DE102004013673A1

DE102004013673A1 - Lagesicherung für Lagerschalen

Info

Publication number: DE102004013673A1
Application number: DE102004013673A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Burkhardt; Randow Gerrit; Christian Becker
Original assignee: MAN Nutzfahrzeuge AG
Current assignee: MAN Truck and Bus SE
Priority date: 2004-03-19
Filing date: 2004-03-19
Publication date: 2005-10-06
Anticipated expiration: 2024-03-20
Also published as: DE102004013673B4

Abstract

Zur Lagesicherung von reibschlüssig in Lagerbohrungen angeordneten Gleitlagerschalen wird vorgeschlagen, im Bereich zumindest eines Teils der Kontaktfläche zwischen der die Gleitlagerschale aufnehmenden Lagerbohrung und der Gleitlagerschale eine den Reibwert erhöhende Mikrostruktur, bestehend aus unregelmäßig angeordneten Mikrokratern, auszubilden, wobei die Mikrostruktur durch Strahlen der Innenseite der Lagerbohrung und/oder der Außenseite der Gleitlagerschale mit Kleinpartikeln gebildet ist.

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Anordnung zur Lagesicherung von Lagerschalen gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruches 1.
Bei Gleitlageranordnungen in z.B. Pleuellagern von Brennkraftmaschinen ist es allgemein üblich, in der Aufnahmebohrung des Lagers eine geteilte Lagerschale im Presssitz anzuordnen, wobei zur Lagesicherung der Lagerschalenhälften in jeder Hälfte der geteilten Aufnahmebohrung eine halbe Sichelnut vorgesehen ist, in die ein aufgebogener Teil der jeweils zugeordneten Lagerschalenhälfte eindringt. Jede Sichelnuthälfte wird getrennt in Pleuelkopf und Lagerdeckel gefräst und zwar so, dass sich der jeweils aufgebogene Teil der Lagerschalenhälften gegen die Trennfuge zwischen Pleuelkopf und Lagerdeckel abstützt und die Lagerschalen in ihrer Lage in der Pleuelkopfbohrung gegen Verdrehung und axiale Verschiebung lagesichert.
Die vorstehend beschriebene Anordnung ist aber nur dort anwendbar, wo Pleuelkopf und Lagerdeckel getrennt voneinander hergestellt werden, jeder Lagerdeckel passt dabei auf jedes Pleuel. Wird nun aber das Pleuellager durch Bruchtrennen geteilt, passt der Lagerdeckel nur auf das eine Pleuel, von dem er abgesprengt wurde. In der Serienfertigung können also Pleuel und Lagerdeckel nicht mehr getrennt werden. Es ist demnach einerseits nicht möglich bei wirtschaftlich vertretbarem Aufwand in Pleuelkopf und Lagerdeckel jeweils eine halbe Sichel nut einzufräsen, andererseits ergeben sich technische Probleme, weil die Bruchkante beim Bruchtrennen nicht exakt bestimmbar ist.

Um unter solchen Bedingungen, also bei bruchgetrennten Lagern eine Verdrehsicherung der Lagerschalen in der Pleuelbohrung zu erreichen, wurde in der EP 1 286 068 A1 vorgeschlagen, dass die Lagerbohrung, zumindest in ihrer Randschicht eine mindestens 1,5-fach größere Brinellhärte gegenüber den Stahl-Stützschalen der die Lagerschalen bildenden Halbschalen aufweisen soll und dass in diese Randschicht der Lagerbohrung ein Kreuzriefenmuster mit Materialaufstellung entsprechend einer Oberflächenrauhigkeit von R_z = 3 – 7 einzubringen ist, um zu erreichen, dass die Materialaufstellungen bei Montage in die Rückseiten der Lagerschalenhälften eindringen und diese gegen Verdrehen sichern. Nachteilig dabei ist, dass einerseits bestimmte Materialpaarungen hinsichtlich der Lagerschalenhälften und dem Randbereich der Pleuelkopfbohrung einzuhalten sind und darüber hinaus die Materialaufstellungen in einem aufwändigen Hohnprozess erzeugt werden müssen. Darüber hinaus resultiert aus dem Herstellungsprozess der Struktur eine Richtungsabhängigkeit des erzielbaren Reibwertes, so dass eine Lagesicherung in axialer Richtung nicht erreichbar ist.

Weiter ist aus der DE 103 25 910 A1 ein Verfahren zur Einbringung von Strukturen in die Innenflächen von Lageraufnahmen von z.B. Pleueln bekannt, das die Strukturen mittels Laserstrahl erzeugt. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass durch den notwendigen Einsatz eines Lasers hoher Energiedichte der apparative Aufwand sehr hoch ist und die Erzeugung einer Zufalls-Struktur, wie sie für den angestrebten Zweck ideal wäre, einen unverhältnismäßig hohen Steuerungsaufwand zur Ausrichtung des Laserstrahls erfordert.

Von diesem Stand der Technik ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, eine Lagesicherung für Lagerschalen anzugeben, die auch für bruchgetrennte Lager geeignet ist, eine Verdrehung und eine axiale Verschiebung der Lagerschalen in der Lagerbohrung sicher verhindert und darüber hinaus die bei solchen Lageranordnungen zwischen Lagerschale und Lagerbohrung auftretende Reibkorrosion weitgehend eliminiert.

Gelöst wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anordnung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die erfindungsgemäße Anordnung zur Lagesicherung von Lagerschalen in Lagerbohrungen geht von der Überlegung aus, dass eine im Bereich der Kontaktfläche zwischen der Innenseite der Lagerbohrung und der Außenseiten der Gleitlagerschalen aufzubringende Struktur keinerlei Vorzugsrichtung aufweisen darf. Es wird daher ein Strahlen mit Kleinpartikeln vorgeschlagen. Die damit verbundene Mikrostruktur aus nach dem Zufallsprinzip verteilten Mikrokrater bewirkt durch den punktuellen Kontakt von z.B. gestrahlter Grundbohrung und Lagerelement in Verbindung mit der vorliegenden hohen Pressung eine Verzahnung und auch eine Kaltverschweißung in diesen Bereichen. Durch das nahezu senkrecht zur Oberfläche der Lagerbohrung auftreffende Strahlgut liegt keine Vorzugsrichtung der Mikrostruktur und somit des Reibwertes vor, wie dies z.B. beim Hohnen der Fall ist. Die durch den Strahlprozess erzielte Oberflächentopografie weist keine Richtungsabhängigkeit auf und führt zu einer Erhöhung des Reibwertes in axialer und in Umfangsrichtung.

Durch den Prozess des Strahlens mit Kleinpartikeln kann nicht nur die Lagerbohrung auf einfache Weise mit einer Mikrostruktur versehen werden, sondern natürlich auch die Außenseite der Gleitlagerschale, so dass die Reibkräfte in vorteilhafter Weise dort aufgebracht werden können, wo sie den gewünschten Effekt erzielen.

Aufgrund der Unabhängigkeit der Reibkraft von der Größe der Reibfläche durch den Zusammenhang FR = FN·μ(F_R = Reibkraft, F_N = Normalkraft, μ = Reibwert)
ist eine Strahlbehandlung der gesamten Kontaktfläche von Grundbohrung und Lagerelement nicht erforderlich. Eine partielle Strahlbehandlung ist ausreichend. Bauteilbereiche die für den Strahlprozess nicht geeignet sind, können in vorteilhafter Weise ausgenommen werden. Weiterhin lässt sich durch eine partielle Strahlbehandlung die Bearbeitungsdauer des Werkstücks vorteilhaft abkürzen.

Bei Lageranordnungen der vorstehend angesprochenen Art kann eine durch hohe Betriebsbelastungen verursachte elastische Verformungen der Bauteile Mikrogleitbewegungen der Lagerbauteile relativ zueinander verursachen, welche ihrerseits Reibkorrosion zur Folge haben können. Die erzeugten Korrosionsmarken stellen im festigkeitstechnischen Sinn Kerben dar, die zu einer Erhöhung der lokalen Beanspruchung führen und somit auch ein Bauteilversagen verursachen können. Das vorgeschlagene Strahlen einzelner Kontaktflächen vermeiden die Entstehung von Reibkorrosion durch die angeführte Erhöhung des Reibwertes sowie durch die mit dem Strahlen erzeugte Verfestigung des Materials. Vorteilhafterweise sind die gestrahlten Bereiche dort angeordnet, wo bei Betrieb der Lageranordnung die höchsten Flächenpressungen auftreten, was, wie vorstehend angesprochen, eine Verminderung der Reibkorrosion bewirkt und andererseits durch die hohe Flächenpressung eine entsprechend hohe Reibkraft erzeugt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindungsgemäßen Anordnung ist nachfolgend unter Zuhilfenahme der Zeichnungen näher erläutert, es zeigen
1 ein Pleuellager mit der erfindungsgemäße Mikrostruktur
2 eine vergrößerte fotografische Darstellung der Innenseite der Lagerbohrung mit der erfindungsgemäßen Struktur
2a eine vergrößerte Schnittdarstellung durch die Mikrostruktur
Ein typischer Anwendungsfall für die erfindungsgemäße Anordnung zur Lagesicherung von Gleitlagerschalen in Lagerbohrungen ist in 1 dargestellt.
In einem Pleuel 1 für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine (nicht dargestellt) ist im Pleuelkopf 2 eine Lagerbohrung 3 angeordnet. Der Pleuelkopf 2 ist entlang der Linie 4 durch Bruchtrennung geteilt und durch Schrauben 5 fixiert. Eine Gleitlagerschale 6 bestehend aus zwei gleichen Hälften 6a und 6b wird im montierten Zustand (nicht dargestellt) in der Lagerbohrung 3 auf Pressung gehalten, wobei die Trennlinie der Lagerschale 6 mit der Bruchtrennlinie 4 des Pleuelkopfes 2 korrespondiert. Zur Lagefixierung ist auf die Innenwand der Lagerbohrung 3, in der Bruchtrennlinie benachbarten Bereichen, jeweils eine Mikrostruktur 7 angeordnet, die wie in 2 gezeigt, aus einer Vielzahl von nach dem Zufallsprinzip verteilten Mikrokratern besteht. Auf der Außenseite der Gleitlagerschale sind , in der Trennlinie der Lagerschalenhälften 6a, 6b benachbarten Bereichen, ebenfalls Mikrostrukturen 7 angeordnet, die im montierten Zustand der Gleitlagerschale 6 in der Lagerbohrung 3 mit den Mikrostrukturen 7 in der Lagerbohrung 3 korrespondieren. Die sich überdeckenden Mikrostrukturen 7 auf der Innenseite der Lagerbohrung 3 und der Außenseite der Gleitlagerschale 6 führen zu einer Mikroverzahnung dieser Bereiche, die einen sehr hohen richtungsunabhängigen Reibwert erzeugt, der für die Fixierung der Gleitlagerschale 6 in der Lagerbohrung 3, sowohl in axialer als auch in Umfangsrichtung völlig ausreicht. Die vorstehend beschriebenen, sich überdeckenden Mikrostrukturen sind dann besonders vorteilhaft, wenn die Werkstoffe der Gleitlagerschalenaußenseite und der Innenseite der Lagerbohrung annähernd gleiche Härte aufweisen.
Abweichend von dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel können die Mikrostrukturen auch nur jeweils einseitig oder wechselseitig oder sich nur teilweise überdeckend angeordnet sein. Welche Variante zu wählen ist hängt von der Härte der jeweiligen Oberflächenpaarung ab, so ist es nicht sinnvoll, die Mikrostruktur auf der gegenüber der anderen Oberfläche weicheren Oberfläche anzubringen, sondern natürlich auf der härteren Oberfläche. Weiterhin ist die optimale Lage der Mikrostruktur auch von den auftretenden Flächenpressungen abhängig, weil die resultierende Reibkraft bei entsprechend höherer Flächenpressung ebenfalls höher ist und die Anordnung der Mikrostruktur in diesen stark belasteten Bereichen die Reibkorrosion stark mindert.
Eine fotografische Detaildarstellung der Mikrostruktur und ein vergrößerter Schnitt durch die Oberfläche dieser Mikrostruktur sind in 2 bzw. in 2a gezeigt.
Die Innenseite der Lagerbohrung 3 weist einen unbehandelten Bereich 8 auf, in dem die durch vorhergehende spanabhebende Bearbeitung bedingten typischen umlaufenden Oberflächenriefen erkennbar sind. Derartige Oberflächenstrukturen weisen eine starke Richtungsabhängigkeit der Reibkraft auf, eine Lagesicherung in Umfangsrichtung ist, wie aus der Riefenstruktur schon durch Augenschein erkennbar, nicht realisierbar.
Dem unbehandelten Bereich 8 benachbart ist eine Mikrostruktur 7 angeordnet, die durch einen Strahlprozess erzeugt wurde. Dabei wird, wie an sich bekannt, eine Vielzahl von Kleinpartikeln von z.B. einem Druckluftstrahl beschleunigt, auf die zu strahlende Oberfläche geleitet, wobei die gegenüber der Oberfläche härteren Partikel zur Vermeidung von Vorzugsrichtungen im Wesentlichen senkrecht auf diese auftreffen müssen. Die relativ hohe Energie der auf die Oberfläche auftreffenden Partikel führt, wie in der Schnittdarstellung 2a stark vergrößert gezeigt, zur Bildung von Mikrokrater 9, deren Kraterboden 10 unterhalb des ur sprünglichen Oberflächenniveaus 11 liegt, während die Kraterränder 12 oberhalb des ursprünglichen Oberflächenniveaus 11 liegen.
Das Partikelstrahlen ist, was das Auftreffen der Partikel auf der Oberfläche angeht, ein Zufallsprozess, so dass sich auch eine zufällige Verteilung der Mikrokrater auf der Oberfläche ergibt. Größe und Form der Mikrokrater hängt neben dem zu strahlenden Material auch vom Material und der Oberflächenbeschaffenheit der Partikel, also des Strahlmittels ab. Hier steht ein großes Sortiment an Strahlmitteln, wie z.B. Partikel aus Strahlguss, Edelstahlguss, Glas, Keramik, Korund zur Verfügung, viele davon mit unterschiedlichen Oberflächenformen, wie z.B. Kugeln, Zylinder oder unregelmäßig geformte Körper.
Durch die geeignete Materialwahl lässt sich in jedem Oberflächenmaterial die für den gewünschten Zweck geeignete Mikrostruktur erzeugen. Im vorstehend beschriebenen Beispiel eines Pleuellagers wäre dies eine Mikrostruktur mit einer Oberflächenrauhigkeit von R_z = 10 – 15. Neben dem bereits erwähnten positiven Eigenschaften einer durch einen Strahlprozess erzeugten Mikrostruktur ist noch zu erwähnen, dass sich bei der Verwendung geeigneter Strahlmittel eine Verfestigung der Oberfläche der erzeugten Mikrostruktur einstellt, was die gewünschte Mikroverzahnung, insbesondere bei nur einseitig aufgebrachten Mikrostrukturen positiv beeinflusst. Darüber hinaus wirken derart verfestigte Oberflächen der Reibkorrosion entgegen.
Die erfindungsgemäße Anordnung zur Lagesicherung von Lagerschalen in Lagerbohrungen ist selbstverständlich nicht auf die vorstehend beschriebene Anwendung beschränkt, sie ist vielmehr sowohl bei Lagern mit Längs- oder Querpresssitz wie an den kleinen Pleuelaugen von Brennkraftmaschinen anwendbar als auch bei gebauten Lagern mit zweiteiligen Lagerelementen, wie dem vorstehend beschriebenen großen Pleuelaugen oder den Kurbelwellenlagern.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Erzeugen der Mikrostrukturen durch einen Strahlprozess mit Kleinpartikel erfordert bei einseitig angeordneten Mikrostrukturen keinerlei Vorbereitung des jeweils anderen Lagerpartners und eignet sich somit zur Ergänzung und Weiterentwicklung bestehender Systeme um evtl. höhere Belastungen abzudecken.

Claims

Anordnung zur Lagesicherung von reibschlüssig in Lagerbohrungen angeordneten Gleitlagerschalen, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich zumindest eines Teils der Kontaktfläche zwischen der die Gleitlagerschale (6) aufnehmenden Lagerbohrung (3) und der Gleitlagerschale (6) eine den Reibwert erhöhende Mikrostruktur (7) bestehend aus unregelmäßig angeordneten Mikrokratern (9) ausgebildet ist, wobei die Mikrostruktur (7) durch Strahlen der Innenseite der Lagerbohrung (3) und/oder der Außenseite der Gleitlagerschale (6) mit Kleinpartikeln gebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Mikrostruktur (7) nur über einen Teil der Innenseite der Lagerbohrung (3) erstreckt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Mikrostruktur (7) nur über einen Teil der Außenseite der Gleitlagerschale (6) erstreckt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Mikrostruktur (7) über einen Teil der Innenseite der Lagerbohrung (3) und über einen Teil der Außenseite der Gleitlagerschale (6) erstreckt.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Mikrostrukturen (7) auf der Innenseite der Lagerbohrung (3) und auf der Außenseite der Gleitlagerschale (6) im zusammengebauten Zustand des Lagers zumindest teilweise überdecken.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Mikrostrukturen (7) auf der Innenseite der Lagerbohrung (3) und auf der Außenseite der Gleitlagerschale (6) nicht überdecken.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostruktur (7) in den Bereichen der Kontaktfläche angeordnet ist, in denen bei Betrieb des Lagers die größte Flächenpressung auftritt.