DE102016113170A1 - Piston ring, turbocharger with piston ring and method of manufacturing a piston ring and a turbocharger - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren zum Herstellen eines Kolbenringes für einen Turbolader beschrieben. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines Materialpulvers zum Formen eines Grundkörpers des Kolbenringes und das Formen des Grundkörpers des Kolbenringes aus dem Materialpulver. Das Verfahren umfasst weiterhin das Verfestigen des Materialpulvers in Form des Grundkörpers. Zudem wird ein Kolbenring beschrieben, der nach dem Verfahren hergestellt wurde und ein Turbolader, der einen solchen Kolbenring umfasst. Weiterhin wird ein Verfahren zum Herstellen eines Turboladers beschrieben.A method of manufacturing a piston ring for a turbocharger is described. The method comprises providing a material powder for molding a base body of the piston ring and forming the base body of the piston ring from the material powder. The method further comprises solidifying the material powder in the form of the base body. Also described is a piston ring made by the method and a turbocharger comprising such a piston ring. Furthermore, a method for manufacturing a turbocharger will be described.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Turbolader, insbesondere der Abgasturbolader. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf einen Kolbenring für einen Turbolader, ein Verfahren zum Herstellen eines Kolbenrings für einen Turbolader und ein Verfahren zum Herstellen eines Turboladers. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen Kolbenring zum Abdichten von mindestens einem Bauteil eines Turboladers und ein Verfahren zum Herstellen eines Kolbenrings zum Abdichten von mindestens einem Bauteil eines Turboladers. The invention relates to the field of turbochargers, in particular the exhaust gas turbocharger. More particularly, the invention relates to a piston ring for a turbocharger, a method of manufacturing a piston ring for a turbocharger, and a method of manufacturing a turbocharger. In particular, the invention relates to a piston ring for sealing at least one component of a turbocharger and a method for producing a piston ring for sealing at least one component of a turbocharger.
Stand der Technik State of the art
Handelsübliche Kolbenringe zum Abdichten von (rotierenden) Teilen in Turboladern sind mit zunehmender Leistungssteigerung und den damit verbundenen thermischen Belastungen nicht mehr in der Lage, ihre Funktion als Wellenabdichtung vollständig wahrzunehmen. Commercially available piston rings for sealing (rotating) parts in turbochargers are no longer able to perform their function as a shaft seal with increasing performance and the associated thermal stresses.
Die Kolbenringe sind zwischen einem feststehenden und mindestens einem rotierenden Teil angeordnet und dienen als Gas- und/ oder Öldichtung. In der Regel wird der Kolbenring bei der Montage des Turboladers mit radial nach außen gerichteter Vorspannung beaufschlagt und mit dem feststehenden Teil kraftschlüssig und dichtend verbunden. Im Betrieb wird der Kolbenring durch den hohen anliegenden Luft- oder Abgasdruck in Richtung des rotierenden Teils gepresst. Dadurch verringert sich der Dichtspalt zwischen Kolbenring und rotierendem Teil was zur gewünschten Dichtwirkung führt. Um eine optimale Dichtwirkung mit minimalem Dichtspalt zu erreichen, wird ein neu eingebauter Kolbenring durch Reiben an dem rotierenden Teils in axialer Richtung eingeschliffen. Die negativen Auswirkungen fertigungsbedingter Maßabweichungen (Toleranzen) auf den Dichtspalt im Betrieb werden durch das Einschleifen eliminiert. Die Reibung zwischen Kolbenring und dem rotierenden Teil führt zu einer starken Erhitzung des Kolbenrings.The piston rings are arranged between a fixed and at least one rotating part and serve as a gas and / or oil seal. In general, the piston ring is acted upon during assembly of the turbocharger with radially outward bias and connected to the fixed part non-positively and sealingly. In operation, the piston ring is pressed by the high applied air or exhaust gas pressure in the direction of the rotating part. This reduces the sealing gap between the piston ring and the rotating part, which leads to the desired sealing effect. In order to achieve an optimum sealing effect with a minimum sealing gap, a newly installed piston ring is ground by rubbing against the rotating part in the axial direction. The negative effects of production-related dimensional deviations (tolerances) on the sealing gap in operation are eliminated by grinding. The friction between the piston ring and the rotating part leads to a strong heating of the piston ring.
Turbinenseitig kommt dazu, dass der Kolbenring auch betriebsbedingt sehr hohen Temperaturen ausgesetzt sein kann. Zwar sind die Temperaturen im stationären Betrieb relativ konstant auf einem verträglichen Niveau. Kommt es jedoch beim Abschalten des Turboladers zu einer starken Nacherwärmung, kann die Kolbenringtemperatur den für den Verlust der Vorspannung kritischen Bereich erreichen. Insbesondere bei Notstops, wenn Kühlungsmaßnahmen ausgeschaltet werden müssen, ergeben sich oft sehr hohe Temperaturspitzen. On the turbine side, the piston ring can also be exposed to very high temperatures due to operational reasons. Although the temperatures in stationary operation are relatively constant at a tolerable level. However, if the turbocharger shuts down strongly, the piston ring temperature may reach the critical range for the loss of preload. Particularly in the case of emergency stops, when cooling measures have to be switched off, very high temperature peaks often result.
Wird der Kolbenring zu heiß, geht die radiale Vorspannkraft verloren und der Kolbenring dichtet gegenüber dem feststehenden Teil nicht mehr genügend ab. Dies kann je nach Material bereits ab einer Temperatur von 350°C geschehen. Zudem neigt der entspannte Kolbenring dazu, mit den rotierenden Teilen mitzudrehen wodurch er sich abnormal abnützen und schließlich sogar brechen kann. Beschädigte Kolbenringe können zu erheblichen Betriebsstörungen des Turboladers führen.If the piston ring becomes too hot, the radial preload force is lost and the piston ring no longer seals sufficiently against the stationary part. Depending on the material, this can already be done from a temperature of 350 ° C. In addition, the relaxed piston ring tends to rotate with the rotating parts, causing it to wear abnormally and eventually break. Damaged piston rings can cause considerable turbocharger malfunction.
Daher werden Kolbenringe häufig aus hitzebeständigem Material gefertigt. Die ein hitzebeständiges Material umfassenden Kolbenringe können mit einer abschleifbaren Schicht (zum Beispiel einer Einlauf- oder Einschleifschicht) versehen sein. Die Lieferkosten solcher Kolbenringe sind aber relativ hoch. Tatsächlich stammen die hohen Herstellungskosten zumindest teilweise von den hohen Herstellungskosten des Kolbenringkörpers (auch Grundkörper des Kolbenrings genannt). Zudem kann, abhängig von dem gewählten Material, die Einhaltung von spezifizierten Abmessungen des Kolbenrings schwierig sein. Therefore, piston rings are often made of heat resistant material. The piston rings comprising a heat-resistant material may be provided with an abradable layer (for example, an inlet or abrasive layer). The delivery costs of such piston rings are relatively high. In fact, the high production costs are at least partially due to the high production costs of the piston ring body (also called the main body of the piston ring). In addition, depending on the material chosen, compliance with specified dimensions of the piston ring may be difficult.
Hitzebeständige Kolbenringe mit und ohne Beschichtung werden bisher aus der maschinellen Bearbeitung von kaltgezogenen zylindrischen Stangen oder Rohrrohlingen (Stand der Technik) gewonnen. Abhängig von dem Material und den gewünschten Abmessungen sind aber Rohrrohlinge nicht immer verfügbar und die Stangenrohlinge müssen maschinell bearbeitet werden, was teuer ist. Außerdem können während des Bearbeitens basierend auf Stangen- oder Rohrrohlingen interne Spannungen entspannt werden, was zu unerwarteten, permanenten Deformationen des Kolbenringkörpers (oder Grundkörpers des Kolbenrings) führen kann. Beispiele hierfür sind Abweichungen bei der Maulweite und Planlaufabweichungen des Kolbenrings. Deshalb gibt es bei den genannten Herstellungsverfahren einen hohen Anteil an Ausschuss. Heat-resistant piston rings with and without coating are hitherto obtained from the machining of cold-drawn cylindrical rods or tube blanks (prior art). However, depending on the material and the dimensions desired, tube blanks are not always available and the bar blanks need to be machined, which is expensive. In addition, internal stresses can be released during machining based on rod or tube blanks, which can lead to unexpected, permanent deformations of the piston ring body (or body of the piston ring). Examples of this are deviations in the jaw width and deviations of the piston ring. Therefore, there is a high proportion of rejects in the production processes mentioned.
Daher werden ein Kolbenring für einen Turbolader, ein Turbolader mit einem Kolbenring, ein Verfahren zum Herstellen eines Kolbenrings und ein Verfahren zum Herstellen eines Turboladers bereitgestellt, die zumindest einige der Probleme des Standes der Technik lösen. Therefore, a turbocharger piston ring, a piston ring turbocharger, a piston ring manufacturing method, and a turbocharger manufacturing method are provided which solve at least some of the problems of the prior art.
Kurze Darstellung der Erfindung Brief description of the invention
In Anbetracht des Vorstehenden wird ein Verfahren zum Herstellen eines Kolbenringes für einen Turbolader nach Anspruch 1, ein Kolbenring zum Abdichten von mindestens einem Bauteil eines Turboladers nach Anspruch 9, ein Turbolader mit einem Kolbenring nach Anspruch 13 und ein Verfahren zum Herstellen eines Turboladers nach Anspruch 15 bereitgestellt. Weitere Ausführungsformen, Ausgestaltungen und Aspekte, der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.In view of the above, a method for manufacturing a piston ring for a turbocharger according to
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Kolbenringes für einen Turbolader bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines Materialpulvers zum Formen eines Grundkörpers des Kolbenringes und das Formen des Grundkörpers des Kolbenringes aus dem Materialpulver. Das Verfahren umfasst weiterhin das Verfestigen des Materialpulvers in Form des Grundkörpers. In accordance with one aspect of the invention, a method of manufacturing a piston ring for a turbocharger is provided. The method comprises providing a material powder for molding a base body of the piston ring and forming the base body of the piston ring from the material powder. The method further comprises solidifying the material powder in the form of the base body.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können einige Vorteile gegenüber bekannten Herstellungsverfahren erzielt werden. Zum Beispiel können die Herstellungskosten reduziert werden, da keine teuren Rohrrohlinge oder Stangen aus hitzebeständigen Material verwendet werden müssen. Zudem ist die Herstellung gemäß hierin beschriebener Ausführungsformen nachhaltiger als die Herstellung nach bisherigen Techniken. Insbesondere für angemessene Chargengrößen von Kolbenringen kann das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren die Nachhaltigkeit mit geringen oder keinen Materialverlusten fördern.By the method according to the invention, some advantages over known production methods can be achieved. For example, manufacturing costs can be reduced because expensive pipe blanks or rods of refractory material need not be used. In addition, the production according to embodiments described herein is more sustainable than the production according to previous techniques. In particular, for adequate batch sizes of piston rings, the manufacturing method of the present invention can promote sustainability with little or no loss of material.
Weiterhin erlaubt das Verfahren zur Herstellung eines Kolbenringes gemäß hierin beschriebener Ausführungsformen eine schnellere und flexiblere Herstellung und Lieferung der Kolbenringe. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann die Herstellung jederzeit aufgenommen werden (anders als bei Herstellungsverfahren, die auf vorhandene Rohlinge zurückgreifen müssen). Zudem kann die Herstellung jederzeit an sich verändernde Geometrien oder Materialwünsche angepasst werden, und ist somit sehr flexibel. Das Herstellungsverfahren gemäß Ausführungsformen der Erfindung ermöglicht es außerdem, die Einhaltung der Kolbenringabmessungen zu verbessern. Zum Beispiel können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Maulweitenabweichung und die Planlaufabweichung verringert werden, was zu einem sichereren Produkt und zu einem zuverlässigen Betrieb des Turboladers führt. Mit dem Herstellungsverfahren nach Ausführungsformen der Erfindung kann zum Beispiel auch die Oberflächenqualität des Kolbenringes beeinflusst werden. Insbesondere für beschichtete Kolbenringe ist die Oberflächenqualität ein Kriterium für die Funktionsfähigkeit und Lebensdauer der Beschichtung.Furthermore, the method of manufacturing a piston ring according to embodiments described herein permits faster and more flexible manufacture and delivery of the piston rings. The inventive method, the production can be added at any time (unlike in manufacturing processes that have to resort to existing blanks). In addition, the production can be adapted at any time to changing geometries or material requirements, and is thus very flexible. The manufacturing method according to embodiments of the invention also makes it possible to improve the compliance of the piston ring dimensions. For example, with the method according to the invention, the jaw deviation and the runout can be reduced, resulting in a safer product and reliable operation of the turbocharger. With the manufacturing method according to embodiments of the invention, for example, the surface quality of the piston ring can be influenced. Especially for coated piston rings, the surface quality is a criterion for the functionality and service life of the coating.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Kolbenring zum Abdichten von mindestens einem Bauteil eines Turboladers bereitgestellt, der durch ein erfindungsgemäßes Verfahren hergestellt worden ist.According to another aspect of the present invention, there is provided a piston ring for sealing at least one component of a turbocharger manufactured by a method according to the invention.
Weiterhin wird nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Turbolader mit einem Kolbenring gemäß hierin beschriebener Ausführungsformen bereitgestellt. Furthermore, according to another aspect of the present invention, a turbocharger with a piston ring according to embodiments described herein is provided.
Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Turboladers bereitgestellt. Der Turbolader umfasst typischerweise ein Verdichterrad, eine drehbar gelagerte Welle mit mindestens einer Nut, ein Turbinenrad und ein statisches Gehäuseteil. Das Verfahren zum Herstellen eines Turboladers umfasst das Anbringen eines Kolbenringes, der ein Kolbenring gemäß hierin beschriebener Ausführungsformen ist, in der Nut der drehbar gelagerten Welle. Die Welle wird in das statische Gehäuseteil eingeführt, wobei der Kolbenring mit einer Vorspannung belegt wird. Das Verfahren umfasst weiterhin das Verbinden des Verdichterrades und des Turbinenrades mit der Welle.According to another aspect of the present invention, a method of manufacturing a turbocharger is provided. The turbocharger typically includes a compressor wheel, a rotatably mounted shaft having at least one groove, a turbine wheel and a static housing part. The method of manufacturing a turbocharger includes attaching a piston ring, which is a piston ring according to embodiments described herein, to the groove of the rotatably mounted shaft. The shaft is inserted into the static housing part, whereby the piston ring is loaded with a bias voltage. The method further comprises connecting the compressor wheel and the turbine wheel to the shaft.
Ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellter Kolbenring weist geringe Toleranzabweichungen von den gewünschten Abmessungen auf. Dadurch kann der Kolbenring den sicheren und zuverlässigen Betrieb des Turboladers gewährleisten und trägt zur Qualitätsverbesserung bei.A piston ring produced by the method according to the invention has small tolerance deviations from the desired dimensions. This allows the piston ring to ensure safe and reliable operation of the turbocharger and contributes to quality improvement.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Im Folgenden sind anhand der Figuren Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Verfahren, des Kolbenrings, und des Turboladers schematisch dargestellt und näher erläutert. In allen Figuren sind gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:Exemplary embodiments of the method according to the invention, of the piston ring, and of the turbocharger are illustrated schematically and explained in greater detail below with reference to the figures. In all figures, the same elements are provided with the same reference numerals. Show it:
Im Allgemeinen werden gleiche Teile in den Figuren mit der gleichen Referenznummer bezeichnet. In general, like parts in the figures are designated by the same reference number.
Detaillierte Beschreibung Detailed description
Im Bereich zwischen den beiden Rädern sind nicht dargestellte Axial- und Radiallager angeordnet. Hierfür können zwischen einem Axialanschlag am Verdichterrad und einem Axialanschlag an der Welle eine beliebige Anzahl Teile eingeklemmt sein, welche im Betriebszustand mit der Welle mitdrehen und Dicht- und/ oder Lagerfunktionen übernehmen. In the area between the two wheels, not shown axial and radial bearings are arranged. For this purpose, an arbitrary number of parts can be clamped between an axial stop on the compressor wheel and an axial stop on the shaft, which rotate in the operating state with the shaft and take over sealing and / or bearing functions.
Jeweils auf der Rückseite der beiden Räder sind nicht rotierende Gehäuseteile
Eine turbinenseitige Kolbenringanordnung ist in
Der Kolbenring
Bei der in
Zwischen dem Verdichterrad und einem Axialanschlag der Welle ist ein festgeklemmtes, mitrotierendes Teil
Bei der erstmaligen Inbetriebnahme eines neu montierten Kolbenrings, kommt es zu einem Einschleifprozess im Kontaktbereich der zueinander rotierenden Kontaktoberflächen und zu reibungsbedingten Materialabtragungen. Der Kolbenring
Der Kolbenring, wie er beispielhaft in den
Der Begriff „Grundkörper“ eines Kolbenringes kann verstanden werden als der Kolbenringkörper. Insbesondere kann der Grundkörper des Kolbenringes den größten Teil des Volumens des Kolbenringes einnehmen (zum Beispiel mehr als 50%, typischerweise mehr als 70% des Volumens des Kolbenringes). Typischerweise kann der Grundkörper separat oder alleine existieren (anders als zum Beispiel eine Beschichtung, die auf einen anderen Körper aufgetragen werden muss). Gemäß einer Ausführungsform gibt der Grundkörper die Form des Kolbenringes vor. Zum Beispiel weist der (fertig produzierte) Kolbenring im Wesentlichen die Form des Kolbenringes auf. In einer Ausführungsform kann der Grundkörper dem Kolbenring entsprechen (insbesondere wenn keine weitere Beschichtung oder Verarbeitung des Grundkörpers für den Einsatzzweck in einem Turbolader mehr nötig ist).The term "main body" of a piston ring can be understood as the piston ring body. In particular, the main body of the piston ring can occupy most of the volume of the piston ring (for example more than 50%, typically more than 70% of the volume of the piston ring). Typically, the body may exist separately or alone (unlike, for example, a coating that needs to be applied to another body). According to one embodiment, the base body predetermines the shape of the piston ring. For example, the (finished) piston ring has substantially the shape of the piston ring. In one embodiment, the base body may correspond to the piston ring (in particular if no further coating or processing of the base body is required for the purpose in a turbocharger).
In einigen Ausführungsformen kann der Grundkörper als ein Ringkörper bezeichnet werden. Der Begriff „Ringkörper“, wie er hierein verwendet wird, kann verstanden werden als ein Ringkörper, der alleine oder zusammen mit einem anderen Ringkörper einen Kolbenring bilden kann. Insbesondere kann der Ringkörper ein offener Ringkörper sein, wie beispielhaft in
Ein Materialpulver gemäß hierin beschriebener Ausführungsformen ist ein Material in Pulverform. Insbesondere enthält oder umfasst das Materialpulver ein Material für den Kolbenring, insbesondere für den Grundkörper des Kolbenrings. Das Materialpulver kann in einer Ausführungsform aus nur einem oder mehreren Materialien bestehen. Insbesondere kann das Materialpulver für den Grundkörper aus nur einem Material bestehen. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann das Materialpulver Metalle und/oder Metalllegierungen, insbesondere sinterbare Metalle, umfassen. In einer Ausführungsform können die Metalle und Metalllegierungen insbesondere Grauguss, hitzebeständiger Stahl, hitzebeständiger Stahl, der bis ungefähr 800°C hitzebeständig ist, und eine Nickellegierung umfassen. Das Materialpulver ist jedoch nicht auf diese Beispiele für Materialien beschränkt und kann weitere oder andere Materialien enthalten oder daraus bestehen. Typischerweise kann das Materialpulver mittels mechanischer Verfahren (wie zum Beispiel Zermahlen oder Zerstäuben), mittels physikalischer Verfahren (wie zum Beispiel Verdampfen, Zerstäuben in einem Lichtbogen) und/oder mittels chemischen Verfahren (wie zum Beispiel Reduktionsverfahren, elektrolytische Verfahren) oder dergleichen hergestellt werden. Typischerweise weist das Materialpulver in Ausführungsformen der Erfindung eine Partikelgröße von weniger als 20 µm auf. Dabei kann die Partikelgröße verstanden werden als der äquivalente Durchmesser eines Partikels (geometrisch oder physikalisch) des Materialpulvers. A material powder according to embodiments described herein is a material in powder form. In particular, the material powder contains or comprises a material for the piston ring, in particular for the base body of the piston ring. The material powder may in one embodiment consist of only one or more materials. In particular, the material powder for the main body can consist of only one material. According to one embodiment of the invention, the material powder may comprise metals and / or metal alloys, in particular sinterable metals. In one embodiment, the metals and metal alloys may include, in particular, gray cast iron, heat resistant steel, heat resistant steel that is heat resistant up to about 800 ° C, and nickel alloy. However, the material powder is not limited to these examples of materials and may contain or consist of other or other materials. Typically, the material powder can be prepared by mechanical methods (such as grinding or sputtering), by physical methods (such as evaporation, sputtering in an arc), and / or by chemical methods (such as reduction methods, electrolytic methods), or the like. Typically, in embodiments of the invention, the material powder has a particle size of less than 20 microns. In this case, the particle size can be understood as the equivalent diameter of a particle (geometric or physical) of the material powder.
Gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung weist der Grundkörper Poren auf, insbesondere Poren, die auf das Herstellungsverfahren mittels Materialpulver zurückzuführen sind und die aufgrund des Herstellungsverfahrens entstehen. In einer Ausführungsform können die Poren dabei regelmäßig in dem Grundkörper verteilt sein. Auch die Regelmäßigkeit der Poren in dem Grundkörper des Kolbenringes kann auf das Herstellungsverfahren mittels Materialpulver und Verfestigen des Materialpulvers zurückgeführt werden. Regelmäßig verteilte Poren, wie sie hierin beschrieben werden, können zum Beispiel in einem definierten Abstandsbereich auftreten. Typischerweise können regelmäßig verteilte Poren in dem Grundkörper auch verstanden werden als eine Verteilung der Poren in dem Grundkörper, die über das gesamte Volumen des Grundkörpers im Wesentlichen gleich oder konstant ist. Das heißt zum Beispiel, dass es in dem Grundkörper keine Bereiche gibt, die keine Poren aufweisen und andere Bereiche mit überdurchschnittlich vielen Poren. Vielmehr ist das ganze Volumen des Grundkörpers mit Poren durchsetzt. Typischerweise ist eine regelmäßige Porenverteilung eine Porenverteilung, wie sie durch das Formen und gleichmäßige Verfestigen des aus Materialpulver geformten Grundkörpers entsteht, insbesondere durch Sinterprozesse entsteht. According to embodiments of the invention described herein, the main body has pores, in particular pores, which are due to the production process by means of material powder and which arise due to the manufacturing process. In one embodiment, the pores can be regularly distributed in the base body. The regularity of the pores in the main body of the piston ring can be attributed to the manufacturing process by means of material powder and solidification of the material powder. For example, regularly distributed pores, as described herein, may occur within a defined range of distances. Typically, regularly distributed pores in the main body can also be understood as a distribution of the pores in the main body, which is essentially the same or constant over the entire volume of the main body. This means, for example, that there are no areas in the main body that have no pores and other areas with an above-average number of pores. Rather, the entire volume of the body is interspersed with pores. Typically, a regular pore distribution is a pore distribution, as it results from the molding and uniform solidification of the formed from powdered body, in particular by sintering processes.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Grundkörper, der aus dem Materialpulver geformt wurde und anschließend verfestigt wurde, auch als porös bezeichnet werden. In one embodiment of the present invention, the main body formed from the material powder and subsequently solidified may also be referred to as porous.
Typischerweise weisen die Poren in dem Grundkörper eine Porengröße auf, die sich in einem bestimmten, definierten Bereich bewegt. Zum Beispiel können die Poren in dem Grundkörper eine Größe von typischerweise ungefähr 0,5 µm bis ungefähr 50 µm, noch typischerweise von ungefähr 1 µm bis ungefähr 40 µm, und noch typischerweise von ungefähr 1 µm bis ungefähr 30 µm aufweisen. Typischerweise ist die mittlere Abweichung der Porengröße bei einer regelmäßigen Verteilung der Poren weniger als 20% der Porengröße. Gemäß Ausführungsformen der Erfindung kann die Größe der Poren als der äquivalente Durchmesser (geometrisch oder physikalisch) einer Pore beschrieben werden. Typically, the pores in the body have a pore size that moves within a certain, defined range. For example, the pores in the body may have a size of typically from about 0.5 μm to about 50 μm, more typically from about 1 μm to about 40 μm, and more typically from about 1 μm to about 30 μm. Typically, the average pore size variation with a regular pore distribution is less than 20% of the pore size. According to embodiments of the invention, the size of the pores may be described as the equivalent diameter (geometric or physical) of a pore.
In einer Ausführungsform, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, kann die durch das Herstellungsverfahren erzeugte Struktur auch von außen, bzw. an der Oberfläche des Grundkörpers sichtbar und/oder erkennbar sein. Zum Beispiel können die Poren an der Oberfläche des Grundkörpers mithilfe z. B. eines Mikroskop erkennbar sein. Die typische Rautiefe Ra an der Oberfläche des Grundkörpers kann zum Beispiel < 3.2 sein.In an embodiment which can be combined with other embodiments, the structure produced by the production method can also be visible and / or recognizable from the outside or at the surface of the base body. For example, the pores on the surface of the body can be z. B. be recognized by a microscope. The typical surface roughness Ra on the surface of the main body can be, for example, <3.2.
Gemäß einigen Ausführungsformen, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden können, weist der Grundkörper eine Dichte auf, die geringer ist als die Dichte von Stahl. In einem Beispiel kann der Grundkörper eine Dichte von typischerweise ungefähr 7000 kg/m3 bis ungefähr 8500 kg/m3, noch typischerweise von ungefähr 7000 kg/m3 bis ungefähr 8300 kg/m3 und noch typischerweise von ungefähr 7200 kg/m3 bis ungefähr 8300 kg/m3 aufweisen.According to some embodiments that may be combined with other embodiments, the body has a density that is less than the density of steel. In one example, the body may still have a density of typically about 7000 kg / m 3 to about 8500 kg / m 3 typically from about 7000 kg / m 3 to about 8300 kg / m 3, and more typically from about 7200 kg / m 3 to about 8300 kg / m 3 .
Der Begriff „im Wesentlichen“ wie er hierin verwendet wird, kann bedeuten, dass eine gewisse Abweichung der damit beschriebenen Eigenschaft zulässig und inkludiert ist. Zum Beispiel kann die Bezeichnung „im Wesentlichen kreisrund“ eine Abweichung von der exakt kreisrunden Form von ungefähr 10% der Abmessungen des Kreises beinhalten. In einem anderen Beispiel umfasst der Begriff „im Wesentlichen in der Form eines Grundkörpers“ eine Abweichung von der exakten Form von bis zu 15%. The term "substantially" as used herein may mean that some deviation of the property described thereby is allowable and included. For example, the term "substantially circular" may include a deviation from the exact circular shape of about 10% of the dimensions of the circle. In another example, the term "substantially in the form of a body" includes a deviation from the exact shape of up to 15%.
In einer Ausführungsform, die mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, kann die Toleranz der Maulweite
In einem Beispiel weist der Kolbenring nach Ausführungsformen der Erfindung einen Durchmesser von ungefähr 3 cm bis ungefähr 6 cm auf. Gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, kann das erfindungsgemäße Verfahren ein Verfahren zum Herstellen eines Kolbenrings für einen Turbolader für einen Motor mit einer Leistung von etwa 300 kW bis etwa 80 MW sein. Insbesondere kann der Kolbenring für einen Turbolader für einen Motor mit einer Leistung von etwa 300 kW bis etwa 80 MW ausgelegt sein, insbesondere für die Wärmeentwicklung für einen Turbolader in einem Motor. Zum Beispiel kann der Kolbenring durch die Abmessungen, wie die Größe, Dicke, oder auch die Materialwahl, der weiteren Bearbeitung (wie zum Beispiel eine Beschichtung) und dergleichen an die Verwendung in einem Turbolader bei der entsprechenden Motorleistung angepasst sein.In one example, the piston ring according to embodiments of the invention has a diameter of about 3 cm to about 6 cm. According to an embodiment that may be combined with other embodiments, the method of the present invention may be a method of manufacturing a piston ring for a turbocharger for an engine having a power of about 300 kW to about 80 MW. In particular, the piston ring may be configured for a turbocharger for an engine having a power of about 300 kW to about 80 MW, in particular for the heat development for a turbocharger in an engine. For example, the dimensions of the piston ring, such as size, thickness, or choice of material, further processing (such as a coating), and the like, may be adapted for use in a turbocharger at the appropriate engine output.
In Block
Gemäß hierin beschriebener Ausführungsformen kann das Formen des Grundkörpers das Bereitstellen des Materialpulvers in der Form eines Grundkörpers umfassen (oder im Wesentlichen in der Form eines Grundkörpers). Dennoch kann die Größe des in Form gebrachten Materialpulvers noch von der Größe des gewünschten Endprodukts (des Grundkörpers für den Kolbenring) abweichen. Zum Beispiel kann das in Form bringen zwar die im Wesentlichen gleichen Proportionen des Grundkörpers umfassen, jedoch eine abweichende Größe umfassen. Dies kann zum Beispiel vorkommen, wenn das Pulver in eine Formvorrichtung eingebracht wird, ohne bereits verfestigt zu sein. According to embodiments described herein, forming the main body may include providing the material powder in the form of a main body (or substantially in the form of a main body). Nevertheless, the size of the molded powder material can still differ from the size of the desired end product (the body of the piston ring). For example, while this may take the form of substantially equal proportions of the body, it may include a different size. This may occur, for example, when the powder is introduced into a molding apparatus without already being solidified.
In einer Ausführungsform, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, kann das Materialpulver mit einem Trägermaterial oder Bindemittel gemischt werden. Insbesondere kann sich das Materialpulver dabei in einer Flüssigkeit befinden. Gemäß hierin beschriebener Ausführungsformen kann die Flüssigkeit zu einem späteren Zeitpunkt von dem Materialpulver getrennt werden (zum Beispiel durch Erhitzen oder durch einen chemischen Prozess).In an embodiment that may be combined with other embodiments, the material powder may be mixed with a carrier material or binder. In particular, the material powder may be in a liquid. According to embodiments described herein, the liquid may be separated from the material powder at a later time (for example, by heating or by a chemical process).
In Block
In
Typischerweise kann das Verfahren zumindest eines aus der folgenden Gruppe umfassen: Erhitzen des Materialpulvers, Anwenden von Druck über dem Atmosphärendruck auf das Materialpulver, Härten des Materialpulvers, und Härten des Materialpulvers durch einen chemischen Prozess.Typically, the process may include at least one of the following group: heating the material powder, applying pressure above atmospheric pressure to the material powder, curing the material powder, and curing the material powder by a chemical process.
In einer Ausführungsform der Erfindung, die mit anderen Ausführungsformen der Erfindung kombiniert werden kann, kann das Formen und/oder Verfestigen des Grundkörpers das Spritzen des Materialpulvers, das Mischen des Materialpulvers mit einer Flüssigkeit, das Sintern, MIM (metal injection molding), und/oder ein generatives Fertigungsverfahren (additive manufacturing) umfassen. Insbesondere durch diese Verfahren können die oben genannten Toleranzen bei der Maulweite und der Planlaufabweichung realisiert werden. Zum Beispiel kann durch MIM die Einhaltung der Dimensionen des Kolbenrings, wie Maulweite und Planlaufabweichung, erfolgreich verbessert werden. In one embodiment of the invention, which may be combined with other embodiments of the invention, molding and / or solidifying the body may include spraying the material powder, mixing the material powder with a liquid, sintering, MIM (metal injection molding), and / or a generative manufacturing process (additive manufacturing). In particular, by these methods, the above-mentioned tolerances in the jaw width and the axial deviation can be realized. For example, compliance with the dimensions of the piston ring, such as throat width and runout, can be successfully improved by MIM.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann außerdem das Beschichten des Grundkörpers mit einer Einlaufschicht oder Einschleifschicht für den Kolbenring umfassen. Typischerweise dient die Einlaufschicht oder Einschleifschicht dazu, den Kolbenring zu Beginn des Betriebes im Turbolader auf die geometrischen Gegebenheiten in dem Turbolader, wie sie beispielhaft in den
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann der Grundkörper des Kolbenringes nach dem Verfestigen weitere Prozessschritte durchlaufen, wie zum Beispiel verarbeitende oder bearbeitende Prozessschritte, wie das oben genannten Beschichten, aber auch Schleifen oder Verbinden mit anderen Komponenten eines Kolbenringes (zum Beispiel eines zweiten Ringkörpers, wie unten detailliert erläutert werden wird). According to embodiments of the present invention, the body of the piston ring may undergo further process steps after solidification, such as processing or processing steps such as the above coating, but also grinding or bonding to other components of a piston ring (eg, a second ring body, as below) will be explained in detail).
Typischerweise wird der Kolbenring, der nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist, in einem Turbolader (wie beispielhaft in den
Im Folgenden werden weitere Ausführungsformen bezüglich der Herstellung des Kolbenringes beschrieben. Insbesondere betreffen die folgenden Ausführungsformen das Herstellen eines Kolbenrings aus zwei Ringkörpern, von denen mindestens einer ein Kolbenring oder ein Grundkörper gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen sein kann. In the following, further embodiments relating to the production of the piston ring will be described. In particular, the following embodiments relate to producing a piston ring from two annular bodies, at least one of which may be a piston ring or a base body according to the embodiments described above.
Gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, wird ein Kolbenring zum Abdichten von mindestens einem Bauteil eines Turboladers bereitgestellt. Der Kolbenring umfasst einen ersten Ringkörper, der ein Grundkörper des Kolbenrings ist. Insbesondere ist der erste Ringkörper ein Grundkörper, der nach oben beschriebenen Ausführungsformen hergestellt worden ist. Der erste Ringkörper ist geformt und ausgelegt, in eingebautem Zustand in einem Turbolader eine Vorspannung aufzuweisen. Der Kolbenring umfasst weiterhin einen zweiten Ringkörper. Auch der zweite Ringkörper kann in einer Ausführungsform nach den oben beschriebenen Ausführungsformen hergestellt worden sein. Der zweite Ringkörper ist ebenfalls geformt und ausgelegt, in eingebautem Zustand in einem Turbolader eine Vorspannung aufzuweisen. Der erste Ringkörper und der zweite Ringkörper sind stoffschlüssig miteinander verbunden. According to an embodiment that may be combined with other embodiments described herein, a piston ring is provided for sealing at least one component of a turbocharger. The piston ring comprises a first annular body, which is a base body of the piston ring. In particular, the first ring body is a base body which has been manufactured according to embodiments described above. The first ring body is shaped and configured to have a bias in a turbocharger when installed. The piston ring further comprises a second annular body. Also, the second ring body may be made in one embodiment according to the embodiments described above. The second annulus is also shaped and configured to have a bias in a turbocharger when installed. The first annular body and the second annular body are materially connected to each other.
In einer Ausführungsform, die mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, sind der erste Ringkörper und der zweite Ringkörper zwei separate Körper, die stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Insbesondere umfasst der erste Ringkörper ein erstes Ringkörpermaterial und der zweite Ringkörper ein zweites Ringkörpermaterial. Typischerweise ist der zweite Ringkörper durch die Hitzebeständigkeit des zweiten Ringkörpermaterials ausgebildet, in der stoffschlüssigen Verbindung mit dem ersten Ringkörper die Vorspannung des ersten Ringkörpers während des Betriebes des Kolbenringes aufrecht zu erhalten. Gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, kann der zweite Ringkörper ein zweites Ringkörpermaterial umfassen, das ein bis ungefähr 800°C hitzebeständiges Material ist, und/oder der erste Ringkörper kann eine geringere Härte aufweisen als der zweite Ringkörper. Insbesondere kann der zweite Ringkörper aus hitzebeständigem Stahl hergestellt sein und/oder der erste Ringkörper kann ein Graugussring sein.In an embodiment that may be combined with other embodiments described herein, the first ring body and the second ring body are two separate bodies that are materially bonded together. In particular, the first ring body comprises a first ring body material and the second ring body comprises a second ring body material. Typically, the second ring body is formed by the heat resistance of the second ring body material, to maintain the pre-stress of the first ring body during the operation of the piston ring in the material-locking connection with the first ring body. According to an embodiment that may be combined with other embodiments described herein, the second ring body may comprise a second ring body material that is a heat resistant material to about 800 ° C, and / or the first ring body may have a lower hardness than the second ring body. In particular, the second annular body may be made of heat-resistant steel and / or the first annular body may be a gray cast iron ring.
Gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, weist der zweite Ringkörper eine Abmessung in axialer Richtung des Kolbenrings auf, die genauso groß oder kleiner ist als die Abmessung des ersten Ringkörpers in axialer Richtung des Kolbenrings. Zum Beispiel kann dabei der zweite Ringkörper eine Abmessung in axialer Richtung (und/oder radialer Richtung) aufweisen, die mindestens 20% der Abmessung des ersten Ringkörpers in axialer Richtung (und/oder radialer Richtung) beträgt, typischerweise zwischen 20% und 100%, noch typischerweise zwischen 30% und 100% und noch typischerweise zwischen 50% und 100% der Abmessung des ersten Ringkörpers in axialer Richtung (und/oder radialer Richtung) beträgt. In einer Ausführungsform, die mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, weist der Kolbenring keine Einlaufschicht oder Einschleifschicht auf. Insbesondere weist der Kolbenring keine Einlaufschicht oder Einschleifschicht auf, die ein Material umfasst, das weicher ist, als das erste Ringkörpermaterial des ersten Ringkörpers und/oder das zweite Ringkörpermaterial des zweiten Ringkörpers.According to an embodiment that can be combined with other embodiments described herein, the second ring body has a dimension in the axial direction of the piston ring which is equal to or smaller than the dimension of the first ring body in the axial direction of the piston ring. For example, the second annular body may have a dimension in the axial direction (and / or radial direction) that is at least 20% of the dimension of the first annular body in the axial direction (and / or radial direction), typically between 20% and 100%, typically between 30% and 100%, and more typically between 50% and 100% of the dimension of the first ring body in the axial direction (and / or radial direction). In one embodiment, which may be combined with other embodiments described herein, the piston ring does not have an inlet layer or ingression layer. In particular, the piston ring has no inlet layer or grinding layer comprising a material which is softer than the first ring body material of the first ring body and / or the second ring body material of the second ring body.
Gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, wird ein Turbolader mit einem Kolbenring nach einem der hierin beschriebenen Ausführungsformen bereitgestellt. Insbesondere weist der Turbolader weiterhin auf: ein Verdichterrad, eine drehbar gelagerte Welle, ein Turbinenrad und ein statisches Gehäuseteil, wobei der Kolbenring zwischen dem mit der drehbar gelagerten Welle verbundenen Verdichterrad und dem statischen Gehäuseteil oder zwischen dem mit der drehbar gelagerten Welle verbundenen Turbinenrad und dem statischen Gehäuseteil angeordnet ist. In einer Ausführungsform, die mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, ist der Außendurchmesser des Kolbenrings größer als der Innendurchmesser des statischen Gehäuseteils an einer Position, an der der Kolbenring angeordnet ist, wobei der erste Ringkörper und der zweite Ringkörper des Kolbenrings im Turbolader durch die Abmessungen mit Vorspannung belegt sind. According to an embodiment that may be combined with other embodiments described herein, a turbocharger with a piston ring is provided according to one of the embodiments described herein. In particular, the turbocharger further comprises: a compressor wheel, a rotatably mounted shaft, a turbine wheel and a static housing part, wherein the piston ring between the connected to the rotatably mounted shaft compressor wheel and the static housing part or between the connected to the rotatably mounted shaft turbine wheel and the static housing part is arranged. In one embodiment, which may be combined with other embodiments described herein, the outer diameter of the piston ring is greater than the inner diameter of the static housing part at a position where the piston ring is disposed, wherein the first ring body and the second ring body of the piston ring in the turbocharger through the dimensions are biased.
In einer Ausführungsform, die mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, wird ein weiteres Verfahren zum Herstellen eines Kolbenrings zum Abdichten von mindestens einem Bauteil eines Turboladers bereit gestellt. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines ersten Ringkörpers aus einem ersten Ringkörpermaterial, wobei der erste Ringkörper ein Grundkörper des Kolbenrings ist. Gemäß Ausführungsformen, ist der erste Ringkörper ein Grundkörper, der mit einem Verfahren nach einem der oben beschriebenen Ausführungsformen hergestellt wurde. Typischerweise ist der erste Ringkörper geformt und ausgelegt, in eingebautem Zustand in einem Turbolader eine Vorspannung aufzuweisen. Das weitere Verfahren umfasst außerdem das stoffschlüssige Verbinden des ersten Ringkörpers mit einem zweiten Ringkörpermaterial, das ein hitzebeständiges Material umfasst, das bis ungefähr 800°C hitzebeständig ist. Gemäß hierin beschriebener Ausführungsformen umfasst das stoffschlüssige Verbinden das Aufbringen des hitzebeständigen Materials auf den ersten Ringkörper, um einen zweiten Ringkörper zu bilden; oder das stoffschlüssige Verbinden umfasst das Bereitstellen eines zweiten Ringkörpers aus dem zweiten Ringkörpermaterial, wobei der zweite Ringkörper geformt und ausgelegt ist, in eingebautem Zustand in einem Turbolader eine Vorspannung aufzuweisen. In einem Beispiel kann auch der zweite Ringkörper mit einem Verfahren nach einem der oben beschriebenen Ausführungsformen hergestellt worden sein. Gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, kann das stoffschlüssige Verbinden Schweißen, Löten, SLM (selektives Laserschmelzen) und/oder LMD (Laser Metal Deposition) umfassen. In einer Ausführungsform, die mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, kann das stoffschlüssige Verbinden des ersten Ringkörpers mit dem zweiten Ringkörpermaterial das Aufrechterhalten der Vorspannung des ersten Ringkörpers während des Betriebes des Kolbenringes ermöglichen, insbesondere durch die Hitzebeständigkeit des zweiten Ringkörpermaterials. In einer Ausführungsform, die mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, kann das erste Ringkörpermaterial eine geringere Härte aufweisen, als das zweite Ringkörpermaterial. Gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, kann das zweite Ringkörpermaterial eine Abmessung in axialer Richtung des Kolbenrings aufweisen, die ungefähr genauso groß ist wie die Abmessung des ersten Ringkörpers in axialer Richtung des Kolbenrings.In an embodiment that may be combined with other embodiments described herein, another method of making a piston ring for sealing at least one component of a turbocharger is provided. The method comprises providing a first ring body of a first ring body material, wherein the first ring body is a base body of the piston ring. According to embodiments, the first annular body is a base body, which was produced by a method according to one of the embodiments described above. Typically, the first annular body is shaped and configured to have a bias voltage when installed in a turbocharger. The further method further includes bonding the first ring body to a second ring body material comprising a refractory material that is heat resistant to about 800 ° C. According to embodiments described herein, the cohesive bonding comprises applying the refractory material to the first ring body to form a second ring body; or integrally bonding comprises providing a second ring body of the second ring body material, the second ring body being shaped and configured to have a bias in a turbocharger when installed. In an example, the second ring body may also have been produced by a method according to one of the embodiments described above. According to an embodiment which may be combined with other embodiments described herein, the integral connection may include welding, soldering, SLM (selective laser melting) and / or LMD (Laser Metal Deposition). In an embodiment that may be combined with other embodiments described herein, bonding the first ring body to the second ring body material may enable the bias of the first ring body to be maintained during operation of the piston ring, particularly through the heat resistance of the second ring body material. In an embodiment that may be combined with other embodiments described herein, the first ring body material may have a lower hardness than the second ring body material. According to an embodiment that may be combined with other embodiments described herein, the second ring body material may have a dimension in the axial direction of the piston ring which is approximately the same size as the dimension of the first ring body in the axial direction of the piston ring.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Ansprüchen sowie in den Zeichnungen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in jeder beliebigen Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen verwendet werden.The features of the invention disclosed in the foregoing description, in the claims and in the drawings may be used both individually and in any combination for the realization of the invention in its various embodiments.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Verdichterrad compressor
- 22
- Turbinenrad turbine
- 2121
- Kontaktoberfläche contact surface
- 2222
- Nut groove
- 33
- Welle wave
- 4 4
- Gehäuseteilhousing part
- 4242
- Stelle am Gehäuseteil Place on the housing part
- 55
- Kolbenring piston ring
- 5151
- Grundkörper des Kolbenrings Basic body of the piston ring
- 5353
- Maulweite mouth width
- 5858
- Planlaufabweichung Runout
- 5555
- axiale Richtung axial direction
- 5656
- radiale Richtung radial direction
- 60, 7060, 70
- Verfahren (Flussdiagramm) Procedure (flowchart)
- 61–64, 71–7361-64, 71-73
- Block des Flussdiagramms Block of flowchart
Claims (15)
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-
2016
- 2016-07-18 DE DE102016113170.9A patent/DE102016113170A1/en not_active Withdrawn
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