DE102014203841A1 - Rotor for an exhaust gas turbocharger - Google Patents

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Karl-Otto Englert
Andreas Haselhofer
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotor (1) für einen Abgasturbolader (2) mit einer Welle (3), einem Verdichterrad (4) und einem Turbinenrad (5), und mit einer Dichtungsbuchse (7) und einer Anlaufscheibe (8) zur Axiallagerung. Erfindungswesentlich ist dabei, dass die Dichtungsbuchse (7) und/oder die Anlaufscheibe (8) aus Stahl ausgebildet und nachträglich gasnitriert, insbesondere nitrocarburiert, und damit oberflächengehärtet sind/ist. Hierdurch kann die Herstellung deutlich vereinfacht werden.The invention relates to a rotor (1) for an exhaust gas turbocharger (2) with a shaft (3), a compressor wheel (4) and a turbine wheel (5), and with a sealing bush (7) and a thrust washer (8) for axial bearing. Essential to the invention is that the sealing bush (7) and / or the thrust washer (8) formed of steel and subsequently gas-nitrided, in particular nitrocarburized, and thus surface hardened / is. As a result, the production can be significantly simplified.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für einen Abgasturbolader mit einer Welle, einem Verdichterrad und einem Turbinenrad, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem einen Abgasturbolader mit einem derartigen Rotor sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen. The present invention relates to a rotor for an exhaust gas turbocharger with a shaft, a compressor wheel and a turbine wheel, according to the preamble of claim 1. The invention also relates to an exhaust gas turbocharger with such a rotor and a method for producing such.

Abgasturbolader werden zur Leistungssteigerung bereits mannigfaltig in modernen Kraftfahrzeugen eingesetzt, wobei ein Rotor für einen derartigen Abgasturbolader üblicherweise aus einer ein Verdichterrad und ein Turbinenrad tragenden Welle aufgebaut ist. Gelagert wird der Rotor dabei üblicherweise über eine Radiallagerund Axiallagereinheit, wobei die Axiallagereinheit üblicherweise aus einer Dichtungsbuchse und einer Anlaufscheibe besteht. Diese beiden Komponenten reiben dabei im Betrieb aneinander und müssen somit erhöhten Verschleißanforderungen gerecht werden, weshalb die Dichtungsbuchse und auch die Anlaufscheibe oftmals aus Stählen hoher Härte, wie beispielsweise einen Stahl mit der Härte 58HRC, ausgebildet sind. Der gängige Prozess hierbei ist ein Durchhärteverfahren, was jedoch den grundlegenden Nachteil aufweist, dass sich bei dem Durchhärten das Bauteil, das heißt genauer gesagt die Dichtungsbuchse bzw. die Anlaufscheibe, geometrisch verziehen kann, wodurch diese nach dem eigentlichen Härten nochmals nachbearbeitet werden muss. Da das erforderliche Nachbearbeiten nunmehr bereits am gehärten Stahl erfolgt, ist dieser Prozess vergleichsweise teuer. Exhaust gas turbochargers are already widely used to increase performance in modern motor vehicles, a rotor for such an exhaust gas turbocharger is usually constructed of a compressor wheel and a turbine wheel supporting shaft. The rotor is usually mounted via a radial bearing and thrust bearing unit, wherein the thrust bearing unit usually consists of a sealing bushing and a thrust washer. These two components rub against each other during operation and must thus meet increased wear requirements, which is why the sealing bush and also the thrust washer are often made of steels of high hardness, such as a steel with a hardness of 58HRC. The common process in this case is a through hardening process, which however has the fundamental disadvantage that, during the hardening, the component, that is more precisely the sealing bush or the thrust washer, can warp geometrically, whereby it has to be reworked after the actual hardening. Since the required reworking now already takes place on hardened steel, this process is comparatively expensive.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für einen Rotor der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, welche insbesondere die Herstellung einer Axiallagereinheit für einen derartigen Rotor und damit den Rotor selbst vereinfacht und verbilligt. The present invention therefore deals with the problem of providing a rotor of the generic type an improved or at least one alternative embodiment, which in particular simplifies the manufacture of a thrust bearing unit for such a rotor and thus the rotor itself and cheaper.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. This problem is solved according to the invention by the subject matter of independent claim 1. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die Komponenten einer Axiallagereinheit, das heißt insbesondere die Dichtungsbuchse und/oder die Anlaufscheibe, aus einem einerseits leicht bearbeitbaren und andererseits kostengünstigen Material zu fertigen und erst anschließend in einer äußerst dünnen Randschicht zu härten und damit verschleißbeständig zu machen. Der erfindungsgemäße Rotor weist somit die zuvor erwähnte Dichtungsbuchse sowie eine Anlaufscheibe zur Axiallagerung als Bestandteil einer Axiallagereinheit auf, wobei die Dichtungsbuchse und/oder die Anlaufscheibe aus Stahl ausgebildet und nachträglich, mit einer harten Diffusionsschicht versehen sind, insbesondere gasnitriert oder nitrocarburiert, sind/ist. Durch das Gasnitrieren, insbesondere das Nitrocarburieren, wird der Stahl durch Aufsticken, das heißt durch äußerliches Zuführen von Stickstoff, in einer Randschicht gehärtet. Beim Gasnitrieren wird in der Regel einer Oberfläche Stickstoff zugeführt, wodurch Stickstoff in die Oberfläche eindiffundieren kann und dadurch eine sehr harte oberflächliche Verbindungsschicht entstehen kann. Je nach Behandlungszeit kann dabei die Schichtdicke variiert werden. Durch die Verwendung von herkömmlichem Stahl, beispielsweise Automatenstahl, insbesondere 42CrMoS4, können sowohl die Dichtungsbuchse als auch die Anlaufscheibe aus einem leicht bearbeitbaren und kostengünstigen Material hergestellt werden, welches aufgrund seiner vergleichsweise weichen Eigenschaften einfach bearbeitet werden kann. Erst nach dem Bearbeiten wird die Dichtungsbuchse bzw. die Anlaufscheibe nitriert bzw. nitrocarburiert und damit gehärtet. Das Bearbeiten der nun gehärteten Dichtungsbuchse bzw. Anlaufscheibe ist somit nicht mehr erforderlich, wodurch dieser vergleichsweise aufwändige und damit auch teure Bearbeitungsschritt entfallen kann. The present invention is based on the general idea to manufacture the components of a thrust bearing unit, that is, in particular the sealing bush and / or the thrust washer, from a readily machinable and cost-effective material and only then to harden in an extremely thin surface layer and thus wear-resistant do. The rotor according to the invention thus has the aforementioned sealing bushing and a thrust washer for axial bearing as part of a thrust bearing, wherein the sealing bush and / or the thrust washer formed of steel and subsequently provided with a hard diffusion layer, in particular gas nitrided or nitrocarburized, are / is. By gas nitriding, in particular nitrocarburizing, the steel is hardened by embroidering, that is to say by externally supplying nitrogen, in an edge layer. In gas nitriding, as a rule, nitrogen is supplied to a surface, which allows nitrogen to diffuse into the surface, thereby resulting in a very hard superficial bonding layer. Depending on the treatment time, the layer thickness can be varied. By using conventional steel, for example free cutting steel, particularly 42CrMoS4, both the sealing bushing and the thrust washer can be made of an easily machinable and inexpensive material which, because of its comparatively soft properties, can be easily machined. Only after machining the sealing bush or the thrust washer is nitrided or nitrocarburized and cured. The processing of the now hardened sealing bushing or thrust washer is thus no longer necessary, so that this comparatively complex and therefore expensive processing step can be omitted.

Zweckmäßig weist die beim Gasnitrieren hergestellte gehärtete Schicht eine Schichtdicke zwischen 4 und 14 µm auf. Durch diese vergleichsweise sehr dünne gehärtete Schicht ist es möglich, diese durch die Toleranzbreite der Abmaße bzw. in der Form und Lagetoleranz zu integrieren, so dass diese Schicht in den Fertigungsmaßen nicht vorgehalten werden muss. Sind größere Schichtdicken gewünscht, so müssen diese gegebenenfalls in den Fertigungsmaßen vorgehalten werden, um im beschichteten Zustand das Sollmaß zu erreichen. The hardened layer produced by gas nitriding expediently has a layer thickness between 4 and 14 μm. By means of this comparatively very thin hardened layer, it is possible to integrate these by the tolerance width of the dimensions or in the shape and position tolerance, so that this layer does not have to be kept in the production dimensions. If larger layer thicknesses are desired, they may need to be kept in the production dimensions in order to achieve the specified dimension in the coated state.

Zweckmäßig sind die in der Schicht vorhandenen Poren durch Nachoxidieren, insbesondere mit Magnetiden, gefüllt. Durch das Füllen der durch das Gasnitrieren entstehenden Poren der gehärteten Oberflächenschicht mittels Magnetiden kann eine sehr glatte Oberfläche geschaffen werden, die nicht nur den Reibbeiwert senkt, sondern zusätzlich auch eine äußerst hohe Verschleißbeständigkeit aufweist. Suitably, the pores present in the layer are filled by post-oxidation, in particular with magnetides. By filling the resulting by gas nitriding pores of the cured surface layer by means of magnetids, a very smooth surface can be created, which not only reduces the coefficient of friction, but also has an extremely high wear resistance.

Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, zur Herstellung eines Rotors bzw. einer Axiallagereinheit desselben, eine Dichtungsbuchse bzw. eine Anlaufscheibe eines derartigen Axiallagers bzw. einer derartigen Axiallagereinheit aus herkömmlichem und vergleichsweise kostengünstigen und weichem Stahl auszubilden und erst nach der eigentlichen Bearbeitung zu härten, jedoch nicht komplett durchgehend, sondern lediglich in einer verantwortlichen Oberflächenschicht und hier durch Gasnitrieren, insbesondere Nitrocarburieren. Dies bietet den großen Vorteil, dass die Dichtungsbuchse bzw. die Anlaufscheibe mit normalen Werkzeugen bearbeitet werden kann und erst nach dem eigentlichen Bearbeiten gehärtet wird, wodurch ein aufwendiges und teures Bearbeiten gehärteter Bauteile entfällt. Durch die Oberflächenhärtung mittels des Gasnitrierens bzw. Nitrocarburierens kann jedoch eine verschleißbeständige oberflächenharte Schicht erzielt werden, welche eine lange Lebensdauer und eine hohe Verschleißbeständigkeit sichert. Als Stahl für die Dichtungsbuchse bzw. die Anlaufscheibe kann beispielsweise ein Automatenstahl, insbesondere ein 11SMn30 verwendet werden. The present invention is further based on the general idea, for the manufacture of a rotor or a thrust bearing unit thereof, to form a sealing bush or thrust washer of such a thrust bearing or bearing of conventional and relatively inexpensive and soft steel and only after the actual processing Harden, but not completely through, but only in a responsible surface layer and here by gas nitriding, especially nitrocarburizing. This offers the great advantage that the sealing bush or the thrust washer can be processed with normal tools and is cured only after the actual processing, whereby a complex and expensive processing of hardened components is eliminated. However, the surface hardening by means of gas nitriding or nitrocarburizing, a wear-resistant surface-hard layer can be achieved, which ensures a long life and high wear resistance. As a steel for the sealing bush or the thrust washer, for example, a free cutting steel, in particular a 11SMn30 can be used.

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

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.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.A preferred embodiment of the invention is illustrated in the drawing and will be explained in more detail in the following description.

Die einzige 1 zeigt eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Rotor. The only 1 shows a sectional view through a rotor according to the invention.

Entsprechend der 1, weist ein erfindungsgemäßer Rotor 1 für einen im Übrigen nicht gezeigten Abgasturbolader 2 eine Welle 3 auf, auf welchem ein Verdichterrad 4 bzw. ein Turbinenrad 5 angeordnet ist. Zur Axiallagerung sind eine Dichtungsbuchse 7 sowie eine Anlaufscheibe 8 vorgesehen. Erfindungsgemäß sind/ist die Dichtungsbuchse 7 und/oder die Anlaufscheibe 8 aus Stahl ausgebildet, insbesondere aus einem einfachen, weichen und kostengünstigen Stahl, beispielsweise aus 42CrMoS4, der nachträglich gasnitriert, insbesondere nitrocarburiert, ist und dadurch hinsichtlich seiner Oberfläche gehärtet wurde. Im Vergleich zu bisherigen Axiallagereinrichtungen, bei welchen die Dichtungsbuchse und die Anlaufscheibe durchgehärtet wurden und dann im durchgehärteten Zustand aufwändig nachbearbeitet werden mussten, kann dies bei der erfindungsgemäßen Dichtungsbuchse 7 bzw. bei der erfindungsgemäßen Anlaufscheibe 8 dadurch vermieden werden, dass diese erst nach einem Fertigbearbeiten oberflächengehärtet wird, so dass die Bearbeitung am vergleichsweise noch weichen Material ausgeführt werden kann. According to the 1 has a rotor according to the invention 1 for an otherwise not shown exhaust gas turbocharger 2 a wave 3 on which a compressor wheel 4 or a turbine wheel 5 is arranged. For axial bearing are a sealing bushing 7 as well as a thrust washer 8th intended. According to the invention, the sealing bush is / is 7 and / or the thrust washer 8th formed of steel, in particular of a simple, soft and inexpensive steel, for example 42CrMoS4, which is subsequently gas-nitrided, in particular nitrocarburized, and was thereby hardened with respect to its surface. Compared to previous thrust bearing devices in which the sealing bushing and the thrust washer have been through hardened and then had to be reworked in the through-hardened state, this can be done with the sealing bushing according to the invention 7 or in the thrust washer according to the invention 8th be avoided that it is surface hardened only after finishing, so that the processing can be performed on comparatively soft material.

Die beim Gasnitrieren hergestellte, gehärtete Oberflächenschicht besitzt dabei eine Schichtdicke zwischen 4 und 14 µm und ist dadurch vergleichsweise dünn. Insbesondere kann sie dabei so dünn sein, dass sie nicht hinsichtlich von Fertigungsmaßen vorgehalten werden muss, sondern sich im Bereich einer Toleranzkette für Abmaße, beispielsweise in Form von Lage- und Formtoleranzen integrieren lässt. Durch die Härtung der Dichtungsbuchse 7 und/oder der Anlaufscheibe 8 ausschließlich an deren Oberfläche kann eine erhöhte Verschleißbeständigkeit dieser Komponenten erreicht werden, ohne dass ein komplettes Durchhärten der Bauteile erforderlich wäre. The hardened surface layer produced by gas nitriding has a layer thickness between 4 and 14 μm and is therefore comparatively thin. In particular, it may be so thin that it does not have to be kept in terms of manufacturing dimensions, but can be integrated in the range of a tolerance chain for dimensions, for example in the form of positional and shape tolerances. By hardening the sealing bush 7 and / or the thrust washer 8th Only on the surface of an increased wear resistance of these components can be achieved without a complete hardening of the components would be required.

Durch das Gasnitrieren bzw. Nitrocarburieren kann die gehärtete Oberflächenschicht Poren aufweisen, welche erfindungsgemäß, insbesondere durch Magnetide, gefüllt werden. Hierdurch kann eine sehr glatte Oberfläche erreicht werden, welche sich nicht nur in Bezug auf einen verbesserten Reibbeiwert, sondern auch in Bezug auf eine verbesserte Verschleißbeständigkeit der Oberfläche auswirkt. By gas nitriding or nitrocarburizing, the hardened surface layer may have pores, which are filled according to the invention, in particular by magnetides. In this way, a very smooth surface can be achieved, which not only affects in terms of an improved coefficient of friction, but also in terms of improved wear resistance of the surface.

Erfindungsgemäß wird somit die Axiallagereinheit des Rotors 1, das heißt die Dichtungsbuchse 7 und/oder die Anlaufscheibe 8 zunächst aus Stahl ausgebildet, insbesondere aus einem Automatenstahl, wie beispielsweise 42CrMoS4, dann nachbearbeitet und erst nach dem Nachbearbeiten bzw. Fertigbearbeiten mit einer harten Diffusionsschicht versehen werden, insbesondere mittels Gasnitrierung bzw. Nitrocarburierung an der Oberfläche gehärtet. Die durch Gasnitrieren hergestellte Schicht kann dabei Poren aufweisen, die insbesondere durch ein Nachoxidieren, beispielsweise mit Magnetiden, gefüllt werden können. Hierdurch kann eine besonders glatte Oberfläche erzielt werden, welche Vorteile hinsichtlich des Reibbeiwerts und des Verschleißwiderstands aufweist. According to the invention thus the thrust bearing unit of the rotor 1 , that is the sealing bush 7 and / or the thrust washer 8th initially formed from steel, in particular from a free-cutting steel, such as 42CrMoS4, then post-processed and provided after the post-processing or finishing with a hard diffusion layer, in particular hardened by means of gas nitriding or nitrocarburizing on the surface. The layer produced by gas nitriding can have pores which can be filled in particular by postoxidation, for example with magnetides. In this way, a particularly smooth surface can be achieved, which has advantages in terms of friction coefficient and wear resistance.

Mit dem erfindungsgemäßen Rotor 1 lässt sich auch ein nur schematisch dargestellter Abgasturbolader 2 ausstatten, so dass auch dieser von der Erfindung mit umfasst sein soll. Neuartig ist dabei, Reibpartner, das heißt im vorliegenden Fall die Dichtungsbuchse 7 und die Anlaufscheibe 8 nicht mehr wie bisher aus durchgehärtetem Stahl auszubilden, sondern lediglich noch Oberflächen zu härten, da eine Härtung im Inneren nicht erforderlich ist und insbesondere eine Nachbearbeitung deutlich erschwert. With the rotor according to the invention 1 can also be an only schematically illustrated exhaust gas turbocharger 2 equip, so that this should be included in the invention. A novelty here is friction partners, that is, in the present case, the sealing bushing 7 and the thrust washer 8th no longer form as previously made of hardened steel, but only to harden surfaces, since curing is not required inside and in particular makes post-processing much more difficult.

Claims (8)

Rotor (1) für einen Abgasturbolader (2) mit einer Welle (3), einem Verdichterrad (4) und einem Turbinenrad (5), und mit einer Dichtungsbuchse (7) und einer Anlaufscheibe (8) zur Axiallagerung, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsbuchse (7) und/oder die Anlaufscheibe (8) aus Stahl ausgebildet und nachträglich gasnitriert, insbesondere nitrocarburiert, und damit oberflächengehärtet sind/ist.Rotor ( 1 ) for an exhaust gas turbocharger ( 2 ) with a wave ( 3 ), a compressor wheel ( 4 ) and a turbine wheel ( 5 ), and with a sealing bushing ( 7 ) and a thrust washer ( 8th ) for axial bearing, characterized in that the sealing bush ( 7 ) and / or the thrust washer ( 8th ) formed of steel and subsequently gas-nitrided, in particular nitrocarburized, and thus surface hardened / is. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl ein Automatenstahl, insbesondere 42CrMoS4, ist. Rotor according to claim 1, characterized in that the steel is a free cutting steel, in particular 42CrMoS4. Rotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beim Gasnitrieren hergestellte gehärtete Oberflächenschicht eine Schichtdicke zwischen 4µm und 14µm aufweist. Rotor according to claim 1 or 2, characterized in that the hardened surface layer produced during gas nitriding has a layer thickness between 4μm and 14μm. Rotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Oberflächenschicht vorhandene Poren durch Nachoxidieren, insbesondere mit Magnetiden, gefüllt sind. Rotor according to claim 3, characterized in that existing pores in the surface layer are filled by post-oxidation, in particular with magnetides. Abgasturbolader (2) mit einem Rotor (1) nach einem der vorherigen Ansprüche. Exhaust gas turbocharger ( 2 ) with a rotor ( 1 ) according to one of the preceding claims. Verfahren zur Herstellung eines Rotors (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Dichtungsbuchse (7) und/oder die Anlaufscheibe (8) aus Stahl ausgebildet und nachträglich gasnitriert, insbesondere nitrocarburiert, werden. Method for producing a rotor ( 1 ) according to one of claims 1 to 4, in which the sealing bush ( 7 ) and / or the thrust washer ( 8th ) formed of steel and subsequently gas-nitrided, in particular nitrocarburized be. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für den Stahl ein Automatenstahl, insbesondere ein 42CrMoS4, verwendet wird. A method according to claim 6, characterized in that a free cutting steel, in particular a 42CrMoS4, is used for the steel. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass Poren der durch Gasnitrieren hergestellten Oberflächenschicht durch Nachoxidieren, insbesondere mit Magnetiden, gefüllt werden. A method according to claim 6 or 7, characterized in that pores of the surface layer produced by gas nitriding are filled by post-oxidation, in particular with magnetides.
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