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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 eines Wälzlagers für einen solchen Turbolader.
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Allgemein bekannt sind Verbrennungsmotoren auch genannt Turbo-Compound-Motoren, bei denen der Energiegehalt von Abgasen durch eine nachgeschaltete Nutzturbine verwertet wird, um die Abgase aus der Verbrennung weiter zu entspannen. Die durch die Nutzturbine rückgewonnene Energie wird anschließend über ein mechanisches 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.
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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 Turbinenrad bekannt. Das Kugellager ist in Radialrichtung zwischen dem Gehäuse und der Rotationswelle 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 einen Innenring aufweist, welcher auf die Rotationswelle in einem Mittelteil, bezogen auf deren axiale Erstreckung gepasst ist. Der innere Lagerring weist eine Außenumfangsfläche auf, in welcher eine innere Wälzbahn ausgebildet ist, wobei der innere Lagerring aus einem wärmebeständigen Metall hergestellt ist.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Turbolader weiterzuentwickeln, und insbesondere die Wälzlagerung von Wellen des Turboladers resistenter und langlebiger zu gestalten. Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der Patentansprüche 1 und 9. Bevorzugte Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren zu entnehmen.
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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 angeordneten 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 Schrägkugellager ausgebildet, wobei auch alternative Wälzlagerformen, wie Zylinderrollenlager vorgesehen 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-βenring umfassen, wobei vorzugsweise lediglich ein Teil des mehrteiligen Außenrings carbonitriert ist.
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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 aufweisen. Die Wahl der zu carbonitrierenden Bauteile ist im Wesentlichen abhängig von den mechanischen und thermischen Anforderungen, die an den Turbolader und insbesondere an das Wälzlager gestellt werden.
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Der zumindest eine Innenring und/oder der Außenring werden zumindest teilweise einer Carbonitrierung, das heißt einer kombinierten Aufkohlung und Aufstickung unterzogen. 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 Wasserstoff vorzugsweise als Ammoniak vor und dient insbesondere als Legierungselement in der Randzone des Innenrings und/oder des Außenrings. Der Kohlenstoff bildet insbesondere Karbide in der Randzone. Nach der Carbonitrierung weist die Randzone im Bereich der Bauteiloberfläche einen Kohlenstoffgehalt von 0,8 bis 1,5 Gew.-% und einen Stickstoffgehalt von 0,05 bis 0,5 Gew.-% auf.
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In Abhängigkeit der gewählten Carbonitrierungs-Parameter, wie Prozessdauer (Diffusionsdauer) und -temperatur, wird die Randzone insbesondere dazu ausgebildet, mechanische sowie thermische Eigenschaften des Wälzlagers zu verbessern. Die Carbonitrierung dient vorteilhafterweise dazu, der Randzone des Innenrings und/oder des Außenrings eine vergleichsweise hohe Härte zu verleihen. Die mechanischen Eigenschaften, die durch die Carbonitrierung maßgeblich verbessert werden, sind beispielsweise die Überrollfestigkeit des Wälzlagers, insbesondere der Oberfläche der carbonitrierten Randzone sowie die Widerstandsfähigkeit gegenüber abrasivem und adhäsivem Verschleiß. Die Überrollfestigkeit beschreibt die Resistenz des carbonitrierten 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 vergleichsweise hohe Warmfestigkeit auf. Mit anderen Worten weist der Innenring und/oder der Außenring eine vergleichsweise hohe thermische Stabilität auf, ist resistent gegenüber Verschmutzung und zeichnet sich daher durch seine erhöhte Dauerfestigkeit aus.
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Die Welle des Turboladers ist vorzugsweise dazu ausgebildet, in einem Drehzahlbereich 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.
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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 Kohlenstoffbeziehungsweise Stickstoffkonzentration aufweist. Die Carbonitrierhärtetiefe ist abhängig von der Prozesstemperatur während der Carbonitrierung. Mithin weist der carbonitrierte 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 Herstellungskosten des Turboladers auswirkt. Ferner sinken durch die Carbonitrierung die auftretenden Maß- und Formabweichungen des Innenrings und/oder Außenrings. Die prozessbedingten Maß- und Formabweichungen liegen im Wesentlichen im Rahmen einer martensitischen Härtung.
Die Dicke sowie der Aufbau der Randzone können beispielsweise an einem Querschliff des Innenrings und/oder des Außenrings ermittelt und untersucht werden. Zur Ausmessung und Untersuchung der Randzone eignen sich insbesondere die Lichtmikroskopie sowie die Rasterelektronenmikroskopie.
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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 Worten sind der zumindest eine Innenring und/oder der Außenring insbesondere aus einem niedriglegierten sowie durchhärtenden Wälzlagerstahl als Basiswerkstoff ausgebildet, wobei der zumindest eine Innenring und/oder der Außenring auch aus einem anderen niedriglegierten Stahl ausgebildet sein können. Dadurch wird ein kostengünstiger Trägerwerkstoff bereitgestellt, wobei die gewünschten mechanischen und thermischen Eigenschaften durch die thermochemische Behandlung und der damit ausgebildeten Randzone eingestellt werden.
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Vorzugsweise weist die Randzone eine Vickers-Härte von mehr als 650 HV10 auf. Mithin wird die Vickers-Härte nach DIN EN ISO 6507-1:2005 bis -4:2005 auf der Oberfläche der carbonitrierten Randzone ermittelt, indem eine gleichseitige Diamantpyramide 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.
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Bevorzugt ist die Randzone im Bereich einer Laufbahn des zumindest einen Innenrings und/oder des Außenrings ausgebildet. Mithin wird die Randzone im Bereich maximaler Hertzscher Pressung am Innenring und/oder am Außenring ausgebildet.
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Ferner bevorzugt weist die Randzone einen Restaustenitgehalt von höchstens 15 % auf. Während dem an die Carbonitrierung folgenden Härteprozesses verbleibt aufgrund der nicht gänzlich abgeschlossenen Martensitbildung ein Restaustenitgehalt im Gefüge der Randzone, der insbesondere die mechanischen Eigenschaften der carbonitrierten Randzone in Abhängigkeit des Gehalts beeinflusst. Zur Ermittlung des Restaustenitgehalts in der carbonitrierten Randzone eignet sich beispielsweise die Lichtmikroskopie, die Röntgenstrukturanalyse oder auch magnetinduktive Messverfahren.
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Gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagers für einen Turbolader wird zumindest ein Innenring und/oder ein Außenring des Wälzlagers carbonitriert, wobei Kohlenstoff und Stickstoff in eine Oberfläche des zumindest einen Innenrings und/oder des Außenrings diffundieren, um eine Randzone auszubilden, wobei der zumindest eine Innenring und/oder der Außenring gehärtet und anschließend angelassen werden. Die Carbonitrierung erfolgt bevorzugt bei Temperaturen zwischen 850 und 950 °C, wobei neben Kohlenstoff geringe Mengen an Stickstoff in eine Oberfläche des zumindest einen Innenrings und/oder des Außenrings eindiffundieren, um die Randzone auszubilden. Da der zumindest eine Innenring und/oder der Außenring bei diesem Verfahren vergleichsweise niedrigeren Temperaturen ausgesetzt sind und die Prozessdauer im Allgemeinen kürzer ist als beispielsweise beim Aufkohlen, sind der wärmebehandelte Innenring und/oder Außenring weniger verzugsgefährdet. Der eindiffundierte Stickstoff dient aufgrund der vergleichsweise geringen Diffusionsmenge als Legierungselement und reduziert die Härtetemperatur und die kritische Abschreckgeschwindigkeit, was wiederum die Härtbarkeit des Wälzlagerstahls verbessert. Durch die daraus folgende kürzere Prozessdauer kann die Herstellung des Wälzlagers wirtschaftlicher gestaltet werden.
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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 Abschreckgeschwindigkeit, der Härtbarkeit des Wälzlagerstahls sowie den Abmessungen des zumindest einen Innenrings und/oder des Außenrings beziehungsweise des Bereichs des zumindest einen Innenrings und/oder des Außenrings, an dem die Carbonitrierung erfolgt. Die Carbonitrierung (thermische Behandlung) schließt mit dem Anlassen bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen von 150 bis 350 C ab, um eine in Abhängigkeit der Carbonitrierhärtetiefe erzeugte Sprödigkeit zu reduzieren und um eine gewünschte Oberflächenhärte einzustellen. Die Anlasstemperatur ist abhängig von der Temperatur im Einsatz des Turboladers.
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Vorzugsweise erfolgt zwischen dem Härten und Anlassen ein Tiefkühlen des zumindest einen Innenrings und/oder des Außenrings. Das Tiefkühlen bewirkt eine zusätzliche Umwandlung von Restaustenit in Martensit sowie eine Verbesserung der Anlass- und Maßstabilität.
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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
- 1 eine schematische Längsschnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Turboladers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, und
- 2 eine schematische Schnittdarstellung eines teilweise gezeigten Wälzlagers des Turboladers gemäß 1.
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Gemäß 1 umfasst ein Turbolader 9 für einen - hier nicht dargestellten - Verbrennungsmotor 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 Umdrehungen pro Minute zu rotieren. Das Wälzlager 1 ist vorliegend als zweireihiges Schrägkugellager ausgebildet und weist einen zweiteiligen Innenring 2 und einen einteiligen Außenring 3 auf, wobei sich der Außenring 3 radial und axial gegen ein Gehäuse 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-βenring 3 sind vorliegend aus 100Cr6 (Wälzlagerstahl) ausgebildet. Alternativ können der Innenring 2 und der Außenring 3 aus 100CrSiMn6-4 ausgebildet sein. Ferner alternativ 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.
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In 2 ist eine Detailschnittdarstellung des Wälzlagers 1 gezeigt. Vorliegend weisen sowohl der Innenring 2 als auch der Außenring 3 im Bereich der jeweiligen Laufbahn 6 eine carbonitrierte Randzone 5 auf. Die Randzone 5 des Innenrings 2 und des Außenrings 3 wird je mittels Carbonitrierung hergestellt, wobei Kohlenstoff und Stickstoff in eine jeweilige Oberfläche 7 des Innenrings 2 beziehungsweise des Außenrings 3 diffundieren. Anschließend werden der Innenring 2 und der Außenring 3 gehärtet 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 Oberflächenhärte sowie der Restaustenitgehalt der Randzone 5 sind abhängig von den Prozessparametern, wie beispielsweise Diffusionsdauer und Abschreckgeschwindigkeit sowie den Abmessungen der zu carbonitrierenden Oberfläche. Die Randzone 5 verbessert mechanische und thermische Eigenschaften des Wälzlagers 1, wobei insbesondere die Überrollfestigkeit sowie die Widerstandsfähigkeit gegenüber abrasivem und adhäsivem Verschleiß optimiert werden. Ferner bewirkt die Randzone 5 eine bessere thermische Stabilität des Wälzlagers 1 bei gleichzeitig verbesserter Dauerfestigkeit.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wälzlager
- 2
- Innenring
- 3
- Außenring
- 4
- Wälzkörper
- 5
- Randzone
- 6
- Laufbahn
- 7
- Oberfläche
- 8
- Welle
- 9
- Turbolader
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN EN ISO 6507-1:2005 [0012]