DE102012207302A1

DE102012207302A1 - Guide vane cage for variable turbine/compressor structure of supercharger used in internal combustion engine of motor car, has inner ring that is set in attachment region of arms and recess that is formed in axial groove portion

Info

Publication number: DE102012207302A1
Application number: DE201210207302
Authority: DE
Inventors: Anatolij Martens
Original assignee: Bosch Mahle Turbo Systems GmbH and Co KG
Current assignee: BMTS Technology GmbH and Co KG
Priority date: 2012-05-02
Filing date: 2012-05-02
Publication date: 2013-11-07
Also published as: CN203463331U

Abstract

The cage (1) has an inner ring (2) and an axial outer ring (3) that are arranged over two arms (4). The inner ring is provided in the attachment region of arms. A recess (5) is formed in an axial groove portion. The surface of main portion is coated with nitride.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Leitschaufelkäfig für eine variable Turbinen- oder Verdichtergeometrie einer Ladeeinrichtung, mit einem Innenring und einem axial dazu versetzten Außenring, die über zumindest zwei Arme aneinander gehalten sind gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine variable Turbinen- oder Verdichtergeometrie mit einem derartigen Leitschaufelkäfig sowie eine Ladeeinrichtung, insbesondere einen Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine, mit einer derartigen variablen Turbinen- oder Verdichtergeometrie. The present invention relates to a vane cage for a variable turbine or compressor geometry of a charging device, with an inner ring and an axially offset outer ring, which are held together by at least two arms according to the preamble of claim 1. The invention also relates to a variable turbine or Compressor geometry with such a guide vane cage and a charging device, in particular an exhaust gas turbocharger of an internal combustion engine, with such a variable turbine or compressor geometry.

Aus der WO 2010/082119 A2 ist ein gattungsgemäßer Leitschaufelkäfig bekannt, der in Umfangsrichtung versetzt zu einem Innenring mit einem Außenring verbindenden Armen Durchbruchsöffnungen aufweist, die insbesondere der Gewichtsreduzierung des Leitschaufelkäfigs dienen sollen. Die Durchbruchsöffnungen sind dabei ringsegmentartig ausgebildet. From the WO 2010/082119 A2 a generic vane cage is known, which has circumferentially offset to an inner ring with an outer ring connecting arms breakthrough openings, which are intended in particular to reduce the weight of the vane cage. The breakthrough openings are formed like a ring segment.

Aus der WO 2004/022926 A1 ist ein weiterer gattungsgemäßer Leitschaufelkäfig bekannt, der einen in üblicher Weise über drei Arme an einem Außenring gehaltenen Innenring besitzt. From the WO 2004/022926 A1 Another generic vane cage is known which has a held in the usual manner via three arms on an outer ring inner ring.

In modernen Brennkraftmaschinen werden üblicherweise Ladeeinrichtungen zur Turboaufladung eingesetzt, wobei derartige Ladeeinrichtungen oftmals eine variable Turbinen-/Verdichtergeometrie besitzen, um die Zuführung von Ladeluft exakt an den jeweiligen Bedarf der Brennkraftmaschine anpassen zu können. Die variable Turbinen-/Verdichtergeometrie besitzt dabei über einen Verstellring verstellbare Leitschaufeln, die je nach gewünschter Leistung des Abgasturboladers bzw. der Ladeeinrichtung simultan eingestellt werden können. In modern internal combustion engines usually charging devices are used for turbocharging, such charging devices often have a variable turbine / compressor geometry to be able to adapt the supply of charge air exactly to the particular needs of the internal combustion engine. In this case, the variable turbine / compressor geometry has guide vanes which are adjustable via an adjusting ring and can be set simultaneously depending on the desired output of the exhaust gas turbocharger or the charging device.

Zwischen den einzelnen Leitschaufeln und dem eigentlichen Gehäuse der Ladeeinrichtung ist dabei üblicherweise ein Leitschaufelkäfig angeordnet, der mit einem Innenring das Turbinen- oder Verdichterrad und mit einem axial dazu versetzten Außenring die Leitschaufeln umfasst. Besonders auf der Turbinenseite ist ein derartiger Leitschaufelkäfig hohen Temperaturbelastungen ausgebildet, die besonders im Bereich der Arme, über die der Innenring mit dem Außenring verbunden ist, zu Rissen und damit im ungünstigen Falle zu einem Versagen des Leitschaufelkäfigs führen können. Between the individual guide vanes and the actual housing of the charging device, a guide blade cage is usually arranged, which comprises the turbine blades or compressor wheel with an inner ring and the guide vanes with an outer ring offset axially thereto. Especially on the turbine side, such a guide cage cage is formed high temperature loads, which can lead to cracks and thus in the worst case to a failure of the guide vane cage, especially in the area of the arms, via which the inner ring is connected to the outer ring.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für einen Leitschaufelkäfig der gattungsgemäßen Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch einen hohen Verschleißwiderstand auszeichnet. The present invention therefore deals with the problem of providing an improved embodiment for a guide-cage cage of the generic type, which is characterized in particular by a high resistance to wear.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. This problem is solved according to the invention by the subject matters of the independent claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, an einem allseits bekannten Leitschaufelkäfig in einem Anbindungsbereich von Armen an einem Innenring Vertiefungen in der Art von Axialnutabschnitten vorzusehen, wodurch die Rissbildung durch thermische Spannungen erheblich reduziert und damit die Verschleißbeständigkeit des Leitschaufelkäfigs erhöht werden kann. Der erfindungsgemäße Leitschaufelkäfig ist dabei für die Verwendung in einer variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie einer Ladeeinrichtung, insbesondere in einem Abgasturbolader ausgebildet und besitzt den beschriebenen Innenring sowie einen dazu axial versetzten Außenring, die über zumindest zwei Arme, vorzugsweise über drei Arme, aneinander gehalten und miteinander verbunden sind. Erfindungsgemäß ist nun am Innenring im Anbindungsbereich der Arme zumindest eine Vertiefung in der Art eines Axialnutabschnitts vorgesehen, die aufgrund des dortigen Materialabtrags eine gewisse Beweglichkeit der Arme relativ zum Innenring ermöglicht und dadurch das Auftreten von Rissen minimiert. Zudem stellen die Vertiefungen eine Gewichtsreduzierung dar, was insbesondere bei der Verwendung derartiger Leitschaufelkäfige in Kraftfahrzeugen langfristig zu einem reduzierten Kraftstoffverbrauch und damit zu einer besseren Umweltverträglichkeit führt. Durch das Vorsehen derartiger Vertiefungen konnte in entsprechenden Untersuchungen überraschenderweise herausgefunden werden, dass sich die Rissbildung im Bereich der Arme und insbesondere im Anbindungsbereich derselben an den Innenring deutlich reduziert. The present invention is based on the general idea of providing depressions in the manner of Axialnutabschnitten on a well-known stator cage in a connection region of arms on an inner ring, whereby the thermal stress cracking can be significantly reduced, and thus the wear resistance of the guide vane cage can be increased. The guide vane cage according to the invention is designed for use in a variable turbine / compressor geometry of a charging device, in particular in an exhaust gas turbocharger and has the described inner ring and an axially offset outer ring, held together via at least two arms, preferably three arms, and each other are connected. According to the invention, at least one recess in the manner of an axial groove section is now provided on the inner ring in the connection region of the arms, which allows a certain mobility of the arms relative to the inner ring due to the material removal there, thereby minimizing the occurrence of cracks. In addition, the depressions represent a reduction in weight, which leads in the long term to reduced fuel consumption and thus to better environmental compatibility, especially when using such guide vanes in motor vehicles. By providing such depressions, it has surprisingly been found in corresponding investigations that the formation of cracks in the region of the arms and in particular in the connection region thereof to the inner ring is markedly reduced.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist der Leitschaufelkäfig zumindest bereichsweise an seiner Oberfläche nitriert. Das Nitrieren ist dabei ein gängiges Verfahren zur Oberflächenhärtung, wozu Stickstoff zur Aufstickung verwendet wird. Es entsteht dabei eine Oberflächenschicht, die bis ca. 500°C beständig ist. Nitrieren kann dabei bspw. durch Badnitrieren, Gasnitrieren oder Plasmanitrieren erfolgen. Das Nitrieren selbst wird in der Regel bei Temperaturen um ca. 500–520°C bei Behandlungszeiten von 1 bis 100 Stunden durchgeführt, wobei der Kern des Werkstoffs, also des Leitschaufelkäfigs, ferritisch bleibt und darüber hinaus die Bildung von oberflächennahem Austenit durch Eindiffusion von Stickstoff vermieden wird. An der Werkstückoberfläche bildet sich durch Eindiffusion von Stickstoff oder Kohlenstoff in das Werkstück, das heißt in den Leitschaufelkäfig, eine sehr harte oberflächige Verbindungsschicht, die je nach Behandlungszeit zwischen 10 und 30µm dick werden kann und mehr oder weniger stark ausgeprägte Porensäume an der Oberfläche aufweist, die wiederum als Träger von bspw. Gleitmitteln eingesetzt werden können. Auch ist ein verbindungsschichtfreies Nitrieren z. Bsp. für eine spätere chemische oder galvanische Beschichtung denkbar. Um den Korrosionsschutz zu erhöhen, ist es zusätzlich denkbar, diese Verbindungsschicht zu oxidieren. Mit der Nitrierung der Oberfläche des Leitschaufelkäfigs kann insbesondere dessen Verschleißwiderstand erhöht werden. In an advantageous development of the solution according to the invention, the guide blade cage is nitrided at least in some areas on its surface. Nitriding is a common process for surface hardening, for which nitrogen is used for nitriding. This results in a surface layer that is resistant to about 500 ° C. Nitriding can be carried out, for example, by bath nitriding, gas nitriding or plasma nitriding. The nitriding itself is usually carried out at temperatures of about 500-520 ° C at treatment times of 1 to 100 hours, the core of the material, so the guide vane cage, remains ferritic and beyond the formation of near-surface austenite by diffusion of nitrogen is avoided. By diffusion of nitrogen or carbon into the workpiece, ie into the vane cage, a very hard surface bonding layer forms on the workpiece surface which, depending on the treatment time, can be between 10 and 30 μm thick and has more or less pronounced pore spaces on the surface. the in turn can be used as a carrier of, for example, lubricants. Also, a bonding layer free nitriding z. For example conceivable for a subsequent chemical or electroplating. In order to increase the corrosion protection, it is additionally conceivable to oxidize this compound layer. With the nitriding of the surface of the guide vane cage in particular its wear resistance can be increased.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung sind die Arme symmetrisch und/oder zumindest eine Vertiefung ringsegmentförmig ausgebildet. Die ringsegmentförmige Ausbildung zumindest einer Vertiefung ermöglicht eine insbesondere symmetrische Verteilung der einzelnen Vertiefungen auf einem Kreisumfang am Innenring, wogegen die symmetrische Ausbildung der Arme insbesondere fertigungstechnisch einfach ist, da kein strömungsgünstiges Profil vorgesehen und dieses unter Umständen sogar speziell ausgerichtet werden muss. Die Vertiefungen selbst werden dabei bspw. beim Gießen des Leitschaufelkäfigs mit gefertigt, so dass zum Herstellen der Vertiefungen kein zusätzlicher Arbeitsschritt erforderlich ist. Selbstverständlich ist auch ein nachträgliches Einfräsen derartiger Vertiefungen denkbar. In a further advantageous embodiment of the solution according to the invention, the arms are symmetrical and / or at least one recess ring-shaped. The ring-segment-shaped design of at least one recess allows a particular symmetrical distribution of the individual recesses on a circumference on the inner ring, whereas the symmetrical design of the arms is particularly easy to manufacture, since no streamlined profile provided and this may even have to be specially aligned. The recesses themselves are, for example, during the casting of the guide vane cage manufactured, so that no additional step is required for the production of the wells. Of course, a subsequent milling of such wells is conceivable.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Other important features and advantages of the invention will become apparent from the dependent claims, from the drawings and from the associated figure description with reference to the drawings.

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.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.

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.Preferred embodiments of the invention are illustrated in the drawings and will be described in more detail in the following description, wherein like reference numerals refer to the same or similar or functionally identical components.

Es zeigen, jeweils schematisch: It show, each schematically:

1 einen erfindungsgemäßen Leitschaufelkäfig in einer Schrägansicht, 1 a guide vane cage according to the invention in an oblique view,

2 eine Schnittdarstellung durch den erfindungsgemäßen Leitschaufelkäfig, 2 a sectional view through the guide vane cage according to the invention,

3 eine Ansicht auf den Leitschaufelkäfig von oben. 3 a view on the vane cage from above.

Entsprechend den 1 bis 3, weist ein erfindungsgemäßer Leitschaufelkäfig 1 für eine im Übrigen nicht dargestellte variable Turbinen-/Verdichtergeometrie einer ebenfalls nicht dargestellten Ladeeinrichtung, insbesondere eines Abgasturboladers, einen Innenring 2 sowie einen axial dazu versetzten Außenring 3 auf, die über zumindest zwei, im vorliegenden Fall über drei Arme 4 aneinander gehalten sind. Um dabei eine Rissbildung im Anbindungsbereich der Arme 4 zum Innenring 2 zumindest reduzieren zu können, ist am Innenring 2 im Anbindungsbereich der Arme 4 zumindest eine Vertiefung 5 in der Art eines Axialnutabschnitts vorgesehen. Die Vertiefung 5 ist dabei in der Art einer Ausnehmung 5 ausgebildet und vorzugsweise an jedem Anbindungsbereich eines Armes 4 am zugehörigen Innenring 2 vorgesehen. Durch die Vertiefung/Ausnehmung 5 ist die Verbindung zwischen dem Innenring 2 und den jeweiligen Armen 4 in diesem Bereich weniger steif, wodurch sich die Arme 4 relativ zum Innenring 2 zumindest geringfügig verformen können, bspw. durch Verformung eines die jeweilige Vertiefung 5 tragenden Abschnitts 6 des Innenrings 2, wodurch eine bisher in diesem Bereich auftretende Rissbildung deutlich reduziert werden kann. According to the 1 to 3 , Has a guide vane cage according to the invention 1 for an otherwise not shown variable turbine / compressor geometry of a charging device, also not shown, in particular an exhaust gas turbocharger, an inner ring 2 and an axially offset outer ring 3 at least two, in the present case three arms 4 are held together. To thereby cracking in the connection area of the arms 4 to the inner ring 2 to reduce at least, is on the inner ring 2 in the connection area of the arms 4 at least one depression 5 provided in the manner of Axialnutabschnitts. The depression 5 is in the form of a recess 5 formed and preferably at each connection area of an arm 4 on the associated inner ring 2 intended. Through the depression / recess 5 is the connection between the inner ring 2 and the respective poor 4 less stiff in this area, causing the arms 4 relative to the inner ring 2 At least slightly deform, for example. By deformation of the respective recess 5 carrying section 6 of the inner ring 2 , whereby a hitherto occurring in this area cracking can be significantly reduced.

Der Leitschaufelkäfig 1 ist üblicherweise als metallisches Gussteil ausgebildet, so dass die Vertiefungen 5 durch eine entsprechende Erhebung in der Gussform in einem Arbeitsgang zusammen mit der Herstellung des Leitschaufelkäfig 1 hergestellt werden können. Selbstverständlich ist auch ein nachträgliches Einbringen der einzelnen Vertiefungen 5, bspw. mittels Fräsen oder mittels des Lasers denkbar. The vane cage 1 is usually formed as a metallic casting, so that the wells 5 by a corresponding survey in the mold in one operation together with the production of the guide vane cage 1 can be produced. Of course, a subsequent introduction of the individual wells 5 , For example by means of milling or by means of the laser conceivable.

Betrachtet man insbesondere die 3, so kann man erkennen, dass die Vertiefungen 5 ringsegmentförmig ausgebildet und insbesondere symmetrisch zueinander angeordnet sind. Die Vertiefungen 5 stellen dabei jedoch nicht nur eine Erhöhung der Beweglichkeit der in diesem Bereich angebundenen Arme 4 dar, sondern reduzieren durch den Materialabtrag im Bereich der Vertiefungen 5 auch das Gewicht des Leitschaufelkäfig 1, wodurch dieser insgesamt leichter ausgebildet werden kann. Dies ist insbesondere beim Einsatz in Ladeeinrichtungen in Kraftfahrzeugen langfristig von großem Vorteil. Looking in particular at the 3 so you can tell that the pits 5 ring segment-shaped and in particular are arranged symmetrically to each other. The wells 5 However, this does not only increase the mobility of the arms connected in this area 4 but reduce by the removal of material in the region of the wells 5 also the weight of the vane cage 1 , whereby this can be made easier overall. This is of great advantage in the long term, especially when used in charging devices in motor vehicles.

Die Arme 4 gemäß den 1 und 3 sind symmetrisch zu einander angeordnet, wobei selbstverständlich auch mehr als drei Arme 4 vorgesehen sein können. Zur weiteren Erhöhung der Verschleißbeständigkeit kann der Leitschaufelkäfig 1 zumindest bereichsweise an seiner Oberfläche nitriert sein, das heißt eine Aufstickung durch Stickstoff erfahren, wodurch eine Oberflächenhärtung eintritt. Eine derartige Nitrierung ist bis ca. 500°C beständig und kann bspw. durch Badnitrieren, Gasnitrieren oder Plasmanitrieren aufgebracht werden. Selbstverständlich sind auch andere Oberflächenvergütungsverfahren zur Erhöhung der Verschleißbeständigkeit denkbar. The poor 4 according to the 1 and 3 are arranged symmetrically to each other, of course, more than three arms 4 can be provided. To further increase the wear resistance, the vane cage 1 nitrided at least in some areas on its surface, that is to say nitridation by nitrogen, whereby a surface hardening occurs. Such a nitration is stable up to about 500 ° C and can be applied, for example, by bath nitriding, gas nitriding or plasma nitriding. Of course, other surface treatment methods for increasing the wear resistance are conceivable.

Wie insbesondere den 1 und 3 weiter zu entnehmen ist, sind die Arme 4 selbst symmetrisch ausgebildet und besitzen insbesondere kein strömungsoptimiertes Profil, wodurch die Herstellung des erfindungsgemäßen Leitschaufelkäfig 1 sowie dessen Montage in einer entsprechenden Ladeeinrichtung vereinfacht werden kann. As in particular the 1 and 3 can be seen further, are the arms 4 formed symmetrically and in particular have no flow-optimized profile, whereby the production of the guide vane cage according to the invention 1 as well as its mounting in a corresponding charging device can be simplified.

Mit dem erfindungsgemäßen Leitschaufelkäfig 1 kann insbesondere die Langlebigkeit einer damit ausgestatteten variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie und darüber hinaus einer mit einer derartigen variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie ausgestatteten Ladeeinrichtung, insbesondere eines Abgasturboladers in einem Kraftfahrzeug, gesteigert werden. With the guide vane cage according to the invention 1 In particular, the longevity of a variable turbine / compressor geometry equipped therewith and, moreover, a charging device equipped with such a variable turbine / compressor geometry, in particular of an exhaust gas turbocharger in a motor vehicle, can be increased.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2010/082119 A2 [0002]
WO 2004/022926 A1 [0003]

Claims

Guide vane cage ( 1 ) for a variable turbine / compressor geometry of a charging device, in particular of an exhaust gas turbocharger, with an inner ring ( 2 ) and an axially offset outer ring ( 3 ), which has at least two arms ( 4 ) are held together, characterized in that on the inner ring ( 2 ) in the connection area of the arms ( 4 ) at least one depression ( 5 ) is provided in the manner of a Axialnutabschnitts.

Guide vane cage according to claim 1, characterized in that three arms ( 4 ) are provided, wherein in the connection region of the arms ( 4 ) one depression each ( 5 ) is provided in the manner of a Axialnutabschnitts.

Guide vane cage according to claim 1 or 2, characterized in that the guide vane cage ( 1 ) is formed as a metallic casting.

Guide vane cage according to one of claims 1 to 3, characterized in that the guide vane cage ( 1 ) is nitrided at least partially on its surface.

Guide vane cage according to one of claims 1 to 4, characterized in that at least one depression ( 5 ) is formed ring segment-shaped.

Guide vane cage according to one of claims 1 to 5, characterized in that the arms ( 4 ) are formed symmetrically.

Variable turbine / compressor geometry with a vane cage ( 1 ) according to one of claims 1 to 6.

Charging device, in particular an exhaust gas turbocharger of an internal combustion engine, preferably of a motor vehicle, with a variable turbine / compressor geometry according to claim 7.