DE102014218784A1 - Outer ring of a bearing cartridge for a turbocharger - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein zweireihiges Schrägkugellager für eine Läuferwelle eines Abgasturboladers mit einem am Innenumfang zwei äußere Wälzbahnen (8) aufweisendem Außenring (7) und einem geteilten, an seinem Außenumfang zwei innere Wälzbahnen (4) aufweisenden Innenring sowie mit zwischen dem Innen- und dem Außenring (3, 7) im Bereich der inneren und äußeren Wälzbahnen (4, 8) angeordneten Kugeln (9) als Wälzkörper. Der Außenring (7) ist das Ergebnis eines Metallpulverspritzgießens.The invention relates to a double-row angular contact ball bearing for a rotor shaft of an exhaust gas turbocharger having a on the inner circumference two outer Wälzbahnen (8) exhibiting outer ring (7) and a split, on its outer circumference two inner Wälzbahnen (4) having inner ring and with between the inner and the outer ring (3, 7) in the region of the inner and outer Wälzbahnen (4, 8) arranged balls (9) as rolling elements. The outer ring (7) is the result of a metal powder injection molding.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schrägkugellager zu der Abstützung und Führung der Läuferwelle eines Turboladers. Kugellager beinhalten Kugeln als Wälzkörper sowie einen Außenring und ggf. einen Innenring, an denen jeweils eine Wälzbahn gebildet ist. Die Kugeln wälzen zwischen dem Außen- und dem Innenring auf den Wälzbahnen ab und werden mittels eines Käfigs mit über seinen Umfang verteilten Wälzkörpertaschen voneinander beabstandet. Der Käfig kann an den Wälzkörpern geführt sein oder an einem der Ringe; in Turboladern erfolgt die Führung für gewöhnlich am Außenring – aber auch die Führung am Innenring ist möglich. Die besonderen Betriebsbedingungen eines Turboladers stellen die Auslegung der Lagerung vor besondere Herausforderungen. Die Läuferwelle rotiert mit einer Drehzahl, die infolge ihrer absoluten Höhe und ihrer Schwankungen hohe Lasten in das Lager leiten. Turbolader werden mit sich ständig ändernder Drehzahl betrieben, die in der Spitze bis zu 300.000 Umdrehungen pro Minute betragen kann. Darüber hinaus herrschen insbesondere in der Nähe des Turbinenrades hohe Betriebstemperaturen, die auf das Schmiermittel und die verwendeten Werkstoffe wirken. Vergleichbare Betriebsbedingungen gelten auch für die Lagerung von Läuferwellen für Kompressoren und sogenannte Turbocompounds.The invention relates to an angular contact ball bearing for the support and guidance of the rotor shaft of a turbocharger. Ball bearings include balls as rolling elements and an outer ring and possibly an inner ring, on each of which a rolling track is formed. The balls roll between the outer and inner ring on the Wälzbahnen and are spaced by means of a cage with distributed over its circumference Wälzkörpertaschen. The cage may be guided on the rolling elements or on one of the rings; In turbochargers, the guide usually takes place on the outer ring - but also the guide on the inner ring is possible. The special operating conditions of a turbocharger present the design of the bearing with special challenges. The rotor shaft rotates at a speed which, due to their absolute height and their variations, conducts high loads into the bearing. Turbochargers are operated at a constantly changing speed, which can peak at up to 300,000 revolutions per minute. In addition, prevail especially in the vicinity of the turbine wheel high operating temperatures, which act on the lubricant and the materials used. Similar operating conditions also apply to the bearing of rotor shafts for compressors and so-called turbocompounds.

In der DE 10 2011 007 250 A1 ist eine Lagereinheit für einen Turbolader offenbart, deren sich in axialer Richtung erstreckendes Lagergehäuse eine Lagerkartusche aufnimmt. Zwischen dem Außenumfang der Lagerkartusche und dem Lagergehäuse befindet sich ein Zwischenraum, der während des Betriebes des Turboladers mit einem schwingungsdämpfenden Ölfilm befüllt ist. Das Lagergehäuse weist ferner eine zur Ölversorgung ausgebildete Versorgungsbohrung auf, die in eine am Außenfumgang des Außenrings entlang dessen Umfangs verlaufende Nut ausmündet. Im Bereich der Nut befindet sich eine Spritzölbohrung, mittels derer eine Verbindung zur Versorgung der Wälzkörper mit Schmieröl hergestellt werden kann.In the DE 10 2011 007 250 A1 discloses a bearing unit for a turbocharger, which accommodates a bearing cartridge in the axial direction extending bearing housing. Between the outer circumference of the bearing cartridge and the bearing housing is a gap which is filled during operation of the turbocharger with a vibration-damping oil film. The bearing housing further has a supply bore formed for the oil supply, which opens into a groove running on the outer circumferential surface of the outer ring along its circumference. In the region of the groove is a spray oil hole, by means of which a connection can be made to supply the rolling elements with lubricating oil.

Gattungsgemäße Außenringe für Lagerkartuschen werden aus warmfestem Wälzlagerstahl M50 (AlSI) bzw. 80 MoCrV 42 16 gefertigt. Dieser Werkstoff hält den hohen Temperaturen stand, denen Schrägkugellager bei ihrer Verwendung zu der Lagerung der Läuferwelle eines Turboladers typischerweise ausgesetzt sind; auch bei hohen Temperaturen bleibt die Funktionsfähigkeit des Lagers erhalten. Der Außenring wird aus Vollmaterial spangebend hergestellt; die Fertigung geht daher mit Materialverlust einher.Generic outer rings for bearing cartridges are made of heat-resistant bearing steel M50 (AlSI) or 80 MoCrV 42 16. This material withstands the high temperatures to which angular contact ball bearings are typically exposed when used to support the rotor shaft of a turbocharger; Even at high temperatures, the functionality of the bearing is maintained. The outer ring is made of solid material cutting; the production is therefore associated with material loss.

Es ist somit Aufgabe der Erfindung, ein hinsichtlich des der Fertigungskosten optimiertes Schrägkugellager für einen Turbolader zur Verfügung zu stellen. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Herstellungsverfahren bereit zu stellen, mittels dessen ein hinsichtlich der Kosten optimiertes Schrägkugellager gefertigt werden kann.It is therefore an object of the invention to provide an optimized with respect to the manufacturing costs angular contact ball bearings for a turbocharger. Another object is to provide a manufacturing method by means of which an angular ball bearing optimized in terms of cost can be manufactured.

Die Lösung der ersten Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1, während vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung den Unteransprüchen entnehmbar sind. Demnach umfasst ein erfindungsgemäßes zweireihiges Schrägkugellager für eine Läuferwelle eines Abgasturboladers einen Außenring, der an seinem Innenumfang zwei äußere Wälzbahnen aufweist, sowie einen geteilten, an seinem Außenumfang zwei innere Wälzbahnen aufweisenden Innenring. Zwischen dem Innen- und dem Außenring sind im Bereich der inneren und äußeren Wälzbahnen Kugeln als Wälzkörper angeordnet, wobei der Außenring das Ergebnis eines Metallpulverspritzgießen ist.The solution of the first object results from the characterizing features of independent claim 1, while advantageous developments and refinements of the invention are the dependent claims. Accordingly, an inventive double-row angular contact ball bearing for a rotor shaft of an exhaust gas turbocharger comprises an outer ring having on its inner circumference two outer Wälzbahnen, and a divided, on its outer circumference two inner Wälzbahnen having inner ring. Between the inner and outer ring balls are arranged as rolling elements in the region of the inner and outer Wälzbahnen, wherein the outer ring is the result of a metal powder injection molding.

Die Erfindung ermöglicht die Herstellung eines Außenrings aus warmfestem Wälzlagerstahl M50 bzw. 80 MoCrV 42 16 unter Anwendung eines Verfahrens zum Metallpulverspritzgießen, auch bekannt als „Metal Injection Moulding” (oder kurz: MIM). Mit diesem Verfahren werden die Vorteile der Spritzgusstechnik mit den Vorteilen des Sinterns kombiniert: Die Vermeidung eines spangebenden Herstellungsverfahrens trägt dazu bei, die Materialkosten für die Herstellung des Außenrings zu senken.The invention makes it possible to produce an outer ring of heat-resistant bearing steel M50 or 80 MoCrV 42 16 using a method for metal powder injection molding, also known as "Metal Injection Molding" (or MIM for short). This process combines the advantages of injection molding with the benefits of sintering: avoiding a metal-cutting process helps reduce the cost of producing the outer ring.

In einer vorteilhaften Weiterbildung weist der Außenring des zweireihigen Schrägkugellagers an seinem Außenumfang eine umlaufende Ölverteilnut auf, in deren Bereich eine Durchgangsbohrung eine fluidleitende Verbindung zwischen Außen- und Innenumfang herstellt. Der Außenring besteht aus einer ersten und einer zweiten Halbschale, wobei die Verbindungsstelle der Halbschalen im Bereich einer Durchgangsbohrung liegt.In an advantageous development, the outer ring of the double-row angular contact ball bearing on its outer circumference on a circumferential Ölverteilnut, in the region of a through hole produces a fluid-conducting connection between the outer and inner circumference. The outer ring consists of a first and a second half-shell, wherein the junction of the half-shells in the region of a through hole.

Das Metallpulverspritzgießen zeigt besondere Vorteile bezüglich der Herstellung des gattungsgemäßen Außenrings: Nuten am Außenumfang zu der Ölverteilung sowie Spritzölbohrungen als Verbindung in den Hohlraum des hohlzylindrisch geformten Außenrings sind Merkmale, die zu einer komplexen geometrischen Gestalt des Außenrings führen. Eben diese Komplexität führt unter Anwendung eines spangebenden Herstellungsverfahrens zu großem Aufwand im Zuge der Nacharbeit. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht folglich darin, dass das vorgeschlagene Schrägkugellager aufgrund seiner strukturellen Merkmale eine derartige Nacharbeit nicht erfordert. Vielmehr kann bereits während des Gießens eine spezielle geometrische Form Berücksichtigung finden – unter Einhaltung enger Toleranzen.The metal powder injection molding shows particular advantages in terms of the production of the generic outer ring: grooves on the outer circumference of the oil distribution and spray oil holes as a connection in the cavity of the hollow cylindrical outer ring are features that lead to a complex geometric shape of the outer ring. This complexity leads to the use of a cutting manufacturing process to great effort in the course of rework. A further advantage of the invention is therefore that the proposed angular contact ball bearing does not require such reworking due to its structural features. Rather, even during casting a special geometric shape can be considered - while maintaining close tolerances.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist das zweireihige Schrägkugellager durch die Verwendung eines warmfesten Wälzlagerstahls M50 (AlSI) bzw. 80 MoCrV 42 16 zu der Herstellung des Außenrings gekennzeichnet. Dieser Werkstoff hält den hohen Temperaturen stand, denen Schrägkugellager bei ihrer Verwendung zu der Lagerung der Läuferwelle eines Turboladers typischerweise ausgesetzt sind. In an advantageous development, the double-row angular contact ball bearing is characterized by the use of a heat-resistant bearing steel M50 (AlSI) or 80 MoCrV 42 16 for the production of the outer ring. This material withstands the high temperatures to which angular contact ball bearings are typically exposed when used to support the rotor shaft of a turbocharger.

Die Lösung der zweiten Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruchs 4, während vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung den Unteransprüchen entnehmbar sind. Demnach umfasst ein Herstellungsverfahren eines erfindungsgemäßen Schrägkugellagers folgende Schritte:

  • 1. Formgebung der ersten und der zweiten Halbschale aus einer Metallpulverspritzgussmasse;
  • 2. Anlegen der ersten und der zweiten Halbschale an ihrer Verbindungsstelle;
  • 3. Sintern der ersten und der zweiten Halbschale;
  • 4. Schleifen des Außenrings.
The solution of the second task results from the characterizing features of the independent method claim 4, while advantageous developments and refinements of the invention are the dependent claims. Accordingly, a manufacturing method of an angular contact ball bearing according to the invention comprises the following steps:
  • 1. shaping the first and the second half-shell of a metal powder injection molding compound;
  • 2. applying the first and the second half-shell at its connection point;
  • 3. sintering the first and second half-shells;
  • 4. Grinding the outer ring.

Ausgangsmaterial ist rostfreies Metallpulver, das mit einem Kunststoffbinder vermischt wird. Dieses Masse wird daraufhin in einer Spritzgießmaschine zu einem Grünling in Gestalt zweier Halbschalen geformt, anschließend erfolgt die Entbinderung des Grünlings. In einem weiteren Schritt werden die Halbschalen an ihrer Verbindungsstelle aneinander gelegt. Das sich daran anschließende Sintern in einer kontrollierten Atmosphäre führt zu einer festen Verbindung der Halbschalen und zu der Herstellung der gewünschten Materialeigenschaften. Abschließend wird der Außenring geschliffen und montiert.Starting material is stainless metal powder, which is mixed with a plastic binder. This mass is then formed in an injection molding machine into a green compact in the form of two half-shells, then the binder is debonded. In a further step, the half-shells are placed against one another at their connection point. The subsequent sintering in a controlled atmosphere leads to a firm connection of the half-shells and to the production of the desired material properties. Finally, the outer ring is ground and mounted.

Das erfindungsgemäße Verfahren führt zu der Herstellung eines Außenrings, der sich durch – im Vergleich zu der Fertigung aus einem Vollmaterial – ähnliche Materialeigenschaften auszeichnet. Gleichzeitig können die Herstellungskosten gesenkt werden; sowohl die Materialkosten als auch die Fertigungskosten können vermindert werden – letztere vor allem infolge des Entfalls eines zusätzlichen Nacharbeitens zu der Herstellung komplexer geometrischer Formen des Außenrings.The inventive method leads to the production of an outer ring, which is characterized by - compared to the production of a solid material - similar material properties. At the same time, the production costs can be reduced; Both the material costs and the manufacturing costs can be reduced - the latter mainly due to the elimination of an additional reworking to the production of complex geometric shapes of the outer ring.

In einer Weiterbildung schließt sich an das Sintern der ersten und zweiten Halbschale eine Wärmebehandlung an. Unter Anwendung eine weiteren Wärmebehandlung können die Materialeigenschaften an die Anforderungen des Einzelfalles angepasst werden.In a development, the sintering of the first and second half-shell is followed by a heat treatment. By applying a further heat treatment, the material properties can be adapted to the requirements of the individual case.

Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei Bezug auf die Zeichnung genommen wird.The invention will now be explained in more detail with reference to an embodiment, reference being made to the drawing.

1 zeigt einen Längsschnitt einer Lagerkartusche eines Turboladers mit einem aus warmfestem Wälzlagerstahl M50 bestehenden Außenring. 1 shows a longitudinal section of a bearing cartridge of a turbocharger with an outer ring consisting of heat-resistant M50 bearing steel.

Die 1 zeigt einen Längsschnitt einer Lagerkartusche 1 eines nicht weiter dargestellten Turboladers. Die Läuferwelle 2 trägt einen Innenring 3, der zweigeteilt ausgeführt ist. Die Kontur des Innenrings 3 bildet an dessen Außenumfang innere Wälzbahnen 4 und eine Nut 5, die der Ölverteilung dient. Die Ölzufuhr erfolgt über Ölverteilnuten 18 und Zulaufbohrungen 6, die sich am – einteilig gestalteten – Außenring 7 der Lageranordnung befinden. Der Außenring ist das Ergebnis eine Metallpulver-Spritzgussverfahrens unter Verwendung des warmfesten Wälzlagerstahls M50 (AlSI) bzw. 80 MoCrV 42 16. Am Innenumfang des Außenrings 7 befinden sich äußere Wälzbahnen 8, die gemeinsam mit den inneren Wälzbahnen 4 Kugeln 9 als Wälzkörper aufnehmen. Die Kontur des Innen- und Außenrings 3, 7 bildet mit ihren Schultern 10 Schrägkugellager, deren Drucklinien in der gezeigten Lageranordnung nach außen weisen (O-Anordnung).The 1 shows a longitudinal section of a bearing cartridge 1 a turbocharger, not shown. The rotor shaft 2 wears an inner ring 3 which is executed in two parts. The contour of the inner ring 3 forms on its outer circumference inner Wälzbahnen 4 and a groove 5 , which serves the distribution of oil. The oil is supplied via oil distribution grooves 18 and inlet bores 6 on the one-piece outer ring 7 the bearing assembly are located. The outer ring is the result of a metal powder injection molding process using the heat-resistant bearing steel M50 (AlSI) or 80 MoCrV 42 16. On the inner circumference of the outer ring 7 are outer Wälzbahnen 8th that work together with the inner Wälzbahnen 4 roll 9 absorb as rolling elements. The contour of the inner and outer ring 3 . 7 forms with her shoulders 10 Angular contact ball bearings whose pressure lines point outwards in the illustrated bearing arrangement (O arrangement).

Die Kugeln 9 werden mithilfe eines Käfigs 11 voneinander beabstandet. Der Käfig 11 weist im Bereich der Lagerschulter 10 eine Käfigführungsfläche 12 auf, die gemeinsam mit einer korrespondierenden Fläche 13 am Innenumfang des Außenrings 7 ein Gleitflächenpaar 14 bildet. Die Wälzkörpertaschen 16 zur Aufnahme der Kugeln 9 sind in Richtung erstes axiales Ende 17 außermittig versetzt angeordnet, so dass am zweiten axialen Ende 15 eine erweiterte Käfigführungsfläche 12 freigegeben wird.The balls 9 be using a cage 11 spaced apart. The cage 11 points in the area of the bearing shoulder 10 a cage guide surface 12 on that together with a corresponding area 13 on the inner circumference of the outer ring 7 a sliding surface pair 14 forms. The rolling-body pockets 16 for receiving the balls 9 are in the direction of the first axial end 17 Off-center offset, so that at the second axial end 15 an extended cage guide surface 12 is released.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Lagerkartuschebearing cartridge
22
Läuferwellerotor shaft
33
Innenringinner ring
44
innere Wälzbahninner Wälzbahn
55
Nutgroove
66
Ölversorgungsbohrung, Zulaufbohrung, DurchgangsbohrungOil supply hole, inlet hole, through hole
77
Außenringouter ring
88th
äußere Wälzbahnouter rolling track
99
KugelBullet
1010
Schultershoulder
1111
KäfigCage
1212
KäfigführungsflächeCage guide surface
1313
Fläche am Innenumfang des AußenringsSurface on the inner circumference of the outer ring
1414
GleitflächenpaarGleitflächenpaar
1515
zweites axiales Endesecond axial end
1616
Wälzkörpertaschenroller pockets
1717
erstes axiales Endefirst axial end
1818
ÖlverteilnutÖlverteilnut

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102011007250 A1 [0002] DE 102011007250 A1 [0002]

Claims (5)

Zweireihiges Schrägkugellager für eine Läuferwelle eines Abgasturboladers mit einem am Innenumfang zwei äußere Wälzbahnen (8) aufweisenden Außenring (7) und einem geteilten, an seinem Außenumfang zwei innere Wälzbahnen (4) aufweisenden Innenring sowie mit zwischen dem Innen- und dem Außenring (3, 7) im Bereich der inneren und äußeren Wälzbahnen (4, 8) angeordneten Kugeln (9) als Wälzkörper, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenring (7) das Ergebnis eines Metallpulverspritzgießens ist.Double-row angular contact ball bearing for a rotor shaft of an exhaust gas turbocharger with a two outer rolling tracks on the inner circumference ( 8th ) having outer ring ( 7 ) and a divided, on its outer circumference two inner Wälzbahnen ( 4 ) having inner ring and with between the inner and the outer ring ( 3 . 7 ) in the area of the inner and outer Wälzbahnen ( 4 . 8th ) arranged balls ( 9 ) as a rolling element, characterized in that the outer ring ( 7 ) is the result of a metal powder injection molding. Zweireihiges Schrägkugellager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenring (7) an seinem Außenumfang eine umlaufende Ölverteilnut (18) aufweist, in deren Bereich eine Durchgangsbohrung (6) eine fluidleitende Verbindung zwischen Außen- und Innenumfang des Außenrings (7) herstellt, und dass der Außenring (7) aus einer ersten und einer zweiten Halbschale besteht, wobei die Verbindungsstelle (19) der Halbschalen im Bereich der Durchgangsbohrung (6) liegt.Double-row angular contact ball bearing according to claim 1, characterized in that the outer ring ( 7 ) on its outer circumference a circumferential Ölverteilnut ( 18 ), in whose area a through-bore ( 6 ) a fluid-conducting connection between outer and inner circumference of the outer ring ( 7 ) and that the outer ring ( 7 ) consists of a first and a second half-shell, wherein the connection point ( 19 ) of the half-shells in the region of the through-bore ( 6 ) lies. Zweireihiges Schrägkugellager nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Verwendung eines warmfesten Wälzlagerstahls M50 (AlSI) bzw. 80 MoCrV 42 16 zu der Herstellung des Außenrings.Double-row angular contact ball bearing according to claim 1 or 2, characterized by the use of a heat-resistant bearing steel M50 (AlSI) or 80 MoCrV 42 16 for the production of the outer ring. Verfahren zur Herstellung eines zweireihigen Schrägkugellagers nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: 5. Formgebung der ersten und der zweiten Halbschale aus einer Metallpulverspritzgussmasse; 6. Anlegen der ersten und der zweiten Halbschale an ihrer Verbindungsstelle; 7. Sintern der ersten und der zweiten Halbschale; 8. Schleifen des Außenrings (7).Method for producing a double-row angular contact ball bearing according to claim 3, characterized by the following steps: 5. forming the first and the second half-shell from a metal powder injection molding compound; 6. applying the first and the second half-shell at their junction; 7. sintering the first and second half-shells; 8. Grinding the outer ring ( 7 ). Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Wärmebehandlung, die sich an das Sintern der ersten und der zweiten Halbschale anschließt.A method according to claim 4, characterized by a heat treatment following the sintering of the first and second half-shells.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011007250A1 (en) 2011-04-13 2012-10-18 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Turbocharger cartridge with plain bearing supported rolling bearing

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