用於渦輪增壓器的渦輪轉子、渦輪增壓器和用於製造渦輪轉子的方法
2023-05-12 14:31:16 2
專利名稱：用於渦輪增壓器的渦輪轉子、渦輪增壓器和用於製造渦輪轉子的方法
技術領域：
本發明涉及一種用於渦輪增壓器的渦輪轉子。本發明還涉及一種渦輪增壓器和一種用於製造渦輪轉子的方法。
背景技術：
DE 10 2007 018 618 Al描述了一種用於提高汽車內燃機功率的渦輪增壓器的普遍公知的結構，其基本上由帶渦輪的徑流式渦輪機構成，渦輪被內燃機的廢氣流驅動，以及由帶壓縮機輪的、布置在內燃機的吸氣行程中的徑向壓縮機構成，壓縮機輪通過轉子軸抗扭轉地與渦輪連接。渦輪大多通過材料接合而壓縮機輪則大多通過形狀配合與轉子軸連接。轉子軸和渦輪的組件在接下來被稱為廢氣渦輪增壓器的渦輪轉子。
由於對渦輪以及對轉子軸有著大多很不同的要求，所以用來製造這些構件的各種材料通常極為不同，其中，渦輪承受基於內燃機的熱廢氣而局部極高的溫度以及承受基於在渦輪增壓器運行時出現的、很高的直至300. 000 U/min的轉速而很高的離心力，其中，轉子軸作為渦輪增壓器的軸承系統的一部分必須吸收很高的交變彎曲負荷。
基於在渦輪增壓器運行時出現的對渦輪轉子的很高的機械負荷，在汽車領域的現代渦輪增壓器中，焊接作為用於連接渦輪和轉子軸的連接技術而被實施成選擇的方法。基於同樣提到的用於渦輪和轉子軸的不同的材料，首先使用旋轉摩擦焊接方法作為連接這些構件的焊接方法。
無論是DE 697 18 713 T2 還是 WO 2008/046556 A2 以及 EP 1 002 935 Al，都說明了用於將轉子軸與渦輪旋轉摩擦焊接的方法。在旋轉摩擦焊接中，轉子軸或渦輪被運行至一定的轉速，然後被壓向豎立的構件。由此產生摩擦熱並且將材料相互焊接。但通過將轉動的構件按壓到豎立的構件上，較軟的焊接對象的材料在黏稠狀態下被擠向一邊。這在朝著轉子軸的外表面時不成問題，因為為擠開的材料提供了足夠的空間。這些向外擠的材料可以藉助切屑工藝在旋轉摩擦焊接過程之後的工作步驟中很容易地移除。
但在轉子軸的轉動軸線方向上，須為流走的材料提供空腔，以便不會導致材料阻塞以及因而導致焊接連接的強度不夠。
如在JP 580 50 189 A中公開的那樣，這個空腔設置在兩個焊接對象中，這在渦輪上會導致渦輪背部的強度可以通過空隙而降低。由此可以導致渦輪內的材料斷裂直至渦輪毀壞。
此外，渦輪必須從壓縮機葉片組的一側鑄在渦輪輪轂上，因為空腔可以一同被鑄造並且因此不需要費時費錢地切屑製造空腔。但這會導致渦輪輪轂的形狀不利於流動，因為輪轂必須配設有很大的橫截面，因此澆鑄材料不會提早硬化。
在渦輪輪轂上的鑄件澆口的定位經常會在沒有另外措施的情況下導致明顯更糟糕地在渦輪輪轂和渦輪葉片組區域中形成材料接縫。
總體上會造成非最佳的渦輪轉子的上述缺陷，當然應予以避免。發明內容
在這種背景下，本發明所要解決的技術問題是，提出一種改良後的渦輪轉子。
按照本發明，該技術問題通過有權利要求1特徵的渦輪轉子和/或有權利要求7 特徵的渦輪增壓器和/或有權利要求8特徵的方法解決。
據此規定一種用於渦輪增壓器的渦輪轉子，尤其用於汽車，具有一體式構造的轉子軸並具有一體式構造的渦輪，渦輪具有渦輪葉片組和實心設計的渦輪凸肩，其中，渦輪葉片組和渦輪凸肩布置在渦輪的反向設置的端面上，以及其中，渦輪凸肩的第一端面通過旋轉摩擦焊接材料接合地與轉子軸的第二端面連接。在此，實心的渦輪凸肩構造成不帶空腔或凹陷，並且轉子軸的第二端面具有與轉動軸線同軸布置的凹陷，該凹陷用於容納渦輪凸肩和/或轉子軸的被塑化的材料。
一種用於汽車的渦輪增壓器，帶有按本發明的渦輪轉子，其中，渦輪增壓器具有渦輪殼體、布置在渦輪殼體中的渦輪、壓縮機殼體、布置在壓縮機殼體中的壓縮機輪和將渦輪與壓縮機輪抗扭轉地連接起來的轉子軸。由此可以將有上述優點的按本發明的渦輪轉子優選在汽車中使用在渦輪增壓器中。
一種用於製造按本發明的渦輪轉子的方法，帶有下列依次的步驟將轉子軸和渦輪同軸地夾緊在旋轉摩擦焊接裝置中；旋轉轉子軸；將轉子軸的第二端面按壓到渦輪凸肩的第一端面上；以及將以其端面彼此重疊按壓的轉子軸和渦輪凸肩相互旋轉摩擦焊接。
轉子軸和渦輪形成各一個單件式和優選甚至一體式的構件。渦輪具有渦輪葉片組和實心構造的渦輪凸肩。實心的渦輪凸肩在下文中指的是，渦輪凸肩儘量構造成不帶空腔或凹陷並且因此構造成儘可能形狀穩定的元件。渦輪葉片組和渦輪凸肩布置在渦輪的反向設置的端面上。渦輪凸肩的第一端面與轉子軸的第二端面材料接合地連接。按照本發明， 材料接合式連接通過旋轉摩擦焊接產生。在此，轉子軸發生旋轉並且用限定的力被同軸地按壓到豎立的渦輪的渦輪凸肩上。
基於本發明的想法主要在於，渦輪凸肩構造成實心，不帶空腔或凹陷，並且僅在轉子軸的端面中設置用來容納渦輪凸肩和/或轉子軸的被塑化的材料的凹陷。由此可以可靠地防止出現被塑化的材料的阻塞因而降低在渦輪和轉子軸之間的材料接合的連接的可靠性。因此可以提供在轉子軸和渦輪之間的一種有很高可靠性的連接。
此外，這一點在製造技術方面尤其節省成本。與公知的技術方案相反的是，不需要在渦輪凸肩中設置通過鑄造工藝或切屑工藝製造的凹陷。因此按照本發明也有效地防止了由於在渦輪凸肩中的缺口作用而出現渦輪中的材料斷裂。同時還確保了在渦輪和轉子軸之間的一種可靠的材料接合式連接。
本發明其它有利的設計方案和擴展設計由另外的從屬權利要求和結合附圖的說明書得出。
在本發明的一種典型的設計方案中，渦輪凸肩被構造成是從渦輪的其中一個端面突出的、與渦輪的轉動軸線旋轉對稱的凸起。由此可以藉助切屑工藝，例如外圓磨削或車削，快速且成本低廉地加工渦輪凸肩。因此按本發明的渦輪轉子的生產成本下降。
在本發明的一種優選的設計方案中，設置在渦輪凸肩上的第一端面與設置在轉子軸上的第二端面旋轉摩擦焊接，其中，轉子軸與渦輪凸肩同軸地取向。由此可以快速且可靠地通過材料接合將轉子軸和渦輪凸肩的不同的材料連接起來。因此降低了按本發明的渦輪轉子的生產成本以及極大地提高了在渦輪和轉子軸之間的材料接合式連接的可靠性。在本發明的一種優選的設計方案中，凹陷與轉子軸的轉動軸線同軸地布置，由此可以通過車削簡單且快速地製造凹陷。因此降低了按本發明的渦輪轉子的生產成本和生產時間。在本發明的一種同樣優選的設計方案中，轉子軸由合金不鏽鋼，尤其主要合金成分為鉻、鉬和釩的合金不鏽鋼製成。因此可能的是，轉子軸可以作為渦輪增壓機的軸承系統的一部分吸收交變彎曲負荷。因此提高了渦輪轉子的使用壽命以及因而提高了渦輪增壓機的使用壽命。在另一種優選的設計方案中，渦輪由鎳基的合金，尤其由針對高溫應用的鎳基合金製成。渦輪由此承受極高的廢氣溫度以及在渦輪增壓器運行時產生的高離心力。因此有利地提高了按本發明的渦輪轉子的使用壽命和可靠性。在一種同樣優選的設計方案中，渦輪是在金屬鑄件中製造的渦輪，該渦輪具有布置在第一端面上的鑄件澆口。通過將渦輪澆鑄在渦輪凸肩上，在渦輪葉片組和渦輪輪轂區域中實現一種改良的材料拼接，並且渦輪輪轂可以構造得更加利於流動。由此一方面降低了基於糟糕的材料接縫的形成而導致的渦輪葉片組的故障率。另一方面，通過更加利於流動的渦輪輪轂改善了帶有按本發明的渦輪轉子的渦輪增壓器的效率。在本發明的方法的一種優選的設計方案中，將在旋轉摩擦焊接中產生的環形的焊縫凸起於事後移除，該焊縫凸起存在於轉子軸的外表面上以及存在於渦輪凸肩的外表面上。由此能夠使在轉子軸和渦輪凸肩之間的過渡部分形成期望的形狀，例如形成軸承座的形狀以支承轉子軸。焊縫凸起在此可以通過切屑的工藝，尤其通過外圓磨削工藝移除。由此可以通過使用相應的型板快速且成本低廉地將在轉子軸和渦輪凸肩之間的過渡部分構造成最終形狀。因此降低了用於按本發明的渦輪轉子的生產成本和生產時間。上述設計方案和擴展設計可以以任意方式相互組合，只要是合理的。
接下來藉助示意性附圖所示的實施例詳細闡釋本發明。附圖中 圖1是按本發明的渦輪轉子的實施例的示意性視圖加-c是用於製造按本發明的渦輪轉子的方法的示意圖。在附圖中，相同的構件、元件和特徵，只要沒有設計得不同，都用同樣的附圖標記標註。
具體實施例方式圖1示出了按本發明的渦輪轉子的一種實施例的示意圖。在此用附圖標記1標註的按本發明的渦輪轉子優選具有帶轉動軸線9的一體式構造的轉子軸2和帶轉動軸線15 的優選一體式構造的渦輪3。一體式在下文中被理解為，相應的構件僅由一個元件構成並且連續地用同一種材料製造。渦輪3具有渦輪葉片組4和渦輪凸肩5。渦輪葉片組4和渦輪凸肩5布置在渦輪3的反向設置的端面16、17上。渦輪凸肩5構造成是一個從渦輪3的端面17突出的、與轉動軸線15旋轉對稱的凸起。作為備選，渦輪凸肩5在端面17的俯視圖中也具有矩形或例如正方形或任意其它形狀。渦輪凸肩5還具有第一端面6。渦輪凸肩5被實心地構造，也就是說，它沒有空腔或凹陷。轉子軸2具有轉動軸線9和第二端面7。第二端面7具有優選與轉動軸線9同軸地布置的凹陷8。凹陷8優選設置作為與轉動軸線9同軸地構造的圓柱形凹陷8。作為備選，凹陷8可以在第二端面7的俯視圖中也構造成矩形或正方形的凹陷8。轉子軸2優選具有轉子軸凸肩18，凹陷8設置在該轉子軸凸肩中。渦輪凸肩5的第一端面6與轉子軸2的第二端面7通過旋轉摩擦焊接材料接合地連接，其中，轉子軸2與渦輪凸肩5同軸地取向。凹陷8用於容納在旋轉摩擦焊接時生成的內部焊縫凸起11。外部焊縫凸起10位於轉子軸2的外表面上以及渦輪凸肩5的外表面上。渦輪3優選由針對高溫應用的鎳基合金製成。渦輪3優選是在金屬鑄件中生產的渦輪3。渦輪3的坯件具有布置在第一端面6上的鑄件澆口。由此可以將在圖1中未示出的渦輪輪轂構造得極利於流動。此外，通過把渦輪機3的坯件鑄在渦輪凸肩5上方，實現了在渦輪葉片組4和渦輪輪轂的區域中的特別良好的拼接。轉子軸2由合金不鏽鋼，尤其主要合金成分為鉻、鉬和釩的合金不鏽鋼製成。因此得到了轉子軸2的傑出的交變抗彎強度。圖2是用於製造按本發明的渦輪轉子1的示意圖。圖加首先示出了帶有轉動軸線15、渦輪凸肩5和第一端面6的渦輪3。此外，圖 2a還示出了帶有轉動軸線9、第二端面7和凹陷8的轉子軸2。接下來說明用於製造按本發明的渦輪轉子1的可行方法的方法步驟
先將轉子軸2和渦輪3同軸地夾緊在旋轉摩擦焊接裝置中。旋轉摩擦焊接裝置在圖2 中並未示出。渦輪3在此優選抗扭轉地被夾緊。轉子軸2如圖加所示，發生旋轉12。作為備選，轉子軸2也可以被抗扭轉地夾緊並且渦輪3發生旋轉或兩個拼接對象都發生旋轉。如圖2b所示，發生旋轉12的轉子軸2在軸向沿轉動軸線9的方向朝著渦輪3運動。在此，第一端面6和第二端面7接近。一旦如圖2c所示在第一端面6和第二端面7之間發生接觸，那麼旋轉12的轉子軸2用限定的力按壓渦輪3的渦輪凸肩5。所述力14的大小以及旋轉12的圓周速度基本上取決於待焊接的拼接對象的材料配對以及轉子軸2或轉子軸凸肩18以及渦輪凸肩5的直徑。通過按壓和旋轉12產生了摩擦熱，並且將以其端面6、7相疊壓的轉子軸2和渦輪凸肩5的材料相互旋轉摩擦焊接。但通過將旋轉12的轉子軸2按壓到豎立的渦輪3上，拼接對象的材料也在黏稠狀態下被擠向側面，也就是說從焊縫區域中擠出。由此產生的環形的外部焊縫凸起10在事後被移除，外部焊縫凸起位於轉子軸2的外表面上以及渦輪凸肩5的外表面上。焊縫凸起10的移除在圖2中並未示出。焊縫凸起10優選通過切屑工藝，尤其通過用型板的外圓磨削工藝移除。通過使用相應的型板，在轉子軸2和渦輪凸肩5之間的過渡部分可以快速且成本低廉地達到所期望的最終形狀。在外圓磨削時，設置在轉子軸2 上的轉子軸凸肩18也可以被磨削到轉子軸2所期望的直徑。沿轉子軸2的轉動軸線9方向流動的黏稠的材料被空腔8吸收。由此不會造成在焊縫區域中的材料阻塞以及因而造成拼接對象的旋轉摩擦焊接的連接強度不夠。
儘管藉助優選實施例全面地說明了本發明，但本發明並不限於此，而是能夠以多種方式進行修正。單個上述實施例的特徵可以任意相互組合，只要這在技術上合理。在本發明的一種優選的修正方案中，渦輪葉片組沒有構造成渦輪的整體組成部分，而是可以與渦輪分離。由此有利地能在損壞時更換渦輪或為渦輪葉片組使用其它的材料，例如陶瓷材料來作為渦輪的基礎材料。由此拓寬了按本發明的渦輪轉子的使用範圍。所提及的材料、數據、尺寸大小都是示例性的，並且僅用於闡釋本發明的實施形式和擴展設計。所述的渦輪轉子和所述的渦輪增壓器都可以特別有利地使用在汽車領域以及在此優選使用在私人汽車中，例如在柴油機或汽油機中，但在需要時也可以使用在任意其它的渦輪增壓器應用方案中。
權利要求
1.一種用於渦輪增壓器的渦輪轉子(1)，尤其用於汽車，-具有一體式構造的渦輪(3)，該渦輪具有渦輪葉片組(4)和帶有第一端面的渦輪凸肩(5)，其中，所述渦輪葉片組(4)和所述渦輪凸肩(5)布置在所述渦輪(3)的反向設置的端面(16、17)上，以及-具有一體式構造的轉子軸(2 )，該轉子軸具有轉動軸線(9 )和第二端面(7 )， -其中，所述渦輪凸肩(5)的第一端面(6)與所述轉子軸(2)的第二端面(7)通過旋轉摩擦焊接材料接合地連接，其特徵在於，所述渦輪凸肩(5)構造成實心的、沒有空腔或凹陷的結構，並且所述第二端面(7)具有與所述轉動軸線(9)同軸布置的凹陷(8)以用於容納所述渦輪凸肩(5)和/ 或所述轉子軸(2)的被塑化的材料。
2.按權利要求1所述的渦輪轉子，其特徵在於，所述渦輪凸肩(5)被構造成從所述渦輪 (3)的端面(16、17)之一突出的、與所述渦輪(3)的轉動軸線(9)旋轉對稱的凸起。
3.按權利要求1或2所述的渦輪轉子，其特徵在於，所述轉子軸(2)與所述渦輪凸肩 (5)同軸地取向。
4.按前述權利要求之一所述的渦輪轉子，其特徵在於，所述轉子軸(2)由合金不鏽鋼尤其由主要合金成分為鉻、鉬和釩的合金不鏽鋼製成。
5.按前述權利要求之一所述的渦輪轉子，其特徵在於，所述渦輪(3)由鎳基的合金尤其由針對高溫應用的鎳基合金製成。
6.按前述權利要求之一所述的渦輪轉子，其特徵在於，所述渦輪(3)是在金屬鑄件中製造的渦輪(3)，該渦輪具有布置在所述第一端面(6)上的鑄件澆口。
7.一種用於汽車的渦輪增壓器，具有渦輪轉子(1 )，所述渦輪轉子具有按前述權利要求中至少一項所述的特徵，其中，所述渦輪(3 )布置在渦輪殼體中，並且壓縮機輪布置在壓縮機殼體中，並且所述轉子軸(2)將所述渦輪(3)與所述壓縮機輪抗扭轉地連接起來。
8.一種用於製造具有按權利要求1至6中至少一項所述特徵的渦輪轉子(1)的方法， 具有下列依次步驟-將渦輪同軸地夾緊在旋轉摩擦焊接裝置中，該渦輪具有實心構造的渦輪凸肩，所述渦輪凸肩具有第一端面並且沒有空腔或凹陷(5)；-將轉子軸(2)同軸地夾緊在所述旋轉摩擦焊接裝置中，所述轉子軸具有第二端面 (7)，所述第二端面具有與轉動軸線(9)同軸地布置的凹陷(8)； -旋轉所述轉子軸(2);-將所述轉子軸(2)的第二端面(7)按壓到所述渦輪凸肩(5)的第一端面(6)上；並且 -將以其端面(6、7)彼此重疊按壓的轉子軸(2)和渦輪凸肩(5)相互旋轉摩擦焊接。
全文摘要
本發明涉及一種用於渦輪增壓器的渦輪轉子，尤其用於汽車，具有一體式構造的渦輪，該渦輪具有渦輪葉片組和實心設計的帶第一端面且沒有空腔或凹陷的渦輪凸肩，還具有帶第二端面(7)的一體式構造的轉子軸，第二端面帶有與轉動軸線(9)同軸布置的凹陷(8)，其中，渦輪凸肩的第一端面通過旋轉摩擦焊接材料接合地與轉子軸的第二端面連接。此外，本發明還涉及一種渦輪增壓器和一種用於製造按本發明的渦輪轉子的方法。
文檔編號B23K20/12GK102481660SQ201080028213
公開日2012年5月30日 申請日期2010年6月7日 優先權日2009年6月23日
發明者費林 B., 明希 G., 阿爾布察特 U. 申請人:歐陸汽車有限責任公司