EP1489263B1 - Wellen-/Nabenverbindung eines Turboladers - Google Patents

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EP1489263B1
EP1489263B1 EP03405441A EP03405441A EP1489263B1 EP 1489263 B1 EP1489263 B1 EP 1489263B1 EP 03405441 A EP03405441 A EP 03405441A EP 03405441 A EP03405441 A EP 03405441A EP 1489263 B1 EP1489263 B1 EP 1489263B1
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EP
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shaft
thread
compressor wheel
flanks
attachment
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Josef Bättig
Alfred Mueller
Balz Flury
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Accelleron Industries AG
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ABB Turbo Systems AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/025—Fixing blade carrying members on shafts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/40—Application in turbochargers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/20—Three-dimensional
    • F05D2250/23—Three-dimensional prismatic
    • F05D2250/232—Three-dimensional prismatic conical
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/20—Three-dimensional
    • F05D2250/28—Three-dimensional patterned
    • F05D2250/281—Three-dimensional patterned threaded

Definitions

  • the invention relates to the field of shaft / hub connections.
  • Turbochargers to increase the performance of reciprocating engines include an engine exhaust driven turbine and a torque transmitting shaft connected to the turbine compressor.
  • Turbochargers for smaller engine outputs advantageously have a radial compressor made of aluminum without a central bore, as known from DE 44 44 082.
  • the compressor is releasably connected for manufacturing and maintenance reasons with the turbine shaft.
  • the compressor wheel is screwed either directly or via an intermediate sleeve made of steel or bronze on a stub shaft with a conventional thread.
  • At least one threaded, cylindrical or conical centering seat provides centering of the compressor wheel with respect to the shaft.
  • the compressor wheel is braced against an axial stop on the shaft.
  • the torque transmission takes place frictionally in the thread on the pressed together in the axial direction supporting thread flanks.
  • the supporting thread flanks are as steep as possible to the shaft axis, so that the biasing force can act substantially normal to the surface of the supporting thread flanks.
  • GB 826 136 discloses a thread arrangement in an optical device.
  • US 4,304,428 discloses a threaded connection for emergency retrieval of drilling tool by means of the threaded connection.
  • GB 241 211 discloses a general screw / nut connection.
  • the invention is therefore an object of the invention to provide a compound of the type mentioned, which allows an improved torque transmission with reduced axial preload.
  • a shaft with a shaft attachment by means of a thread, in which either a bore with an internal thread is embedded in the shaft attachment or in the shaft end, and the shaft or the shaft attachment has a corresponding, can be introduced into the threaded hole pin with an external thread, and an axial stop is arranged on the shaft and on the shaft attachment, the inner and the outer thread to the axis of shaft and shaft attachment towards flat, torque transmitting flanks, which frictionally by mutual rotation of shaft and shaft attachment, the interaction of the axial stops by means of radial pressure can be connected to each other.
  • the decisive for the torque transmission radial pressure is due to the flat angle between the load-bearing, with their large surfaces frictionally superimposed flanks and the axis correspondingly larger than in conventional threaded connections. Thereby, the axial biasing force between the two parts to be joined can be reduced accordingly.
  • the flat-shaped supporting flanks allow improved centering of shaft extension and shaft.
  • the shaft attachment is shown by way of example as a cylindrical counterpart corresponding in shape and size approximately to the shaft.
  • the shaft attachment is a wheel-shaped part, such as the compressor wheel of a turbocharger.
  • the shaft has an external thread in the region of the connection point.
  • the external thread is formed on the shaft end in the form of a threaded pin 10.
  • a corresponding bore 20 is inserted, which is equipped with an internal thread.
  • shaft and shaft attachment For the axial positioning of the shaft attachment with respect to the shaft, shaft and shaft attachment have an axial stop 11 and 21.
  • the two axial stops usually have parallel surfaces produced with high precision, thus contributing significantly to the concentricity of shaft attachment and shaft. Between Axial stops can, further parts be arranged, for example, as shown in the figure, a sealing or damping disc. 3
  • Fig. 2 shows a view of a guided along the shaft axis section through the inventive compound.
  • the two axial stops 11 and 21 are pressed together when screwing the shaft attachment to the shaft, whereby the shaft attachment is biased against the shaft.
  • the shaft attachment is usually a larger, made of a relatively soft material part, the expansion of the shaft attachment can be prevented by the threaded pin in the threaded connection by pushing a hard steel bushing 4 on the shaft attachment.
  • the special, inventive design of the thread is shown enlarged in Fig. 3.
  • the thread has bearing flanks 15 and 25 as well as production-related, unstressed flanks 16 and 26.
  • the supporting flanks 15 and 25 enclose with the axis A of the shaft and the shaft attachment a very shallow angle ⁇ .
  • the flank angle ⁇ is ideally 5 ° to 15 °. The flatter this angle ⁇ , the lower the axial preload force that can be transmitted through the thread to clamp the two parts to be joined, the shaft and the shaft attachment by means of the axial stops against each other.
  • the thread according to the invention is designed to run more smoothly, preferably three-pass. This results in a given flank angle less deep thread grooves and thus lower cross-sectional weakenings.
  • a 3-thread thread due to the 3-cyclic symmetry leads to an improved centering of the shaft attachment on the shaft.
  • the turn-up angle is massively reduced.
  • the flat formed bearing flanks bring a further improvement in the centering of the shaft attachment on the shaft.
  • the flat thread according to the invention has substantially larger fillet radii 17 and 27.
  • the thread according to the invention has virtually no notch effect and is considerably more resilient with respect to dynamic torque fluctuations than a conventional thread.
  • the thread as shown in the various figures, is a conical thread
  • the introduction of force improves compared with a cylindrical version, while the screw-on paths shorten.
  • Figures 4 to 7 show detailed detailed views of the shaft and the shaft attachment.
  • the views in the axial direction show the three-start threads.
  • the three threads are arranged offset by 120 °.
  • the arrangement of the threaded pin and the bore, or the outer and the inner thread can also be reversed, so that the shaft attachment a threaded pin is arranged and the corresponding hole is recessed in the shaft end.
  • the threaded pin does not need to be designed as a stub.
  • the external thread can be arranged in a middle region of a rod-shaped shaft, wherein the bore in the shaft attachment must be correspondingly deep or continuous for the threaded extension.

Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Wellen-/Nabenverbindungen.
  • Sie betrifft die Verbindung einer Welle mit einem Wellenaufsatz mittels einem Gewinde gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Sie betrifft ferner einen Turbolader, dessen Turbinenwelle mit dem Verdichterrad entsprechend verbunden ist.
    • Stand der Technik
  • Turbolader zur Leistungssteigerung von Hubkolbenmotoren umfassen eine durch Motorenabgase angetriebene Turbine und einen über eine drehmomentübertragende Welle mit der Turbine verbundenen Verdichter. Turbolader für kleinere Motorenleistungen weisen vorteilhaft einen Radialverdichter aus Aluminium ohne durchgehende Zentralbohrung auf, wie etwa aus DE 44 44 082 bekannt.
  • Das Verdichterrad ist dabei aus Herstellungs- und Wartungsgründen lösbar mit der Turbinenwelle verbunden.
  • Bei den bekannten Lösungen wird das Verdichterrad entweder direkt oder über eine Zwischenbüchse aus Stahl oder Bronze auf einen Wellenstummel mit einem konventionellen Gewinde aufgeschraubt. Mindestens ein zum Gewinde versetzter, zylindrischer oder konischer Zentriersitz sorgt für die Zentrierung des Verdichterrades bezüglich der Welle.
  • Bei einer solchen Wellen-/ Verdichterradverbindung wird das Verdichterrad gegen einen axialen Anschlag an der Welle verspannt. Die Drehmomentübertragung erfolgt im Gewinde reibschlüssig über die in axialer Richtung aneinandergepressten tragenden Gewindeflanken. Bei herkömmlichen Gewinden stehen die tragenden Gewindeflanken in einem möglichst steilen Winkel zur Wellenachse, damit die Vorspannkraft im wesentlichen normal zur Oberfläche der tragenden Gewindeflanken wirken kann.
  • Jüngste Leistungssteigerungen der Verdichter von Turbolader machen eine verbesserte Drehmomentübertragung von Welle auf Verdichterrad notwendig. Bei herkömmlichen Verbindungen bedeutet dies, dass die Vorspannkraft erhöht werden muss, um die tragenden Flanken der Gewinde in axialer Richtung stärker aneinander zu pressen. Dies führt jedoch zu einer reduzierten Fügestellendämpfung zwischen den miteinander verbundenen Teilen. Weiter einschränkend ist zudem die bei herkömmlichen Gewinden durch den Querschnittssprung von Gewindegang zu Gewindegang hervorgerufene Kerbwirkung.
  • Aus anderen Anwendungsgebieten sind verschiedene Arten von Gewinden mit unterschiedlich steilen Gewindeflanken bekannt: GB 826 136 offenbart eine Gewindeanordnung in einem optischen Gerät. US 4,304,428 offenbart eine Gewindeverbindung, zur notfallmässigen Bergung von Bohrwerkzeug mittels der Gewindeverbindung. GB 241 211 offenbart eine allgemeine Schrauben-/ Mutterverbindung.
    • Kurze Darstellung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, eine Verbindung der eingangs genannten art zu schaffen, welche eine verbesserte Drehmomentübertragung bei reduzierter axialen Vorspannung ermöglicht.
  • Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Bei der erfindungsgemässen Verbindung einer Welle mit einem Wellenaufsatz mittels einem Gewinde, bei welcher entweder in den Wellenaufsatz oder in das Wellenende eine Bohrung mit einem Innengewinde eingelassen ist, und die Welle oder der Wellenaufsatz einen entsprechenden, in die Gewindebohrung einbringbaren Zapfen mit einem Aussengewinde aufweist, und an der Welle und am Wellenaufsatz jeweils ein Axialanschlag angeordnet ist, weisen das Innen- und das Aussengewinde zur Achse von Welle und Wellenaufsatz hin flache, drehmomentübertragende Flanken auf, welche durch gegenseitige Verdrehung von Welle und Wellenaufsatz, unter Zusammenwirkung der Axialanschläge mittels radialer Pressung reibschlüssig miteinander verbindbar sind.
  • Die für die Drehmomentübertragung entscheidende radiale Pressung ist dank dem flachen Winkel zwischen den tragenden, mit ihren grossen Oberflächen reibschlüssig aufeinanderliegenden Flanken und der Achse entsprechend grösser als bei herkömmlichen Gewindeverbindungen. Dadurch kann die axiale Vorspannkraft zwischen den beiden zu verbindenden Teilen entsprechend reduziert werden.
  • Zudem ermöglichen die flach ausgebildeten tragenden Flanken ein verbessertes Zentrieren von Wellenaufsatz und Welle.
  • Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Im folgenden ist anhand der Figuren ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Verbindung schematisch dargestellt und näher erläutert. In allen Figuren sind gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine Ansicht auf eine Welle mit einem Wellenaufsatz mit einer erfindungsgemässen Verbindung,
    Fig. 2
    eine Ansicht auf einen entlang der Wellenachse geführten Schnitt durch die Verbindung nach Fig. 1,
    Fig. 3
    einen vergrössert dargestellten Ausschnitt III- III der Verbindung nach Fig. 2,
    Fig. 4
    eine Ansicht in Achsrichtung auf die Welle nach Fig. 1,
    Fig. 5
    eine Ansicht senkrecht zur Achse auf die Welle nach Fig. 1,
    Fig. 6
    eine Ansicht in Achsrichtung auf den Wellenaufsatz nach Fig. 1, und
    Fig. 7
    eine Ansicht auf einen entlang VII-VII geführten Schnitt durch den Wellenaufsatz nach Fig. 6,
    Weg zur Ausführung der Erfindung
  • Fig. 1 zeigt eine Welle 1 und einen erfindungsgemäss mit der Welle verbundenen Wellenaufsatz 2. Der Wellenaufsatz ist beispielhaft als ein in Form und Grösse etwa der Welle entsprechendes, zylindrisches Gegenstück abgebildet. In der Regel handelt es sich beim Wellenaufsatz um ein radförmiges Teil, wie etwa das Verdichterrad eines Turboladers.
  • Die Welle weist im Bereich der Verbindungsstelle ein Aussengewinde auf. In der dargestellten Ausführungsform ist das Aussengewinde am Wellenende in Form eines Gewindezapfens 10 ausgebildet ist. In den Wellenaufsatz ist eine entsprechende Bohrung 20 eingelassen, welche mit einem Innengewinde ausgestattet ist.
  • Zur axialen Positionierung des Wellenaufsatzes bezüglich der Welle weisen Welle und Wellenaufsatz einen Axialanschlag 11 und 21 auf. Die beiden Axialanschläge haben in der Regel mit hoher Präzision gefertigte zueinander parallele Oberflächen, womit sie wesentlich zum Rundlauf von Wellenaufsatz und Welle beitragen. Zwischen den Axialanschlägen können, weitere Teile angeordnet sein, beispielsweise wie in der Figur dargestellt eine Dicht- oder Dämpfungsscheibe 3.
  • Fig. 2 zeigt eine Ansicht eines entlang der Wellenachse geführten Schnittes durch die erfindungsgemässe Verbindung. Die beiden Axialanschläge 11 und 21 werden beim Aufschrauben des Wellenaufsatzes auf die Welle zusammengepresst, wodurch der Wellenaufsatz gegen die Welle vorgespannt wird.
  • Da es sich beim Wellenaufsatz in der Regel um ein grösseres, aus einem relativ weichen Material gefertigtes Teil handelt, kann im Bereich der Gewindeverbindung durch das Aufschieben einer harten Stahlbüchse 4 auf den Wellenaufsatz die Ausdehnung des Wellenaufsatzes durch den Gewindezapfen verhindert werden.
  • Die spezielle, erfindungsgemässe Gestaltung des Gewindes ist in Fig. 3 vergrössert dargestellt. Das Gewinde weist tragende Flanken 15 und 25 sowie herstellungsbedingte, nicht belastete Flanken 16 und 26 auf. Die tragenden Flanken 15 und 25 umschliessen mit der Achse A der Welle und des Wellenaufsatzes einen sehr flachen Winkel α. Der Flankenwinkel α beträgt idealerweise 5° bis 15°. Je flacher dieser Winkel α, desto geringer ist die axiale Vorspannkraft, welche durch das Gewinde übertragen werden kann, um die beiden zu verbindenden Teile, die Welle und den Wellenaufsatz mit Hilfe der Axialanschläge gegeneinander zu verspannen.
  • Dagegen ist die für die Drehmomentübertragung entscheidende radiale Pressung bei einem flachen Winkel zwischen den tragenden Flanken und der Achse entsprechend grösser. Die tragenden Flanken liegen mit ihren grossen Oberflächen reibschlüssig aufeinander auf.
  • Zur weiteren Reduktion der Vorspannkraft wird das erfindungsgemässe Gewinde mehrgängig, vorzugsweise 3-gängig, ausgeführt. Dies ergibt bei gegebenem Flankenwinkel weniger tiefe Gewindefurchen und somit geringere Querschnittschwächungen. Zudem führt ein 3-gängiges Gewinde aufgrund der 3-fachzyklischen Symmetrie zu einer verbesserten Zentrierung des Wellenaufsatzes auf der Welle.
  • Im Weiteren wird durch den grösseren Steigungswinkel der Windungen des mehrgängigen Gewindes der Aufdrehwinkel massiv reduziert.
  • Die flach ausgebildeten tragenden Flanken bringen eine weiter Verbesserung in der Zentrierung des Wellenaufsatzes auf der Welle.
  • Gegenüber herkömmlichen Gewinden weist das erfindungsgemässe Flachgewinde wesentlich grössere Ausrundungsradien 17 und 27 auf. Dadurch hat das erfindungsgemässe Gewinde praktisch keine Kerbwirkung und ist bezüglich dynamischen Drehmomentschwankungen wesentlich höher belastbar als ein herkömmliches Gewinde.
  • Handelt es sich beim Gewinde, wie in den verschiedenen Figuren dargestellt, um ein konisches Gewinde verbessert sich gegenüber einer zylindrischen Ausführung die Krafteinleitung, während sich die Aufschraubwege verkürzen. Je steiler der Winkel β des Konus, desto kürzer sind die Aufschraubwege, da beim Aufschrauben bisweilen mehrere Gewindegänge übersprungen werden können.
  • Figuren 4 bis 7 zeigen detaillierte Einzelansichten der Welle und des Wellenaufsatzes. Die Ansichten in Achsrichtung zeigen die dreigängigen Gewinde. Die drei Gewindegänge sind um je 120° versetzt angeordnet.
  • Die Anordnung des Gewindezapfens und der Bohrung, beziehungsweise des Aussen- und des Innengewindes kann auch vertauscht werden, so dass am Wellenaufsatz ein Gewindezapfen angeordnet ist und die entsprechende Bohrung in das Wellenende eingelassen ist.
  • Ferner braucht der Gewindezapfen nicht als Stummel ausgebildet zu sein. So kann etwa das Aussengewinde in einem Mittelbereich einer stangenförmigen Welle angeordnet sein, wobei für den Gewindefortsatz die Bohrung im Wellenaufsatz entsprechend tief, beziehungsweise durchgehend sein muss.
    • Bezugszeichenliste
    • A
    Achse
    α
    Flankenwinkel
    β
    Konuswinkel des Gewindes
    1
    Welle, Turbinenwelle
    10
    Gewindezapfen
    11
    Wellenschulter
    15
    Tragende Flanke (Aussengewinde)
    16
    Nichttragende Flanke (Aussengewinde)
    17
    Ausrundung (Aussengewinde)
    2
    Wellenaufsatz, Verdichterrad
    20
    Gewindebohrung
    21
    Plananschlag
    25
    Tragende Flanke (Innengewinde)
    26
    Nichttragende Flanke (Innengewinde)
    27
    Ausrundung (Innengewinde)
    3
    Zwischenkörper, Dichtring
    4
    Stahlhülse

Claims (4)

  1. Turbolader, umfassend ein Turbinenrad und ein über eine Welle (1) mit dem Turbinenrad verbundenes Verdichterrad (2), wobei
    die Welle (1) und das Verdichterrad (2) mittels eines Gewindes verbunden sind,
    entweder in das Verdichterrad (2) oder in ein mit dem Verdichterrad zu verbindendes Ende der Welle (1) eine Bohrung (20) mit einem Innengewinde eingelassen ist, und die Welle oder das Verdichterrad einen entsprechenden, in die Gewindebohrung einbringbaren Zapfen (10) mit einem Aussengewinde aufweist, und
    an der Welle (1) und am Verdichterrad (2) jeweils ein Axialanschlag (11, 21) angeordnet ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Innen- und das Aussengewinde zur Achse von Welle und Verdichterrad (A) hin flache, drehmomentübertragende Flanken (15, 25) aufweisen, welche durch gegenseitige Verdrehung von Welle (1) und Verdichterrad (2), unter Zusammenwirkung der Axialanschläge mittels radialer Pressung reibschlüssig miteinander verbindbar sind.
  2. Turbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewindezapfen (10) und die Gewindebohrung (20) zumindest teilweise konusförmig ausgebildet sind, und dass es sich beim Gewinde um ein konisches Gewinde handelt.
  3. Turbolader nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewinde ein mehrgängiges, insbesondere ein dreigängiges, Gewinde ist.
  4. Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die drehmomentübertragenden Flanken (15, 25) mit der Achse von Welle und Verdichterrad (A) einen Winkel zwischen 5° und 15° bilden.
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