CN111684165A - 用于内燃机的涡轮增压机 - Google Patents

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CN111684165A CN201980011720.9A CN201980011720A CN111684165A CN 111684165 A CN111684165 A CN 111684165A CN 201980011720 A CN201980011720 A CN 201980011720A CN 111684165 A CN111684165 A CN 111684165A
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彼得·格鲍尔
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Abstract

本发明涉及一种用于内燃机的涡轮增压机(9)，涡轮增压机包括轴(8)以及用于支承轴(8)的滚动轴承(1)，滚动轴承具有至少一个内圈(2)、外圈(3)以及在至少一个内圈(2)和外圈(3)之间的空间中布置的滚动体(4)，其中，至少一个内圈(2)和/或外圈(3)由滚动轴承钢构成，其中，至少一个内圈(2)和/或外圈(3)至少部分地具有经碳氮共渗处理的边缘区(5)。本发明还涉及用于制造这种涡轮增压机(9)的滚动轴承(1)。

Description

用于内燃机的涡轮增压机
技术领域
本发明涉及一种用于内燃机或涡轮复合发动机的涡轮增压机。涡轮增压机包括至少一个轴以及用于支承轴的滚动轴承，滚动轴承具有内圈、外圈以及在内圈和外圈之间的空间中布置的滚动体，其中，内圈和/或外圈由滚动轴承钢构成。本发明还涉及用于一种用于制造这种涡轮增压机的滚动轴承。
背景技术
一般地，也称为涡轮复合发动机的内燃机是已知的，其中，废气的能量含量被下游的动力涡轮机使用，以进一步从内燃机中消除废气。通过动力涡轮机回收的能量接下来经由机械的或液压的传动装置传递到曲轴上，从而优化涡轮复合发动机的效率和功率。在排气气门打开时，涡轮复合发动机的废气具有比环境空气更高的压力，其中至少一部分压力降用于驱动涡轮增压机，以压缩涡轮复合发动机的进气管段中的空气。
由DE 43 27 815 A1已知一种用于涡轮增压机的的球轴承，涡轮增压机具有壳体和用于连接压缩机轮与涡轮的旋转轴。球轴承沿径向布置在壳体和旋转轴之间并且沿轴向布置在压缩机轮和涡轮之间。球轴承具有由壳体承载的外侧的轴承圈，外侧的轴承圈一方面设有内周面，外侧的滚动轨道构造在内周面中，其中，球轴承还具有内圈，内侧的轴承圈关于旋转轴的轴向延伸在中间部分匹配到旋转轴上。内侧的轴承圈具有外周面，在外周面中构造有内侧的滚动轨道，其中，内侧的轴承圈由耐热的金属制成。
发明内容
本发明的目的是改进一种涡轮增压机，并且尤其使涡轮增压机的轴的滚动支承设计得更耐用和更耐久。该目的通过权利要求1和9的主题实现。优选的实施方式可由从属权利要求、说明书和附图中得出。
根据本发明的用于机动车的涡轮增压机包括轴以及用于支承轴的滚动轴承，滚动轴承具有至少一个内圈、外圈以及在至少一个内圈和外圈之间的空间中布置的滚动体，其中，至少一个内圈和/或外圈由滚动轴承钢构成，其中，至少一个内圈和/或外圈至少部分地具有经碳氮共渗处理的边缘区。滚动轴承为了支承轴优选构造成双列的角接触球轴承，其中也可替代地设置滚动轴承类型，例如滚柱轴承。此外，涡轮增压机的一个或多个滚动轴承具有经碳氮共渗处理的构件，其中，滚动轴承又包括一个或多个经碳氮共渗处理的内圈和/或一件式或多件式构造的外圈，其中优选地，仅多件式外圈的一部分进行碳氮共渗处理。
根据本发明的方案，可以只有外圈具有经碳氮共渗处理的边缘区。但是也可只有内圈具有经碳氮共渗处理的边缘区。此外替代地，可使内圈和外圈均具有相应的经碳氮共渗处理的边缘区。若滚动轴承具有两个或多个内圈和/或两个或多个外圈，则所有内圈和所有外圈可均为经碳氮共渗处理的。但是也可想到，只有其中一个内圈和/或只有其中一个外圈具有经碳氮共渗处理的边缘区。经碳氮共渗处理的构件的选择基本与对涡轮增压机以及尤其对滚动轴承的机械和热需求相关。
至少一个内圈和/或外圈至少部分地经受碳氮共渗处理，即组合地渗碳和渗氮。碳氮共渗处理理解为一种硬化方法，其中以热化学方式处理内圈和/或外圈的边缘区。在此，在高温条件下使待处理的边缘区富含碳和氮，从而使碳和氮原子扩散到边缘区中。氮在碳氮共渗期间与氢气结合地、优选作为氨地存在并且尤其用作内圈和/或外圈的边缘区中的合金元素。碳尤其在边缘区中形成碳化物。在碳氮共渗处理之后，在构件表面的区域中的边缘区具有0.8至1.5重量％的碳含量以及0.05至0.5重量％的氮含量。
根据所选择的碳氮共渗参数、如工艺时长(扩散时长)和工艺温度相关地，边缘区尤其设计用于改进滚动轴承的机械特性以及热特性。碳氮共渗有利地用于使内圈和/或外圈的边缘区具有相对高的硬度。通过碳氮共渗处理明显改进的机械特性例如是滚动轴承、尤其经碳氮共渗处理的边缘区的表面的相对于滚动经过的颗粒的抵抗性
Figure BDA0002618273530000021
以及相对于剥蚀性和黏附性磨损的抵抗性。相对于滚动经过的颗粒的抵抗性描述经碳氮共渗处理的内圈和/或外圈相对于由滚动经过的颗粒造成损伤的抵抗力。因此，边缘区具有相对高的耐磨损能力。此外，滚动轴承的经热处理的经碳氮共渗处理的构件具有相对高的耐热性。换句话说，内圈和/或外圈具有相对高的热稳定性并且可以抵抗污染物，因此其特征为更高的耐久性。
涡轮增压机的轴优选构造成，在每分钟10000至300000转的转速范围中旋转。优选地，涡轮增压机构造成，在每分钟50000至300000转的转速范围中、尤其每分钟100000至300000转的转速范围中旋转。
优选地，边缘区具有0.05至1.5mm的厚度。优选地，边缘区具有0.3mm的厚度。边缘区尤其构造成具有碳氮共渗硬化深度的梯度边缘区，其从边缘区的表面开始具有以功能形式变化的碳或氮浓度。碳氮共渗硬化深度与在碳氮共渗期间的工艺温度相关。因此，经碳氮共渗处理的内圈和/或外圈具有相对低的所需扩散深度(碳氮共渗硬化深度)，扩散深度提供期望的机械和热特性。在此有利的是，通过碳氮共渗可降低热处理的工艺时长，这有利地影响涡轮增压机的工艺和制造成本。此外，通过碳氮共渗处理降低内圈和/或外圈的出现的尺寸和形状偏差。由工艺条件决定的尺寸和形状偏差基本上处于马氏体硬度的范围中。
边缘区的厚度以及结构例如可在内圈和/或外圈的横向薄片试件处确定并且检查。尤其光学显微镜以及扫描电子显微镜适用于测量和检查边缘区。
根据一种优选的实施方式，至少一个内圈和/或外圈由100Cr6构成。替代地，至少一个内圈和/或外圈由100CrSiMn6-4构成。换句话说，至少一个内圈和/或外圈尤其由低合金的且完全硬化的滚动轴承钢作为基础材料构成，其中，至少一个内圈和/或外圈也可由另一低合金的钢构成。由此提供成本有利的载体材料，其中，通过热化学处理和借此形成的边缘区设定期望的机械和热特性。
优选地，边缘区具有大于650HV10的维氏硬度。因此，在经碳氮共渗处理的边缘区的表面上得出根据DIN EN ISO 6507-1:2005至-4:2005的维氏硬度，其方式是：在固定的检验力下将等边的硬锥压头压入内圈和/或外圈的边缘区中，然后可在包含换算系数的情况下由检验力和压入表面的比例得出维氏硬度。
优选地，边缘区构造在至少一个内圈和/或外圈的运行轨道的区域中。因此，边缘区构造在内圈和/或外圈处的最大赫兹压力的区域中。
此外优选地，边缘区具有最高15％的残余奥氏体含量。在紧随碳氮共渗处理之后的硬化工艺期间，由于马氏体的形成未完全结束而在边缘区的组织中留有残余奥氏体含量，残余奥氏体含量尤其与含量相关地影响经碳氮共渗处理的边缘区的机械特性。例如光学显微镜、X射线结构分析仪或磁感应测量方法适用于确定经碳氮共渗处理的边缘区中的残余奥氏体含量。
根据依据本发明的用于制造涡轮增压机的滚动轴承的方法，对滚动轴承的至少一个内圈和/或外圈进行碳氮共渗处理，其中，使碳和氮扩散到至少一个内圈和/或外圈的表面中，以形成边缘区，其中，对使至少一个内圈和/或外圈进行硬化处理，然后进行退火处理。优选在850和950℃之间的温度下进行碳氮共渗处理，其中，除了碳，将少量的氮扩散到至少一个内圈和/或外圈的表面中，以形成边缘区。因为至少一个内圈和/或外圈在该方法中经受相对低的温度并且工艺时长通常短于例如渗碳工艺，因此经热处理的内圈和/或外圈延迟风险更小。扩散的氮由于相对低的扩散量用作合金元素并且降低了硬化温度和临界的淬火速度，这又改进了滚动轴承钢的淬透性。通过由此得到的更短的工艺时长可更经济地设计滚动轴承的制造。
在碳氮共渗期间的扩散时间完成之后，紧接地对内圈和/或外圈进行淬火。这优选在油中进行，从而有助于延迟。边缘区具有在0.05和1.5mm之间的厚度，其中，厚度称为碳氮共渗硬化深度(CHD)。碳氮共渗硬化深度与滚动轴承钢的硬化温度、淬火速度、淬透性以及至少一个内圈和/或外圈或至少一个内圈和/或外圈的进行碳氮共渗的区域的尺寸相关。碳氮共渗(热处理)以在从150至350℃的相对低的温度下的结束退火，以降低与碳氮共渗硬化深度相关地产生的脆性以及以设定期望的表面硬度。退火温度与涡轮增压机使用时的温度相关。
优选地，在硬化处理和退火处理之间对至少一个内圈和/或外圈进行低温冷处理。低温冷却处理使得残余奥氏体额外地转变成马氏体并且改进退火和尺寸稳定性。
附图说明
下面根据附图以及对本发明的优选实施例的描述详细地示出了改进本发明的措施，其中，相同或类似的元件设有相同的附图标记。在此示出：
图1示出了根据一种优选实施方式的根据本发明的涡轮增压机的示意性纵向剖视图，以及
图2示出了根据图1的涡轮增压机的局部地示出的滚动轴承的示意性剖视图。
具体实施方式
根据图1，用于内燃机(此处未示出)的涡轮增压机9包括轴8以及用于支承轴8的滚动轴承1。轴8被设计用于在每分钟10000至300000转的转速范围中旋转。滚动轴承1在此构造成双列的角接触球轴承并且具有两件式的内圈2和一件式的外圈3，其中，外圈3沿径向和轴向支撑在涡轮增压机9的壳体10上。在内圈2和外圈3之间的空间中布置滚动体4并且滚动体在内圈2或外圈3的相应运行轨道6上滚动。内圈2和外圈3在此由100Cr6(滚动轴承钢)构成。替代地，内圈2和外圈3可由100CrSiMn6-4构成。此外替代地，内圈2可由100Cr6构成并且外圈3可由100CrSiMn6-4构成，或相反地构造。在此可根据模块设计原理为各个构件选择材料和热处理。
在图2中示出了滚动轴承1的详细剖视图。在此，内圈2以及外圈3在相应的运行轨道6的区域中具有经碳氮共渗处理的边缘区5。内圈2和外圈3的边缘区5分别借助碳氮共渗处理制造，其中，碳和氮扩散到内圈2或外圈3的相应表面7中。然后，对内圈2和外圈3进行硬化处理并且进行退火处理。碳氮共渗处理在850-950℃的温度下完成并由此产生相应边缘区5的直至1.5mm的厚度(碳氮共渗硬化厚度)以及直至1000HV1的维氏硬度。此外，边缘区5具有小于15％的残余奥氏体含量。边缘区5的厚度、表面硬度以及残余奥氏体含量与工艺参数、例如扩散时长和淬火速度以及待碳氮共渗的表面的尺寸相关。边缘区5改进了滚动轴承1的机械特性和热特性，其中尤其优化了相对于滚动经过的颗粒的抵抗性以及相对于剥蚀性和黏附性磨损的抵抗性。此外，边缘区5在实现更好的耐久性的同时实现了滚动轴承1的更好的热稳定性。
附图标记列表
1 滚动轴承
2 内圈
3 外圈
4 滚动体
5 边缘区
6 运行轨道
7 表面
8 轴
9 涡轮增压机

Claims (10)

1.用于内燃机的涡轮增压机(9)，所述涡轮增压机包括轴(8)以及用于支承所述轴(8)的滚动轴承(1)，所述滚动轴承具有至少一个内圈(2)、外圈(3)以及在所述至少一个内圈(2)和所述外圈(3)之间的空间中布置的滚动体(4)，其中，所述至少一个内圈(2)和/或所述外圈(3)由滚动轴承钢构成，其特征在于，所述至少一个内圈(2)和/或所述外圈(3)至少部分地具有经碳氮共渗处理的边缘区(5)。
2.根据权利要求1所述的涡轮增压机(9)，其特征在于，所述轴(8)构造成，在每分钟10000至300000转的转速范围中旋转。
3.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮增压机(9)，其特征在于，所述边缘区(5)具有0.05至1.5mm的厚度。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的涡轮增压机(9)，其特征在于，所述至少一个内圈(2)和/或所述外圈(3)由100Cr6构成。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的涡轮增压机(9)，其特征在于，所述至少一个内圈(2)和/或所述外圈(3)由100CrSiMn6-4构成。
6.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮增压机(9)，其特征在于，所述边缘区(5)具有大于650HV10的维氏硬度。
7.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮增压机(9)，其特征在于，所述边缘区(5)构造在所述至少一个内圈(2)和/或所述外圈(3)的运行轨道(6)的区域中。
8.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮增压机(9)，其特征在于，所述边缘区(5)具有最高15％的残余奥氏体含量。
9.用于制造涡轮增压机(9)的滚动轴承(1)的方法，其中，所述滚动轴承(1)具有至少一个内圈(2)、外圈(3)以及在所述至少一个内圈(2)和所述外圈(3)之间的空间中布置的滚动体(4)，其中，所述至少一个内圈(2)和/或所述外圈(3)由滚动轴承钢构成，所述方法包括以下的方法步骤：
-对所述至少一个内圈(2)和/或所述外圈(3)进行碳氮共渗处理，其中，使碳和氮扩散到所述至少一个内圈(2)和/或所述外圈(3)的表面(7)中，以形成边缘区(5)，
-对所述至少一个内圈(2)和/或所述外圈(3)进行硬化处理；以及
-对所述至少一个内圈(2)和/或所述外圈(3)进行退火处理。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述硬化处理和所述退火处理之间对所述至少一个内圈(2)和/或所述外圈(3)进行低温冷却处理。
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