ist.
Ein Hebelkopf 23 des Schaufelhebels 20 ist in einer Eingriffsausnehmung 24 des Verstellrings 5 angeordnet und steht somit mit dem Verstellring 5 in Eingriff.
Wie sich aus einer Zusammenschau der 2 und 3 ergibt, weist das erfindungsgemäße Leitgitter 18 ferner einen Stellstift 25 auf, der einerseits mit dem Verstellring 5 verbunden ist und anderseits mit einem inneren Hebel 26 in Eingriff steht, der seinerseits über eine in 3 sichtbare Stellwelle 34 mit einem äußeren Hebel 35 in Verbindung steht, der wiederum mit der in 1 dargestellten Betätigungseinrichtung 11 in Wirkverbindung steht. Hierfür ist die Stellwelle 34 im Turbinengehäuse 2 mittels einer Lagereinrichtung 36 drehbar gelagert.
Hinsichtlich des Aufbaues des Stellstiftes 25 zeigen die 2 und 3, dass dieser Stellstift 25 einen inneren Schweißbolzen 27 aufweist, der aus einem gut schweißbaren Material hergestellt werden kann. Dieser innere Schweißbolzen 27 wird mit dem Verstellring 5 verschweißt. Hierfür weist der Schweißbolzen 27 bei der in den 2 und 3 dargestellten, besonders bevorzugten Ausführungsform einen zylindrischen Bolzenkörper 29 auf. Dieser zylindrische Bolzenkörper 29 ist von einer verschleißresistenten Hülse 28 über seine gesamte Länge umgeben, wie sich dies insbesondere aus 3 ergibt. An einem Ende ist der Bolzenkörper 29 mit einer Auflagescheibe 30 versehen, die bei der in den 2 und 3 dargestellten Ausführungsform einen größeren Außendurchmesser aufweist, als der Bolzenkörper 29. Auf der dem Verstellring 5 zugewandten Unterseite weist die Auflagescheibe 30 bei der in den 2 und 3 dargestellten, besonders bevorzugten Ausführungsform einen Steckstift 31 auf, der in eine Aufnahmeausnehmung 32 des Verstellrings 5 eingreifen kann. Der Schweißbolzen 27 wird mit dem Verstellring 5 verschweißt, was bei der erfindungsgemäßen Ausbildung besonders gut durchführbar ist, da das Material des Schweißbolzens 27 als ein besonders gut verschweißbares Material ausgewählt werden kann.
Wie die 2 und 3 schließlich weiterhin verdeutlichen, ist der Schweißbolzen 27 an seinem dem Verstellring 5 abgewandten Ende mit einer zentrischen einseitig offenen Ausnehmung 33 versehen.
Der in der Einleitung erläuterte weitere Vorteil einer hohen Verschleißfestigkeit wird durch die Wahl des Materials der Hülse 28 sichergestellt. Wie 3 verdeutlicht, schlägt bei der dort dargestellten Ausführungsform die Hülse 28 an der Auflagescheibe 30 an und kann auf geeignete Art und Weise am Schweißbolzen fixiert werden, wie beispielsweise durch eine Presspassung oder ähnliche geeignete Verbindungseinrichtungen. Eine Herstellungsoption für den Bauteilverbund aus dem Schweißbolzen 27 und der Hülse 28 ist ein MIM-Verbundguss. „MIM“ steht hier für Metallpulverspritzgießen (Pulverspritzgießen). Diesbezüglich wird ein Metallpulver, das mit einem Bindemittel versehen ist, in einem Spritzgussverfahren verarbeitet. Das Bindemittel wird anschließend entfernt und ein Sinterprozess wird durchgeführt.
Bei dem MIM-Verbundguss wird vorzugsweise vorgesehen, dass die Hülse 28 und der Schweißbolzen 27 aus einem Metallpulver geformt werden, das mit einem Bindemittel versehen ist und das aus zwei Komponenten besteht, wobei die Hülse 28 zusammen mit dem Schweißbolzen 27 einen einzigen Grünling bilden. Das Bindemittel wird von dem Grünling entfernt. Der Braunling, von dem das Bindemittel entfernt wurde, wird gesintert, um den Stellstift 25 herzustellen.
Die verschleißresistent der Legierung der fertigen Hülse 28 umfasst vorzugsweise das Folgende:

• 25 % bis 35 %, vorzugsweise 28 % bis 33 % Chrom, und/oder
• 3 % bis 20 %, vorzugsweise 5 % bis 15 % Wolfram, und/oder
• 1% bis 4 % Kohlenstoff, und/oder
• 0,5 % bis 3 % Silizium.

Die Legierung basiert vorzugsweise auf Kobalt, mit einem Kobaltgehalt von mindestens 20 %.
Ein Beispiel für einen gut schweißbaren Werkstoff für den Schweißbolzen 27 stellt 1.4571/X6CrNiMoTi17-12-2 dar.
Obwohl die Prinzipien vorliegender Erfindung voranstehend beispielhaft am Stellstift 25 des Leitgitters 18 erläutert wurden, ist es grundsätzlich denkbar, diese erfindungsgemäßen Prinzipien auch an anderen Bereichen des Abgasturboladers vorzusehen, an denen Verschleißproblematiken auftreten. Ein Beispiel hierfür ist der in 3 sichtbare Bolzen 37 des äußeren Hebels 35.
Zur Ergänzung der Offenbarung wird explizit auf die zeichnerische Darstellung der Erfindung in den 1 bis 3 verwiesen. Mindestens eine beispielhafte Ausführungsform wurde in der vorangehenden Beschreibung dargestellt. Es ist allerdings selbstverständlich, dass weitere Variationen möglich sind. Außerdem sollte festgehalten werden, dass die entsprechenden beispielhaften Ausführungsformen ausschließlich Beispiele darstellen und nicht als eine Einschränkung des Umfangs, der Anwendung oder der Zusammenstellung des Inhalts der Offenbarung betrachtet werden sollten. Vielmehr wird sich dem Fachmann eine Möglichkeit für die Umsetzung der beispielhaften Ausführungsformen aus der vorangehenden detaillierten Beschreibung ergeben. Es ist ebenso selbstverständlich, dass verschiedene Änderungen der Funktion und der Anordnung der Bauteile durchgeführt werden können, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung, wie sie in den angehängten Ansprüchen und gesetzmäßig gleichwertigen Dokumenten definiert ist, abzuweichen.

Claims

Leitgitter (18) für einen Turbolader (1) mit variabler Turbinengeometrie (VTG), das einen Turbinenrotor (4) des Turboladers (1) radial außen umgibt und folgende Teile aufweist: - einen Schaufellagerring (6), - eine Mehrzahl von Leitschaufeln (7), die jeweils eine im Schaufellagerring (6) gelagerte Schaufelwelle (8) aufweisen, - einen Verstellring (5), der mit den Leitschaufeln (7) über zugeordnete, an den Schaufelwellen (8) an einem ihrer Enden befestigte Schaufelhebel (20) in Wirkverbindung steht, wobei jeder Schaufelhebel (20) am anderen Ende einen Hebelkopf (23) aufweist, der mit einer zugeordneten Eingriffsausnehmung (24) des Verstellrings (5) in Eingriff bringbar ist, und - einen Stellstift (25), der mit dem Verstellring (5) verbunden ist, wobei der Stellstift (25) einen Schweißbolzen (27) aufweist, auf dem eine verschleißresistente Hülse (28) angeordnet ist, und wobei der Schweißbolzen (27) einen zylindrischen Bolzenkörper (29) aufweist, der an einem Ende mit einer Auflagescheibe (30) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflagescheibe (30) einen Steckstift (31) aufweist und/oder dass die Hülse (28) an der Auflagescheibe (30) anschlägt.
Leitgitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißbolzen (27) aus einem gut schweißbaren Material hergestellt ist.
Leitgitter nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflagescheibe (30) einen größeren Durchmesser aufweist, als der Bolzenkörper (29).
Leitgitter nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellring (5) eine Aufnahmeausnehmung (32) für den Steckstift (31) aufweist.
Leitgitter nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bolzenkörper (29) an dem der Auflagescheibe (30) gegenüber angeordneten Ende freigelegt ist.
Leitgitter nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (28) den Bolzenkörper (29) auf seiner gesamten Länge umgibt.
Turbolader (1) mit variabler Turbinengeometrie (VTG) - mit einem Turbinengehäuse (2) mit einem Zuführkanal (9) für Abgase; - mit einem Turbinenrad (4), das drehbar im Turbinengehäuse (2) gelagert ist; - mit einem Leitgitter (18) nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, und - mit einer Betätigungseinrichtung (11), die einen im Turbinengehäuse (2) angeordneten inneren Hebel (26) aufweist, der mittels des Stellstiftes (25) mit dem Verstellring (5) verbunden ist.
Verfahren zum Herstellen eines Stellstifts (25) für eine Stelleinrichtung eines Abgasturboladers, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Spritzgießen eines ersten Bauteils, das gute Schweißeigenschaften nach einem Sinterprozess aufweist und das in der Form eines Schweißbolzens (27) ist, b) Umspritzen des Schweißbolzens (27) in einem zweiten Bauteil, das verschleißresistent nach einem Sinterprozess ist und das in Form einer Hülse (28) ist, die den Schweißbolzen (27) umgibt, c) Sintern, durch Hitze, eines Grünlings, produziert nach den Schritten a) und b).