DE102016221840A1 - Außenring für einen Turbolader - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Außenring (1) für einen Turbolader, wobei der Außenring (1) durch Lasersintern eines Pulvermaterials ausgebildet ist, wobei der Außenring (1) zumindest drei unterschiedliche Dichten aufweist, wobei der Außenring (1) aus einem ersten Teilbereich (2) mit einer ersten Dichte und einem zweiten Teilbereich (3) ausgebildet ist, wobei der zweite Teilbereich (3) aus einem äußeren Mantelbereich (4) mit einer zweiten Dichte und einem inneren Mantelbereich (5) mit einer dritten Dichte ausgebildet ist, wobei auf der Umfangsfläche des inneren Mantelbereichs (5) wenigstens eine Abrollfläche (6) für Wälzkörper (7) ausgebildet ist, und wobei am Außenring (1) Aussparungen (8, 9, 10) zur Gewichtsreduktion ausgebildet sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Außenring für einen Turbolader. Mithin liegt die Erfindung auf dem Gebiet von Hochleistungs-Wälzlager, insbesondere zur Lagerung von mit hoher Drehzahl umlaufenden Wellen, wie sie beispielsweise in Turboladern, aber auch bei Triebwerken oder in hochdrehenden Turbinen, beispielsweise Gasturbinen, zur Lagerung dortiger Wellen Anwendung finden. Außenringe derartiger Wälzlager werden in der Regel drehtechnisch hergestellt.
  • Aus der DE 197 345 63 C1 geht ein Verfahren zur Herstellung von Wälzlagerringen aus Stahl hervor, ausgehend von einem warmgewalzten Rohr, dessen Gefüge dem auf kugeligen Zementit geglühten (GKZ) Gefüge ähnlich ist. Von dem warmgewalzten Rohr werden kontinuierlich gleich breite Ringe unter Zufuhr eines Schmiermittels warm abgetrennt und nach einer Abkühlung weiterverarbeitet. Das Warmabtrennen erfolgt bei einer Temperatur unterhalb der Umwandlungstemperatur des eingesetzten Wälzlagerstahles aber oberhalb von 720°C mit einer daran anschließenden Abkühlung an Luft. Aus dem Rohrring wird mittels einer optimiert zeitgetakteten mehrstufigen zerspanenden Kaltweiterverarbeitung ein Grün- oder Weichring eines Wälzlagerringes mit engen Toleranzen seiner Formelemente hergestellt, wobei der Hauptanteil der Kaltweiterverarbeitung Drehen ist.
  • Ferner beschreibt die DE 100 391 44 C1 ein Verfahren zur Herstellung präziser Bauteile durch Lasersintern eines Pulvermaterials. Das Pulvermaterial besteht aus einer Mischung von mindestens zwei Pulverelementen, wobei die Pulvermischung durch den Hauptbestandteil Eisenpulver und weitere Pulverlegierungselemente gebildet ist, die in elementarer, vorlegierter oder teilweise vorlegierter Form vorliegen, wobei im Verlaufe des Lasersinterprozesses aus diesen Pulverelementen eine Pulverlegierung entsteht.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Herstellung eines Außenrings weiterzuentwickeln und insbesondere das Gewicht des Außenrings zu senken.
  • Der erfindungsgemäße Außenring für einen Turbolader ist durch Lasersintern eines Pulvermaterials ausgebildet, wobei der Außenring zumindest drei unterschiedliche Dichten aufweist, wobei der Außenring aus einem ersten Teilbereich mit einer ersten Dichte und einem zweiten Teilbereich ausgebildet ist, wobei der zweite Teilbereich aus einem äußeren Mantelbereich mit einer zweiten Dichte und einem inneren Mantelbereich mit einer dritten Dichte ausgebildet ist, wobei auf der Umfangsfläche des inneren Mantelbereichs wenigstens eine Abrollfläche für Wälzkörper ausgebildet ist, und wobei am Außenring Aussparungen zur Gewichtsreduktion ausgebildet sind.
  • Das Pulvermaterial liegt zur Fertigung mittels Lasersintern in der gewünschten Legierungszusammensetzung vor, wobei die Pulvereigenschaften auf die Anforderungen des fertigen Bauteils und/oder das Verfahren entsprechend eingestellt werden. Es ist wesentlich, dass ein gutes Fließverhalten bei gleichzeitig hoher Schüttdichte erreicht wird. Die Rolle der Zusatzstoffe besteht in der Einstellung bestimmter mechanischer, physikalischer und chemischer Eigenschaften des fertigen Bauteils. Als besonders geeigneter Werkstoff für Wälzlageranwendungen hat sich der Werkstoff M50 NiL erwiesen. M50 NiL ist eine kohlenstoffarme Variante des bereits bekannten Kugellagerwerkstoffs M50, mit der chemischen Zusammensetzung: Fe-Basis, 0.11-0.15% C, 4.1% Cr, 3.4% Ni, 4.2% Mo und 1.2% V. Im Vergleich zum Werkstoff M50 weist der Werkstoff M50 NiL eine höhere Bruchzähigkeit und Verschleißfestigkeit auf.
  • Die Lasersinteranlage besteht im Wesentlichen aus einem Laser, einer Scan-Einheit, einer Pulverauftrage-Einheit, einer Pulverkammer sowie einer Hebevorrichtung. Der Laser hat im Wesentlichen die Aufgabe die Pulverpartikel des Pulvermaterials durch einen gepulsten Laserstrahl zu erhitzen und partiell aufzuschmelzen. Die Pulverpartikel verbinden sich dadurch an ihrer Oberfläche miteinander. Die Dichte des Bauteils ist dabei hauptsächlich abhängig von der Spitzenleistung des Lasers. Der Laserstrahl wird mit Hilfe der Scan-Einheit über das in der Pulverkammer befindliche Pulvermaterial gelenkt. Die Bauteilabmessungen liegen als dreidimensionale CAD-Daten vor, deren Koordinaten von der Scan-Einheit angesteuert werden. Nachdem eine Ebene gesintert wurde, trägt die Pulverauftrage-Einheit in der Pulverkammer eine weitere Pulverebene mit Hilfe einer Walze gleichmäßig und vollflächig auf. Die Hebevorrichtung senkt das Pulverbett in diesem Schritt ab, sodass eine neue Ebene gesintert werden kann.
  • Besonders vorteilhaft ist beim Lasersintern die kurze Entstehungszeit eines sofort einsatzfähigen Modells, es sind keine zusätzlichen Formen oder Werkzeuge zur Fertigung erforderlich und mechanische sowie thermische Eigenschaften lassen sich durch die Einstellung der Parameter gezielt einstellen und variieren. Durch die besondere Fertigungsmethode ist es ferner möglich beliebige dreidimensionale Geometrien wie beispielsweise Hinterschneidungen zu erzeugen, die mit herkömmlichen mechanischen oder gießtechnischen Herstellungsverfahren nicht herstellbar sind. Auch Aussparungen in Form von Löchern zur Schmierung des Lagers, die ansonsten durch einen zweiten Schritt nachträglich gebohrt werden müssten, können in den Fertigungsprozess integriert werden.. Durch die weitere Einsparung von zu sinterndem Pulvermaterial kann dadurch zusätzliche Fertigungszeit eingespart werden.
  • Der erste Teilbereich mit einer ersten Dichte ist in einem Bereich vorgesehen, der nur geringe Anforderungen an die Materialeigenschaften hat. Axial wird der zweite Teilbereich vom ersten Teilbereich umschlossen. Vorzugsweise ist der zweite Teilbereich an der axialen Position der jeweiligen Abrollfläche ausgebildet. Der innere Mantelbereich mit der dritten Dichte ist dabei radial innen bzw. auf Wälzkörperseite des Außenrings ausgebildet, wobei der äußere Mantelbereich mit der zweiten Dichte radial außen ausgebildet ist. Der innere und äußere Mantelbereich grenzen unmittelbar radial aneinander und axial an den ersten Teilbereich an.
  • Bevorzugt ist die dritte Dichte höher als die zweite Dichte und die zweite Dichte höher als die erste Dichte. Mit anderen Worten können durch das Einstellen der Parameter in einem Bauteil Bereiche mit unterschiedlichen Dichten erzeugt werden. Die Pulverebenen können eine Dicke von 1 bis 200 µm aufweisen, wodurch ein unmittelbarer Wechsel von mechanischen und thermischen Eigenschaften innerhalb eines Bauteils erzielt werden kann. Aufgrund der hohen mechanischen Belastung durch das Abrollen der Wälzkörper weisen der innere und äußere Mantelbereich aus dem zweiten Teilbereich eine höhere Dichte und dementsprechend bessere mechanische Eigenschaften auf. Der innere Mantelbereich weist die höchste Dichte und somit die besten mechanischen Eigenschaften auf, wobei die Abrolleigenschaften der Wälzkörper auf der Abrollfläche vergleichbar mit herkömmlich, durch Drehen hergestellten Außenringen sind.
  • Mithin beträgt die erste Dichte des ersten Teilbereichs vorzugsweise 3,5 kg*m-3. Die zweite Dichte beträgt bevorzugt 5 kg*m-3 und die dritte Dichte beträgt bevorzugt 7,8 kg*m-3. Die Ausbildung von Bereichen mit geringerer Dichte hat eine Gewichtsreduktion des Außenrings zur Folge, was wiederum bedeutet, dass der Fertigungsprozess aufgrund des Einsparens von Pulvermaterial verkürzt wird. Dadurch kann eine wirtschaftlichere Herstellung bei optimaler Einstellung der Bauteileigenschaften gewährleistet werden. Ferner ist es möglich das Gewicht des Außenrings zu reduzieren, indem gezielt Aussparungen und Nuten am Bauteil ausgebildet werden. Vorzugsweise sind die Aussparungen an den Stirnseiten des Außenrings vorgesehen. Bevorzugt ist es aber auch denkbar, die Aussparungen an der Außenumfangsfläche des Außenrings vorzusehen, insbesondere in Bereichen ohne besondere Anforderungen an die mechanischen Bauteileigenschaften.
  • Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der zwei Figuren näher dargestellt. Hierbei zeigt
    • 1 eine schematische Schnittdarstellung zur Veranschaulichung des Aufbaus eines erfindungsgemäßen Außenrings, und
    • 2 eine schematische Seitenansicht zur Veranschaulichung des Aufbaus des erfindungsgemäßen Außenrings gemäß 1.
  • In 1 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Außenrings 1 für einen - hier nicht dargestellten - Turbolader dargestellt. Der Außenring 1 ist durch Lasersintern eines Pulvermaterials ausgebildet, wobei der Außenring 1 drei unterschiedliche Dichten aufweist. Das Pulvermaterial ist aus dem Werkstoff M50 NiL ausgebildet. Der Außenring 1 ist ferner aus einem ersten Teilbereich 2 mit einer ersten Dichte und einem zweiten Teilbereich 3 ausgebildet, wobei der zweite Teilbereich 3 aus einem äußeren Mantelbereich 4 mit einer zweiten Dichte und einem inneren Mantelbereich 5 mit einer dritten Dichte ausgebildet ist. Die dritte Dichte des inneren Mantelbereichs 5 ist höher als die zweite Dichte des äußeren Mantelbereichs 4 und die zweite Dichte des äußeren Mantelbereichs 4 ist höher als die erste Dichte des ersten Teilbereichs 2. Auf der Innenumfangsfläche des jeweiligen inneren Mantelbereichs 5 ist eine Abrollfläche 6 für Wälzkörper 7 ausgebildet. Der zweite Teilbereich 3 ist dementsprechend an der axialen Position der jeweiligen Abrollfläche 6 ausgebildet. Der Außenring 1 weist an der Außenumfangsfläche des jeweiligen äußeren Mantelbereichs 4 eine umlaufende Nut 10 zur Gewichtsreduktion auf.
  • Nach 2 weist der Außenring 1 an den jeweiligen Stirnflächen zwei Aussparungen 8 auf. Ferner sind auf der Außenumfangsfläche des Außenrings 1 axial verlaufende, über den Umfang verteilte Nuten 9 und die radial umlaufende Nut 10 am jeweiligen äußeren Mantelbereich 4 des zweiten Teilbereichs 3 ausgebildet.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Außenring
    2
    Erster Teilbereich
    3
    Zweiter Teilbereich
    4
    Äußerer Mantelbereich
    5
    Innerer Mantelbereich
    6
    Abrollfläche
    7
    Wälzkörper
    8
    Aussparung
    9
    Axial verlaufende Nut
    10
    Radial umlaufende Nut
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 19734563 C1 [0002]
    • DE 10039144 C1 [0003]

Claims (4)

  1. Außenring (1) für einen Turbolader, wobei der Außenring (1) durch Lasersintern eines Pulvermaterials ausgebildet ist, wobei der Außenring (1) zumindest drei unterschiedliche Dichten aufweist, wobei der Außenring (1) aus einem ersten Teilbereich (2) mit einer ersten Dichte und einem zweiten Teilbereich (3) ausgebildet ist, wobei der zweite Teilbereich (3) aus einem äußeren Mantelbereich (4) mit einer zweiten Dichte und einem inneren Mantelbereich (5) mit einer dritten Dichte ausgebildet ist, wobei auf der Umfangsfläche des inneren Mantelbereichs (5) wenigstens eine Abrollfläche (6) für Wälzkörper (7) ausgebildet ist, und wobei am Außenring (1) Aussparungen (8, 9, 10) zur Gewichtsreduktion ausgebildet sind.
  2. Außenring (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teilbereich (3) an der axialen Position der jeweiligen Abrollfläche (6) ausgebildet ist.
  3. Außenring (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Dichte höher als die zweite Dichte und die zweite Dichte höher als die erste Dichte ist.
  4. Außenring (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulvermaterial aus dem Werkstoff M50 NiL ausgebildet ist.
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