WO2019170193A1 - Turbolader für einen verbrennungsmotor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Turbolader (9) für einen Verbrennungsmotor, umfassend eine Welle (8) sowie ein Wälzlager (1 ) zur Lagerung der Welle (8) mit einem zumindest einen Innenring (2), einem Außenring (3) sowie räumlich zwischen dem zumindest einen Innenring (2) und dem Außenring (3) angeordneten Wälzkörpern (4), wobei der zumindest eine Innenring (2) und/oder der Außenring (3) aus einem Wälzlagerstahl ausgebildet sind, wobei der zumindest eine Innenring (2) und/oder der Außenring (3) zumindest teilweise eine carbonitrierte Randzone (5) aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagers (1 ) für einen solchen Turbolader (9).

Description

Turbolader für einen Verbrennungsmotor

Die Erfindung betrifft einen Turbolader für einen Verbrennungsmotor beziehungsweise einen Turbo-Compound-Motor. Der Turbolader umfasst zumindest eine Welle sowie ein Wälzlager zur Lagerung der Welle mit einem Innenring, einem Außenring sowie räumlich zwischen dem Innenring und dem Außenring angeordneten Wälzkörpern, wobei der Innenring und/oder der Außenring aus einem Wälzlagerstahl ausgebildet ist beziehungsweise sind. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung ei- nes Wälzlagers für einen solchen Turbolader.

Allgemein bekannt sind Verbrennungsmotoren auch genannt Turbo-Compound- Motoren, bei denen der Energiegehalt von Abgasen durch eine nachgeschaltete Nutz- turbine verwertet wird, um die Abgase aus der Verbrennung weiter zu entspannen.

Die durch die Nutzturbine rückgewonnene Energie wird anschließend über ein me chanisches oder hydraulisches Getriebe auf die Kurbelwelle übertragen, sodass der Wirkungsgrad und die Leistung des Turbo-Compound-Motors optimiert werden. Die Abgase des Turbo-Compound-Motors haben beim Öffnen der Auslassventile einen höheren Druck als die Umgebungsluft, wobei zumindest ein Teil dieses Druckgefälles zum Antrieb des Turboladers genutzt wird, um die Luft im Ansaugtrakt des Turbo- Compound-Motors zu komprimieren.

Aus der DE 43 27 815 A1 ist ein Kugellager für einen Turbolader mit einem Gehäuse und einer Rotationswelle zum Verbinden eines Kompressorrads mit einem Turbinen- rad bekannt. Das Kugellager ist in Radialrichtung zwischen dem Gehäuse und der Ro- tationswelle angeordnet und in Axialrichtung zwischen dem Kompressorrad und dem Turbinenrad angeordnet. Das Kugellager weist einen von dem Gehäuse getragenen äußeren Lagerring auf, welcher seinerseits mit einer Innenumfangsfläche versehen ist, in welcher eine äußere Wälzbahn ausgebildet ist, wobei das Kugellager ferner ei- nen Innenring aufweist, welcher auf die Rotationswelle in einem Mittelteil, bezogen auf deren axiale Erstreckung gepasst ist. Der innere Lagerring weist eine Außenumfangs- fläche auf, in welcher eine innere Wälzbahn ausgebildet ist, wobei der innere Lager- ring aus einem wärmebeständigen Metall hergestellt ist. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Turbolader weiterzuent- wickeln, und insbesondere die Wälzlagerung von Wellen des Turboladers resistenter und langlebiger zu gestalten. Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der Pa- tentansprüche 1 und 9. Bevorzugte Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprü- chen, der Beschreibung und den Figuren zu entnehmen.

Ein erfindungsgemäßer Turbolader für ein Kraftfahrzeug umfasst eine Welle sowie ein Wälzlager zur Lagerung der Welle mit zumindest einem Innenring, einem Außenring sowie räumlich zwischen dem zumindest einen Innenring und dem Außenring ange- ordneten Wälzkörpern, wobei der zumindest eine Innenring und/oder der Außenring aus einem Wälzlagerstahl ausgebildet sind, wobei der zumindest eine Innenring und/oder der Außenring zumindest teilweise eine carbonitrierte Randzone aufweist. Das Wälzlager ist zur Lagerung der Welle bevorzugt als zweireihiges Schrägkugella- ger ausgebildet, wobei auch alternative Wälzlagerformen, wie Zylinderrollenlager vor- gesehen sein können. Ferner können ein oder mehrere Wälzlager des Turboladers carbonitrierte Bauteile aufweisen, wobei die Wälzlager wiederum einen oder mehrere carbonitrierte Innenringe und/oder einen einteilig oder mehrteilig ausgebildeten Au- ßenring umfassen, wobei vorzugsweise lediglich ein Teil des mehrteiligen Außenrings carbonitriert ist.

Gemäß der erfindungsgemäßen Lösung kann nur der Außenring eine carbonitrierte Randzone aufweisen. Es kann aber auch lediglich der Innenring eine carbonitrierte Randzone aufweisen. Ferner alternativ können der Innenring und der Außenring eine jeweilige carbonitrierte Randzone aufweisen. Weist das Wälzlager zwei oder mehrere Innenringe und/oder zwei oder mehrere Außenringe auf, können alle Innenringe und alle Außenringe carbonitriert sein. Es ist aber auch denkbar, dass lediglich einer der Innenringe und/oder lediglich einer der Außenringe eine carbonitrierte Randzone auf- weisen. Die Wahl der zu carbonitrierenden Bauteile ist im Wesentlichen abhängig von den mechanischen und thermischen Anforderungen, die an den Turbolader und ins- besondere an das Wälzlager gestellt werden.

Der zumindest eine Innenring und/oder der Außenring werden zumindest teilweise ei- ner Carbonitrierung, das heißt einer kombinierten Aufkohlung und Aufstickung unter- zogen. Unter der Carbonitrierung ist ein Härteverfahren zu verstehen, bei dem die Randzone des Innenrings und/oder des Außenrings thermochemisch behandelt wird. Dabei wird die zu behandelnde Randzone unter hohen Temperaturen mit Kohlenstoff und Stickstoff angereichert, sodass Kohlenstoff- und Stickstoffatome in die Randzone diffundieren. Der Stickstoff liegt während der Carbonitrierung in Verbindung mit Was- serstoff vorzugsweise als Ammoniak vor und dient insbesondere als Legierungsele- ment in der Randzone des Innenrings und/oder des Außenrings. Der Kohlenstoff bil- det insbesondere Karbide in der Randzone. Nach der Carbonitrierung weist die Rand- zone im Bereich der Bauteiloberfläche einen Kohlenstoffgehalt von 0,8 bis 1 ,5 Gew.-% und einen Stickstoffgehalt von 0,05 bis 0,5 Gew.-% auf.

In Abhängigkeit der gewählten Carbonitrierungs-Parameter, wie Prozessdauer (Diffu- sionsdauer) und -temperatur, wird die Randzone insbesondere dazu ausgebildet, me chanische sowie thermische Eigenschaften des Wälzlagers zu verbessern. Die Car- bonitrierung dient vorteilhafterweise dazu, der Randzone des Innenrings und/oder des Außenrings eine vergleichsweise hohe Härte zu verleihen. Die mechanischen Eigen- schaften, die durch die Carbonitrierung maßgeblich verbessert werden, sind bei- spielsweise die Überrollfestigkeit des Wälzlagers, insbesondere der Oberfläche der carbonitrierten Randzone sowie die Widerstandsfähigkeit gegenüber abrasivem und adhäsivem Verschleiß. Die Überrollfestigkeit beschreibt die Resistenz des carboni- trierten Innenrings und/oder Außenrings gegenüber Schäden durch überrollte Partikel. Die Randzone weist somit eine vergleichsweise hohe Verschleißfestigkeit auf. Ferner weisen die wärmebehandelten carbonitrierten Bauteile des Wälzlagers eine ver- gleichsweise hohe Warmfestigkeit auf. Mit anderen Worten weist der Innenring und/oder der Außenring eine vergleichsweise hohe thermische Stabilität auf, ist resis- tent gegenüber Verschmutzung und zeichnet sich daher durch seine erhöhte Dauer- festigkeit aus.

Die Welle des Turboladers ist vorzugsweise dazu ausgebildet, in einem Drehzahlbe- reich von 10,000 bis 300.000 Umdrehungen pro Minute zu rotieren. Bevorzugt ist die Welle des Turboladers dazu ausgebildet, in einem Drehzahlbereich von 50,000 bis 300.000 Umdrehungen pro Minute, insbesondere 100,000 bis 300.000 Umdrehungen pro Minute zu rotieren. Bevorzugt weist die Randzone eine Dicke von 0,05 bis 1 ,5 mm auf. Vorzugsweise weist die Randzone eine Dicke von 0,3 mm auf. Die Randzone wird insbesondere als Gradientenrandzone mit einer Carbonitrierhärtetiefe ausgebildet, die ausgehend von der Oberfläche der Randzone eine sich in Form einer Funktion ändernde Kohlenstoff- beziehungsweise Stickstoffkonzentration aufweist. Die Carbonitrierhärtetiefe ist ab- hängig von der Prozesstemperatur während der Carbonitrierung. Mithin weist der car- bonitrierte Innenring und/oder Außenring eine vergleichsweise niedrige erforderliche Diffusionstiefe (Carbonitrierhärtetiefe) auf, die die gewünschten mechanischen und thermischen Eigenschaften bereitstellen. Vorteilhaft ist dabei, dass sich durch die Carbonitrierung die Prozesszeiten der Wärmebehandlung senken lassen, was sich positiv auf die Prozess- und Fierstellungskosten des Turboladers auswirkt. Ferner sin- ken durch die Carbonitrierung die auftretenden Maß- und Formabweichungen des In- nenrings und/oder Außenrings. Die prozessbedingten Maß- und Formabweichungen liegen im Wesentlichen im Rahmen einer martensitischen Flärtung.

Die Dicke sowie der Aufbau der Randzone können beispielsweise an einem Quer- schliff des Innenrings und/oder des Außenrings ermittelt und untersucht werden. Zur Ausmessung und Untersuchung der Randzone eignen sich insbesondere die Licht- mikroskopie sowie die Rasterelektronenmikroskopie.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind der zumindest eine Innenring und/oder der Außenring aus 100Cr6 ausgebildet. Alternativ sind der zumindest eine Innenring und/oder der Außenring aus 100CrSiMn6-4 ausgebildet. Mit anderen Wor- ten sind der zumindest eine Innenring und/oder der Außenring insbesondere aus ei- nem niedriglegierten sowie durchhärtenden Wälzlagerstahl als Basiswerkstoff ausge- bildet, wobei der zumindest eine Innenring und/oder der Außenring auch aus einem anderen niedriglegierten Stahl ausgebildet sein können. Dadurch wird ein kostengüns- tiger Trägerwerkstoff bereitgestellt, wobei die gewünschten mechanischen und ther- mischen Eigenschaften durch die thermochemische Behandlung und der damit aus- gebildeten Randzone eingestellt werden.

Vorzugsweise weist die Randzone eine Vickers-Flärte von mehr als 650 FIV10 auf. Mithin wird die Vickers-Flärte nach DIN EN ISO 6507-1 :2005 bis -4:2005 auf der Ober- fläche der carbonitrierten Randzone ermittelt, indem eine gleichseitige Diamantpyra- mide unter einer festgelegten Prüfkraft in die Randzone des Innenring und/oder des Außenrings eingedrückt wird und anschließend aus dem Verhältnis von Prüfkraft und Eindruckoberfläche unter Einbeziehung eines Umrechnungsfaktors die Vickers-Härte ermittelt werden kann.

Bevorzugt ist die Randzone im Bereich einer Laufbahn des zumindest einen Innen- rings und/oder des Außenrings ausgebildet. Mithin wird die Randzone im Bereich ma ximaler Hertzscher Pressung am Innenring und/oder am Außenring ausgebildet.

Ferner bevorzugt weist die Randzone einen Restaustenitgehalt von höchstens 15 % auf. Während dem an die Carbonitrierung folgenden Härteprozesses verbleibt auf- grund der nicht gänzlich abgeschlossenen Martensitbildung ein Restaustenitgehalt im Gefüge der Randzone, der insbesondere die mechanischen Eigenschaften der carbo- nitrierten Randzone in Abhängigkeit des Gehalts beeinflusst. Zur Ermittlung des Restaustenitgehalts in der carbonitrierten Randzone eignet sich beispielsweise die Lichtmikroskopie, die Röntgenstrukturanalyse oder auch magnetinduktive Messverfah- ren.

Gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagers für einen Turbolader wird zumindest ein Innenring und/oder ein Außenring des Wälzla- gers carbonitriert, wobei Kohlenstoff und Stickstoff in eine Oberfläche des zumindest einen Innenrings und/oder des Außenrings diffundieren, um eine Randzone auszubil- den, wobei der zumindest eine Innenring und/oder der Außenring gehärtet und an- schließend angelassen werden. Die Carbonitrierung erfolgt bevorzugt bei Temperatu- ren zwischen 850 und 950 °C, wobei neben Kohlenstoff geringe Mengen an Stickstoff in eine Oberfläche des zumindest einen Innenrings und/oder des Außenrings eindif- fundieren, um die Randzone auszubilden. Da der zumindest eine Innenring und/oder der Außenring bei diesem Verfahren vergleichsweise niedrigeren Temperaturen aus- gesetzt sind und die Prozessdauer im Allgemeinen kürzer ist als beispielsweise beim Aufkohlen, sind der wärmebehandelte Innenring und/oder Außenring weniger ver- zugsgefährdet. Der eindiffundierte Stickstoff dient aufgrund der vergleichsweise gerin- gen Diffusionsmenge als Legierungselement und reduziert die Härtetemperatur und die kritische Abschreckgeschwindigkeit, was wiederum die Härtbarkeit des Wälzla- gerstahls verbessert. Durch die daraus folgende kürzere Prozessdauer kann die Her- stellung des Wälzlagers wirtschaftlicher gestaltet werden. Unmittelbar nach dem Ablauf der Diffusionszeit während der Carbonitrierung werden der Innenring und/oder der Außenring abgeschreckt. Dies erfolgt vorzugsweise in Öl, um einem Verzug vorzubeugen. Die Randzone weist eine Dicke zwischen 0,05 und 1 ,5 mm auf, wobei die Dicke als Carbonitrierhärtetiefe (CHD) bezeichnet wird. Die Carbonitrierhärtetiefe ist abhängig von der Härtetemperatur, der Abschreckgeschwin- digkeit, der Härtbarkeit des Wälzlagerstahls sowie den Abmessungen des zumindest einen Innenrings und/oder des Außenrings beziehungsweise des Bereichs des zu- mindest einen Innenrings und/oder des Außenrings, an dem die Carbonitrierung er- folgt. Die Carbonitrierung (thermische Behandlung) schließt mit dem Anlassen bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen von 150 bis 350 C ab, um eine in Abhängig- keit der Carbonitrierhärtetiefe erzeugte Sprödigkeit zu reduzieren und um eine ge- wünschte Oberflächenhärte einzustellen. Die Anlasstemperatur ist abhängig von der Temperatur im Einsatz des Turboladers.

Vorzugsweise erfolgt zwischen dem Härten und Anlassen ein Tiefkühlen des zumin- dest einen Innenrings und/oder des Außenrings. Das Tiefkühlen bewirkt eine zusätzli- che Umwandlung von Restaustenit in Martensit sowie eine Verbesserung der Anlass- und Maßstabilität.

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt, wobei gleiche oder ähnliche Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigt

Figur 1 eine schematische Längsschnittdarstellung eines erfindungsgemäßen

Turboladers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, und

Figur 2 eine schematische Schnittdarstellung eines teilweise gezeigten Wälzla- gers des Turboladers gemäß Figur 1.

Gemäß Figur 1 umfasst ein Turbolader 9 für einen - hier nicht dargestellten - Ver- brennungsmotor eine Welle 8 sowie ein Wälzlager 1 zur Lagerung der Welle 8. Die Welle 8 ist dazu ausgebildet, in einem Drehzahlbereich von 10.000 bis 300.000 Um- drehungen pro Minute zu rotieren. Das Wälzlager 1 ist vorliegend als zweireihiges Schrägkugellager ausgebildet und weist einen zweiteiligen Innenring 2 und einen ein- teiligen Außenring 3 auf, wobei sich der Außenring 3 radial und axial gegen ein Ge- häuse 10 des Turboladers 9 abstützt. Räumlich zwischen dem Innenring 2 und dem Außenring 3 sind Wälzkörper 4 angeordnet und rollen auf einer jeweiligen Laufbahn 6 des Innenrings 2 beziehungsweise des Außenrings 3 ab. Der Innenring 2 und der Au- ßenring 3 sind vorliegend aus 100Cr6 (Wälzlagerstahl) ausgebildet. Alternativ können der Innenring 2 und der Außenring 3 aus 100CrSiMn6-4 ausgebildet sein. Ferner al- ternativ kann der Innenring 2 aus 100Cr6 und der Außenring 3 aus 100CrSiMn6-4 ausgebildet sein, oder umgekehrt. In diesem Sinn lassen sich die Werkstoffe und Wärmebehandlungen für die einzelnen Komponenten nach einem Baukastenprinzip auswählen.

In Figur 2 ist eine Detailschnittdarstellung des Wälzlagers 1 gezeigt. Vorliegend wei- sen sowohl der Innenring 2 als auch der Außenring 3 im Bereich der jeweiligen Lauf- bahn 6 eine carbonitrierte Randzone 5 auf. Die Randzone 5 des Innenrings 2 und des Außenrings 3 wird je mittels Carbonitrierung hergestellt, wobei Kohlenstoff und Stick- stoff in eine jeweilige Oberfläche 7 des Innenrings 2 beziehungsweise des Außen- rings 3 diffundieren. Anschließend werden der Innenring 2 und der Außenring 3 gehär- tet und angelassen. Die Carbonitrierung erfolgt bei einer Temperatur von 850-950°C und erzeugt dadurch eine Dicke (Carbonitrierhärtetiefe) der jeweiligen Randzone 5 von bis zu 1 ,5 mm, sowie eine Vickers-Härte von bis zu 1000 HV1. Ferner weist die Randzone 5 einen Restaustenitgehalt kleiner als 15 % auf. Die Dicke, die Oberflä- chenhärte sowie der Restaustenitgehalt der Randzone 5 sind abhängig von den Pro- zessparametern, wie beispielsweise Diffusionsdauer und Abschreckgeschwindigkeit sowie den Abmessungen der zu carbonitrierenden Oberfläche. Die Randzone 5 ver- bessert mechanische und thermische Eigenschaften des Wälzlagers 1 , wobei insbe- sondere die Überrollfestigkeit sowie die Widerstandsfähigkeit gegenüber abrasivem und adhäsivem Verschleiß optimiert werden. Ferner bewirkt die Randzone 5 eine bes- sere thermische Stabilität des Wälzlagers 1 bei gleichzeitig verbesserter Dauerfestig- keit. Bezuqszeichenliste

1 Wälzlager

2 Innenring

3 Außenring

4 Wälzkörper

5 Randzone

6 Laufbahn

7 Oberfläche

8 Welle

9 Turbolader

Claims

Patentansprüche

1 . Turbolader (9) für einen Verbrennungsmotor, umfassend eine Welle (8) sowie ein Wälzlager (1 ) zur Lagerung der Welle (8) mit zumindest einem Innenring (2), ei- nem Außenring (3) sowie räumlich zwischen dem zumindest einen Innenring (2) und dem Außenring (3) angeordneten Wälzkörpern (4), wobei der zumindest eine Innen- ring (2) und/oder der Außenring (3) aus einem Wälzlagerstahl ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Innenring (2) und/oder der Au- ßenring (3) zumindest teilweise eine carbonitrierte Randzone (5) aufweist.

2. Turbolader (9) nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (8) dazu ausgebildet ist, in einem Dreh- zahlbereich von 10.000 bis 300.000 Umdrehungen pro Minute zu rotieren.

3. Turbolader (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass die Randzone (5) eine Dicke von 0,05 bis 1 ,5 mm aufweist.

4. Turbolader (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Innenring (2) und/oder der Au- ßenring (3) aus 100Cr6 ausgebildet ist.

5. Turbolader (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Innenring (2) und/oder der Au- ßenring (3) aus 100CrSiMn6-4 ausgebildet ist.

6. Turbolader (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass die Randzone (5) eine Vickers-Härte von mehr als 650 HV10 aufweist.

7. Turbolader (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Randzone (5) im Bereich einer Laufbahn (6) des zumindest einen Innenrings (2) und/oder des Außenrings (3) ausgebildet ist.

8. Turbolader (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass die Randzone (5) einen Restaustenitgehalt von höchstens 15 % aufweist.

9. Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagers (1 ) für einen Turbolader (9), wobei das Wälzlager (1 ) mindestens einen Innenring (2), einen Außenring (3) sowie räumlich zwischen dem zumindest einen Innenring (2) und dem Außenring (3) angeordnete Wälzkörper (4) aufweist, wobei der zumindest eine Innenring (2) und/oder der Außen- ring (3) aus einem Wälzlagerstahl ausgebildet sind, umfassend folgende Verfahrens- schritte:

- Carbonitrieren des zumindest einen Innenrings (2) und/oder des Außenrings (3), wobei Kohlenstoff und Stickstoff in eine Oberfläche (7) des zumindest einen In- nenrings (2) und/oder des Außenrings (3) diffundieren, um eine Randzone (5) auszubilden;

- Härten des zumindest einen Innenrings (2) und/oder des Außenrings (3); und

- Anlassen des zumindest einen Innenrings (2) und/oder des Außenrings (3).

10. Verfahren nach Anspruch 9,

dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Härten und Anlassen ein Tiefkühlen des zumindest einen Innenrings (2) und/oder des Außenrings (3) erfolgt.