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Die
Erfindung betrifft ein geteiltes Lager nach den Merkmalen des Oberbegriffs
des Anspruchs 1.
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Aus
der
DE 43 32 444 A1 ist
eine geteilte Lageranordnung von Pleueln bekannt, die durch Abspalten
eines die Lagerbohrung begrenzenden Lagerdeckels mittels Bruchtrennen
(Cracken) gebildet ist. Bei Verwendung dieses Bruchtrennverfahrens wird
ein passgenaues Fügen
von Lagersattel und Lagerdeckel durch die Bruchflächen erreicht,
wodurch eine genaue Passung des feingearbeiteten Lagers auf der
dazugehörigen
Achse sichergestellt ist. Höherfeste
Werkstoffe, die zur Fertigung der Pleuel eingesetzt werden, weisen
jedoch sehr feinkörnige
Gefüge
auf und ergeben ein entsprechend glattes Bruchbild. Dies läuft der
eigentlichen Zielsetzung des Bruchtrennverfahrens entgegen, die
darin besteht, über
die Erzeugung eines ausreichend ausgeprägten Bruchreliefs eine Zentrierung
der Bruchteile zueinander zu erreichen. Bei höherfesten Werkstoffen besteht
daher die Gefahr, dass die Bruchteile fehlerhaft positioniert und
auf deren Bruchflächen
bei Belastung Reliefspitzen plastifiziert werden, was die Schraubenkräfte zwischen
Lagersattel und Lagerdeckel reduziert und sogar zum Versagen der
Schraubenverbindung führen
kann.
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Um
einen ausgeprägten
gegenseitigen Formeingriff beim Wiederzusammenfügen zu erreichen, wird in der
DE 43 32 444 A1 vorgeschlagen, keramische
Partikel im Bereich der Bruchtrennstelle einzugießen, die
später
ein ausgeprägtes
Bruchrelief auch bei Werkstoffen mit feinkörnigem Gefüge ermöglichen.
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Aus
der
DE 198 29 147
A1 ist eine geteilte Lageranordnung von Pleueln bekannt,
bei der alternativ zur genaueren Positionierung der Bruchteile des
Pleuels vorgeschlagen wird, die Bruchflächen unter einem Winkel zur
Schraubennormalen der Verschraubung anzuordnen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein geteiltes Lager anzugeben,
welches eine zuverlässige
Positionierung von Lagersattel und Lagerdeckel zueinander gewährleistet.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale der Ansprüche
1, 2 und 4 gelöst.
Günstige
Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind der Beschreibung
sowie den weiteren Ansprüchen
zu entnehmen.
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Erfindungsgemäß ist ein
geteiltes Lager, insbesondere an einem Pleuel, abschnittsweise mit
einer Trennkerbe versehen, welche über ihre Gesamtlänge hinweg
variiert. Als weiteres Beispiel für den erfindungsmässigen Einsatz
sind gegossene Lagerstühlen
mit geteilten Lagern anzuführen.
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Aus
dem Stand der Technik, beispielsweise der
DE 43 32 444 A1 , ist es
bekannt, im Lagerbereich Trennkerben vorzusehen, die die Separation
von Lagersattel und Lagerdeckel durch Bruchtrennen erleichtern sollen;
diese Trennkerben reduzieren die zum Bruchtrennen erforderlichen
Crackkräfte
und stellen sicher, dass die Starterrisse, die die Bruchtrennung
einleiten, an einem genau vordefinierten Bereich des Lagers erzeugt werden.
Herkömmlicherweise
sind diese Trennkerben in einer solchen Art und Weise im Lagerbereich
angeordnet, dass sie sich in der Teilungsebene befinden und über ihre
Gesamtlänge
hinweg einen konstanten Verlauf haben. Die Erfahrung zeigt jedoch,
dass bei Verwendung einer solchen konstanten Trennkerbe nur dann
ein ausgeprägtes
Bruchrelief erzeugt werden kann, wenn die Kerbe eine sehr geringe
Tiefe besitzt. Dann sind zur Bruchtrennung allerdings sehr hohe
Crackkräfte
notwendig; weiterhin treten gehäuft
Fertigungsfehler (Ausbruch, Versatz oder Ovalisierung des Lagers)
auf, was summarisch zu einem hohen Fertigungsausschuss führt.
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Die
vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Form,
Tiefe und Ausrichtung der Trennkerbe einen entscheidenden Einfluss
auf die Oberflächentopografie
der Bruchfläche
haben: Erfindungsgemäß ist die
Trennkerbe so gestaltet, dass sie Variationen in bezug auf ihre
Tiefe und/oder in bezug auf ihren Abstand zur Teilungsebene und/oder
in bezug auf ihre Winkelausrichtung gegenüber der Teilungsebene aufweist.
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Die
erfindungsgemäßen Variationen
der Trennkerbe führen
zu einem ausgeprägten
Bruchrelief, das eine sichere Positionierung von Lagersattel und
Lagerdeckel zueinander gewährleistet,
unabhängig
davon, wie feinkörnig
das Gefüge
des das Lager bildenden Werkstoffs ist. Durch eine geeignete Wahl
der Variationen kann das Bruchrelief dem Werkstoff des Pleuels entsprechend
eingestellt werden. Die Erfindung ist daher auch besonders für getrennte
Lager aus höherfesten
oder höchstfesten Werkstoffen,
insbesondere Stahl, geeignet.
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Vorzugsweise
sind die Variationen der Trennkerbe periodisch und in einer solchen
Weise auf die Pleuelgeometrie abgestimmt, dass die Trennkerbe über ihre
Gesamtlänge
hinweg zwischen zwei und vier Perioden aufweist.
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In
einer ersten Ausgestaltung der Erfindung entsprechen die Variationen
einer Sprungfunktion; die Trennkerbe weist in diesem Fall disjunkte
Bereiche auf, die vorzugsweise alternierend oberhalb und unterhalb
der Teilungsebene angeordnet sind. Aufgrund der Sprünge der
Trennkerbe treten beim Bruchtrennen des Pleuels an diesen Stellen
besonders markante Strukturierungen der Trennfläche auf.
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In
einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausgestaltung hat die Trennkerbe
die Form einer stetig differenzierbaren Wellenlinie, insbesondere
einer Wellenlinie mit näherungsweise
sinusförmigem
Verlauf und mit Minima und Maxima, die oberhalb bzw. unterhalb der
Teilungsebene liegen. Als besonders günstig hat sich eine langwellige
Sinusform mit vergleichsweise geringer Amplitude erwiesen: In diesem Fall
folgt die Bruchfront beim Cracken der vorgegebenen Sinuskurve, wodurch
sich im Bruchanfangsbereich eine gewellte, muschelartig geformte
Fläche ergibt,
die sich erfahrungsgemäß im Regelfall
während
des weiteren Bruchverlaufs einer ebenen Form annähert. Auf diese Weise wird
eine gute Oberflächenstrukturierung
erreicht, die ein passgenaues Fügen
von Lagersattel und Lagerdeckel nach dem Cracken gewährleistet;
gleichzeitig wird eine allzu starke Zerklüftung der Bruchfläche-Topografie
(und somit die Gefahr von Ausbrüchen)
vermieden. Es hat sich als besonders günstig erwiesen, die Amplitude
der Sinuskurve auf einen Maximalwert von 1,5 mm zu beschränken; vorzugsweise
liegt die Amplitude zwischen 0,5 mm und 1,0 mm.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn an den beiden gegenüberliegenden Schenkeln des
Lagers Trennkerben vorgesehen werden, die sich in bezug auf die
Lage der Periodenmaxima unterscheiden; insbesondere können die
Periodenmaxima gegeneinander zwischen einer Viertel- und einer Dreiviertel-Periode
ver schoben sein. Das hat den Vorteil, dass der durch Bruchtrennung
abgeteilte Lagerdeckel bei der Montage nicht verdreht an den Lagersattel
angeschraubt werden kann.
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Für das Bruchtrennen
ist es sehr günstig, wenn
die Trennkerbe im Bereich der Lagerfläche angebracht ist, weil auf
diese Weise das beim Bruchtrennen auszubildende Bruchrelief durch
einen definierten Rissverlauf besonders gezielt beeinflusst bzw.
effektiv verstärkt
werden kann; weiterhin können bei
der dabei auftretenden Rissfortschrittsrichtung auch geometrische
Unstetigkeiten des Lagers vorteilhaft berücksichtigt werden. Durch die
erfindungsgemäße Gestaltung
der Trennkerbe können
solche Unstetigkeiten sogar gezielt verstärkt werden, was das Bruchtrennen
und das anschließende
genaue Positionieren beim Wiederzusammensetzen der Bruchteile weiter
vereinfacht.
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Ein
bevorzugtes Verfahren zur Erzeugung der Trennkerbe besteht darin,
die Trennkerbe mit Hilfe von Laserstrahlung zu erzeugen. Ein Laserstrahl mit
ausreichender Energie und Intensität lässt sich verfahrenstechnisch
günstig
in die Lagerfläche
hinein lenken. Dort kann entlang der Trennkerbe das Gefüge durch
Laserbestrahlung geschwächt
werden, z.B. durch Oxidation oder lokale Verdampfung. Umfasst die
Trennkerbe Bereiche unterschiedlicher Winkelausrichtung gegenüber der
Teilungsebene, so empfiehlt sich der Einsatz zweier Laser, die in
den ausgewählten
unterschiedlichen Winkeln gegenüber der
Teilungsebene angeordnet sind.
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Alternativ
oder zusätzlich
zur Laserbearbeitung kann die Trennkerbe auch mechanisch, beispielsweise
mit einem scharfen Werkzeug, und/oder alternativ auch thermisch
eingearbeitet sein. Weiterhin kann die Trennkerbe spanlos durch
Um- oder Urformung und/oder elektrochemisch eingebracht werden.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer in den Zeichnungen
beschriebener Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Die
Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale
in Kombination, die der Fachmann zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten
und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen wird.
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Dabei
zeigen:
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1 Eine
schematische Darstellung eines Pleuels mit einer variierenden Trennkerbe
im Lagerbereich,
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2 eine Detailansicht des Bereichs II des Pleuels
der 2,
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2a vor
dem Bruchtrennen und
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2b nach
dem Bruchtrennen.
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3 mehrere der 2a entsprechende Detailansichten
mit alternativen Ausgestaltungen der Trennkerbe:
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3a Trennkerbe
mit strichförmigen
Abschnitten, die unterschiedlich stark gegenüber der Teilungsebene versetzt
sind;
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3b Trennkerbe
mit Variationen der Kerbtiefe;
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3c Trennkerbe
mit strichförmigen
Abschnitten, die unterschiedlich stark gegenüber der Teilungsebene gekippt
sind.
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Das
in 1 dargestellte, als Pleuel 1 ausgebildete
geteilte Lager besteht aus einem Pleuelschaft 2, einem
Pleuelkopf 3 und einem Pleuelauge 4. Eine Teilungsebene 8 stellt
die Sollbruchstelle für die
Bruchtrennung des Pleuelauges 4 in Lagersattel 5 und
Lagerdeckel 6 dar. In der Teilungsebene 8 befinden
sich in einer Umrandung des Pleuelauges 4 zwei ebene Solltrennflächen 9.
Weiterhin sind im Bereich der Teilungsebene 8 Durchführungen 7 für (zeichnerisch
nicht dargestellte) Befestigungsschrauben vorgesehen, die zur anschlie ßenden Befestigung
des Lagerdeckels 6 auf dem Lagersattel 5 dienen.
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In
einem Bereich 10 innerhalb des Pleuelauges 4,
d.h. im Bereich einer Lagerfläche 14,
werden mit Hilfe eines (schematisch angedeuteten) energiereichen
Lasers 12 zwei Trennkerben 11a für das Bruchtrennverfahren
in das Pleuel 1 eingebracht. Hierzu wird der Laserstrahl 13 des
Lasers 12 auf die Lagerfläche 14 gelenkt und
(beispielsweise in mit Hilfe einer in 1 nicht
gezeigten Scanmimik) in einer solchen Weise gegenüber der
Lagerfläche 14 geführt, dass
Trennkerben 11a mit der in 1 dargestellten
sinusförmigen
Kontur 15a erzeugt werden. Im Interesse einer besseren
Sichtbarmachung sind die Tiefe und Breite der Trennkerben in den
Figuren stark überhöht dargestellt. – Das auf
diese Weise vorbereitete Pleuel 1 wird nun einem Bruchtrennprozess unterworfen,
bei dem die Bruchtrennung an den beiden gegenüberliegenden Trennkerben 11a eingeleitet
wird, an der zunächst
Starterrisse entstehen, die sich – ausgehend von der Trennkerben 11a – flächenhaft
ausbilden und sich über
eine Bruchfläche 22 hin vom
Inneren des Pleuelauges 4 nach außen fortpflanzen, bis der Lagerdeckel 6 vom
Lagersattel 5 getrennt ist.
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2a und 2b zeigen
Detailansichten des Pleuels 1 im Bereich der Trennkerbe 11a vor (2a)
und nach (2b) dem Bruchtrennen: Die Kontur 15a der
Trennkerbe 11a weist Variationen 16a in bezug
auf ihren Abstand 17a, 17a' zur Teilungsebene 8 auf,
so dass Teilbereiche 17a der Trennkerbe 11 oberhalb
und andere Teilbereiche 17a' unterhalb der
Teilungsebene 8 liegen. Die Wellenlänge 18a der Sinuskontur 15a ist
so gewählt,
dass sie in etwa der Hälfte
der Gesamtbreite 19 des Pleuels 1 im Bereich der
Teilungsebene 8 entspricht, so dass über die Breite 19 des
Pleuels 1 hinweg zwei Minima 20a und zwei Maxima 20a' der Sinuskontur 15a vorliegen.
Die Amp litude 21a der Sinuskontur 15a liegt in
der Größenordnung
eines Millimeters (und ist vorzugsweise geringer als 1,5 mm). Diese
Amplitude 21a ist in 2a und 2b zur
Verdeutlichung stark überhöht dargestellt.
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Die
Struktur der Trennfläche
(Bruchfläche) 22a,
die mit einer solchen sinusförmigen
Gestaltung der Trennkerbe 11a erzielt wird, ist in 2b dargestellt,
die den Lagersattel 5 der 2a nach
dem Bruchtrennen zeigt: In einem der Lagerfläche 14 benachbarten
Bruchanfangsbereich 23a hat die Trennfläche 22a aufgrund der
Sinusform der Trennkerbe 11a eine sinusförmig gewellte,
muschelförmige
Gestalt, welche mit fortschreitendem Bruchverlauf abflacht und im
lagerfernen Bereich 24a so weit abgeklungen ist, dass die
Trennfläche 22a hier
näherungsweise
eben ist. Die ausgeprägte
Wellenform der Trennfläche 22a im
lagernahen Bereich 23a gewährleistet eine hochgenaue Passung
des Lagersattels 5 und des Lagerdeckels 6 nach
dem Bruchtrennen auch dann, wenn die Trennfläche 22a ansonsten (aufgrund
der Feinkörnigkeit
des Pleuelwerkstoffs) sehr glatt ist.
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3a zeigt
eine alternative Gestaltung der Trennkerbe 11b, welche
aus mehreren disjunkten Abschnitten besteht, die in Abständen 17b, 17b' oberhalb und
unterhalb der Teilungsebene 8 angeordnet sind; ebenso wie
die Trennkerbe 11a der 2a weist
auch diese Trennkerbe 11b somit Variationen 16b in
bezug auf ihren Abstand 17b, 17b' von der Teilungsebene 8 auf.
Die Variationen 16b sind periodisch und haben eine Periode 18b,
die näherungsweise
einem Drittel der Breite 19 des Pleuelkopfs entspricht.
Der Abstand 17b, 17b', um den die Abschnitte 11b der
Trennkerbe gegenüber
der Teilungsebene 8 versetzt sind, beträgt maximal einige Zehntel Millimeter.
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Eine
weitere Ausgestaltung der Trennkerbe 11c ist in 3b dargestellt.
Hier verläuft
die Trennkerbe 11c in der Teilungsebene 8 und
weist Variationen 16c bezüglich ihrer Eindringtiefe 25c auf.
Die Variationen 16c sind periodisch und näherungsweise
sinusförmig
mit einer Wellenlänge 18c,
die näherungsweise
einem Drittel der Breite 19 des Pleuelkopfs entspricht.
Die Eindringtiefe 25c der Trennkerbe 11c variiert
dabei um wenige Zehntel Millimeter. Eine solche Variation 16c der
Eindringtiefe 25c kann beispielsweise durch eine Modulation
der Laserleistung erreicht werden. Die Variation 16c der
Eindringtiefe führt
zu einer wellenförmigen
Kontur 15c, an der während
der Bruchtrennung die Starterrisse beginnen. Dadurch wird eine lokale
Variation des Rissverlaufs erreicht, der eine Strukturierung der
Trennfläche
zur Folge hat.
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In
der in 3c gezeigten Ausgestaltung besteht
die Trennkerbe 11d aus mehreren geradlinigen Abschnitten 17d, 17d', die sich bezüglich ihrer
Winkelausrichtung 26, 26' gegenüber der Teilungsebene 8 unterscheiden.
Die Variation 16d der Trennkerbe 11d entspricht
daher einem Wechsel zwischen zwei unterschiedlichen Winkelausrichtungen 26, 26'; eine solchermaßen variierende
Trennkerbe 11d kann beispielsweise mit Hilfe zweier (in 3c schematisch angedeuteter)
Laser 12, 12' erzeugt
werden, deren Strahlen 13, 13' in den Winkeln 26, 26' gegenüber der
Teilungsebene 8 auf die Lagerfläche 14 einfallen, und
die versetzt zueinander strichförmige
Kerbungsabschnitte 17d, 17d' erzeugen. Die Eindringtiefe 25d, 25d' der Kerbungsabschnitte 17d, 17d' ist in 3c stark überhöht dargestellt.
Wie sich herausgestellt hat, brauchen die Kerbungsabschnitte 17d, 17d' keine unterschiedliche
Winkelausrichtung 26, 26' aufweisen: Es genügt vielmehr,
wenn die Kerbungsabschnitte 17d, 17d' um denselben
Winkel 26 (der ≠ 0
sein muss) gegenüber
der Teilungsebene gekippt sind; dann entsteht beim Cracken des Pleuels
eine insgesamt gegenüber
der Teilungsebene 8 geneigte Bruchfläche.
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Selbstverständlich sind
neben den in den Figuren gezeigten Ausgestaltungen der Trennkerbe weitere
Gestaltungen möglich,
bei denen Variationen der Trennkerbe in bezug auf ihre Tiefe, ihre
Lage und ihre Ausrichtung in geeigneter Weise miteinander kombiniert
werden.