-
Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine
Brennkraftmaschine mit einer Lageranordnung gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem
ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Lageranordnung an
einem Zylinderkopf.
-
Aus
der
DE 100 26 216
B4 ist ein Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine
in Leichtbauweise mit zumindest einem in eine Außenstruktur
eingegossenen Eingussstück bekannt, wobei die Außenstruktur
und das Eingussstück aus verschiedenen Werkstoffen bestehen.
Um eine Gewichtsreduzierung zu erreichen, wird das Eingussstück
einstofflich mit einem Lagerbügel und zu einem Kurbelraum
hin freistehend ausgebildet, wobei der Lagerbügel durch
einen Bruch-Trennvorgang vom Eingussstück getrennt ist.
Das Eingussstück weist im Bereich eines Kurbelwellenlagers
eine zumindest teilweise mit dem Werkstoff der Außenstruktur
ausgegossene radiale Öffnung auf, in welcher ein Ölzuführkanal
angeordnet ist, der einen Ölverteilerkanal mit dem Kurbelwellenlager
verbindet.
-
-
In
heutigen Pkw-Motoren aber auch bei schweren Nutzfahrzeug-Motoren
werden die Nockenwellen in einem Aluminiumnockenwellenrahmen gelagert.
Bei manchen Motorvarianten ist aus Bauraumgründen eine
untere Hälfte des Nockenwellenrahmens funktional in den
Grauguss-Zylinderkopf integriert. Die obere Hälfte des
Nockenwellenrahmens dagegen besteht aus Aluminium-Druckguss und
wird auf den Zylinderkopf aufgeschraubt. Da der Zylinderkopf aus
Grauguss besteht, müssen hierbei je nach Ausführungsform
eine Vielzahl von Lagerschalen zur Lagerung der Nockenwelle eingebracht
werden. Dies führt zu erheblichen Mehraufwendungen in der
mechanischen Fertigung und Montage, welche insbesondere in der Vorbearbeitung
der Bohrung und dem Herstellen der Haltenuten für die Lagerschalen
begründet sind, sowie in der Montage der Lagerschalen selbst.
Neben diesen erhöhten Fertigungs- und Montagekosten fallen
auch Kosten für die Lagerschalen selbst an.
-
Die
vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem,
eine Lageranordnung für eine Nockenwelle in einem Zylinderkopf
einer Brennkraftmaschine fertigungstechnisch einfacher und dadurch kostengünstiger
herzustellen.
-
Erfindungsgemäß wird
dieses Problem durch die Gegenstände der unabhängigen
Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen
sind Gegenstand der abhängigen Unteransprüche.
-
Die
vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die Lageranordnung
aus einem zum Zylinderkopf unterschiedlichen Material, insbesondere
aus einer Leichtmetalllegierung, herzustellen und sie zugleich als
integralen Bestandteil des Zylinderkopfes auszubilden, so dass eine
bisher erforderliche und aufwendige Montage von separaten Lagerschalen
vermieden werden kann. Dies bedeutet, dass ein zum Zylinderkopf
gehöriger Teil der Lageranordnung, welcher üblicherweise
aus teilbaren Lagerschalen gebildet ist, direkter Bestandteil des Zylinderkopfes
ist.
-
Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen
Lösung ist der Zylinderkopf als Gussteil, insbesondere
als Graugussteil, ausgebildet, während die Lageranordnung
für die Nockenwelle aus einer Leichtmetalllegierung, insbesondere
aus einer Aluminiumlegierung, hergestellt ist. Bei einem als Gussteil
ausgebildeten Zylinderkopf, wie er bei großen und schweren
Motoren häufig zum Einsatz kommt, ist es für einen
störungsfreien Betrieb erforderlich, dass Lagerschalen
zum Einsatz kommen, welche einerseits eine erforderliche Verschleißfestigkeit
aufweisen und andererseits eine optimale Lagerung der Welle gewährleisten.
Bei herkömmlichen Brennkraftmaschinen wurde dies dadurch
gelöst, dass aus Aluminium beziehungsweise einer Aluminiumlegierung
bestehende Lagerschalen am Zylinderkopf angebaut werden oder die
Nockenwellen in einem Nockenwellenrahmen aus Aluminium(Legierungen)
laufen, in welchen später die Nockenwelle gelagert ist.
Durch die Ausbildung der Lageranordnung als integralen Bestandteil
des Zylinderkopfes können die aus einer Leichtmetalllegierung
bestehenden Lageranordnungen derart am Zylinderkopf angeordnet werden,
dass eine aufwendige und damit teure Montage von Lagerschalen vermieden
werden kann.
-
Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen
Lösung ist die Lageranordnung als aufgespritzte Lagerschicht,
insbesondere als eine mittels Laser-Draht-Spritzverfahren aufgespritzte Aluminiumschicht,
ausgebildet. Die Integration der Lageranordnung in den Zylinderkopf
mittels obengenanntem Laser-Draht-Spritzverfahren bietet den Vorteil,
dass hier nicht nur ein kraftschlüssiger Verbund zwischen
Zylinderkopf und Lageranordnung erzielt werden kann, sondern auch
ein stoffschlüssiger Verbund, wodurch eine besonders starke Verbindung der
Lagerschale mit dem Zylinderkopf gewährleistet werden kann.
-
Zweckmäßig
ist die Lageranordnung als in den Zylinderkopf eingepresster Lagerkörper
ausgebildet. Hierbei ist denkbar, dass ein, vorzugsweise aus Aluminium
ausgebildeter Lagerkörper, unter Druck in eine entsprechende Öffnung
am Zylinderkopf eingedrückt beziehungsweise eingepresst
wird. Denkbar ist auch, dass ein derartiger Lagerkörper
unter Zuhilfenahme eines thermischen Fügeverfahrens fest
mit dem Zylinderkopf verbunden wird. Ein derartiges thermisches
Fügeverfahren kann beispielsweise ein Abkühlen
des einzupressenden Lagerkörpers oder ein Erwärmen
des Zylinderkopfes unmittelbar vor dem Fügevorgang beinhalten,
wodurch sich aufgrund der Temperaturänderungen negative
Temperaturdehnungen am Lagerkörper und positive Dehnungen
am Zylinderkopf einstellen, welche sich nach dem Einpressen des
Lagerkörpers in den Zylinderkopf aufgrund der sich angleichenden
Temperaturen wieder abschwächen, so dass sich beispielsweise der
abgekühlte Lagerkörper nach dem Einpressen in der Öffnung
des Zylinderkopfes ausdehnt und dadurch gegen diese verspannt.
-
Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen
Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
-
Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils
angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder
in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden
Erfindung zu verlassen.
-
Bevorzugte
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen
dargestellt und werden in der nachfolgenden Be schreibung näher
erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche
oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
-
Es
zeigen, jeweils schematisch:
-
1 eine
Schnittdarstellung durch einen Zylinderkopf mit zwei Lageranordnungen
für jeweils eine Nockenwelle, wobei eine der Lageranordnungen
als Inlay ausgebildet ist,
-
2 eine
perspektivische Ansicht auf eine erfindungsgemäße
Lageranordnung, welche als aufgebrachte Lagerschicht ausgebildet
ist,
-
3 eine
Ansicht von oben auf ein Nockenwellenlager, wobei eine Lageranordnung
als eingepresster Lagerkörper ausgebildet ist.
-
Entsprechend 1 weit
ein Zylinderkopf 1 zwei obenliegende Nockenwellenlager 2 und 2' auf, welche
einstückig, insbesondere einstofflich, mit dem Zylinderkopf 1 ausgebildet
sind. Dabei zeigen die in der 1 dargestellten
Nockenwellenlager 2 und 2' lediglich jeweils eine
untere Nockenwellenlagerhälfte, welche durch eine jeweils
obere, nicht gezeigte, Nockenwellenlagerhälfte ergänzt
wird. Die obere Nockenwellenlagerhälfte kann beispielsweise
als Nockenwellenlagerrahmen, insbesondere aus Aluminium, ausgebildet
sein. Der gemäß 1 dargestellte Zylinderkopf 1 steht
dabei stellvertretend für einen Zylinderkopf eines Personenkraftwagens
oder aber auch eines schweren Fahrzeuges.
-
Insbesondere
bei Nutzfahrzeugmotoren sind die unteren Nockenwellenlagerhälften,
also beispielsweise die untere Hälfte des Nockenwellenlagerrahmens,
funktional in den Zylinderkopf 1 integriert, während
die oberen Nockenwellenlagerhälften nach der Montage der
Nockenwellen aufgeschraubt werden. Erfindungsgemäß bildet
die Lageranordnung 2, 2' einen integralen Bestandteil
des Zylinderkopfes 1 und ist aus einem zum Zylinderkopf 1 unterschiedlichen
Material, insbesondere aus einer Leichtmetalllegierung, hergestellt.
Der Zylinderkopf 1 selbst ist üblicherweise als
Gussteil, insbesondere als Graugussteil, ausgebildet. Für
die für die Lageranordnung 2, 2' verwendete
Leichtmetalllegierung kommt insbesondere eine Aluminiumlegierung
in Betracht.
-
Um
eine möglichst zuverlässige Verbindung zwischen
der Lageranordnung 2, 2' und dem Zylinderkopf 1 gewährleisten
zu können, sind die Lageranordnung 2, 2' und
der Zylinderkopf 1 kraft- und/oder form- und/oder stoffschlüssig
miteinander verbunden. Prinzipiell sind dabei vier unterschiedliche
Ausbildungsformen der Lageranordnungen 2, 2' beziehungsweise
der Verbindungen zwischen den Lageranordnungen 2, 2' und
dem Zylinderkopf 1 möglich.
-
Eine
erste mögliche Verbindung beziehungsweise Ausführungsform
der Lageranordnung 2, 2' besteht darin, dass die
Lageranordnung 2, 2' als in den Zylinderkopf 1 integriertes
Inlay 3, insbesondere als Aluminium-Inlay, ausgebildet
ist. Ein derartiges Inlay 3 ist gemäß 1 für
die linke Lageranordnung 2 dargestellt. Ein Vorbereiten
des Zylinderkopfes 1 erfolgt dabei insbesondere durch spanabhebende Verfahren,
wie beispielsweise dem Räumen, während eine Fixierung
des Inlays 3 am Zylinderkopf 1 beispielsweise über
nicht dargestellte Fixierelemente erfolgt, insbesondere über
Fixierstifte, welche in zugehörige Fixierhülsen
am Zylinderkopf 1 eingreifen.
-
Eine
weitere Ausbildungsform der Lageranordnung kann beispielsweise darin
bestehen, dass die Lageranordnung 2' als aufgespritzte
Lagerschicht 4 ausgebildet ist, wie dies beispielsweise
an der Lagerordnung 2' gemäß 1 dargestellt
ist. Das Aufspritzen der Lagerschicht 4 kann dabei beispielsweise
mittels Laser-Draht-Spritzverfahren oder Kaltgasspritzen erfolgen.
Die Lagerschicht 4 ist ebenfalls vorzugsweise eine Leichtmetalllegierung,
insbesondere eine Aluminiumlegierung. Wie in 1 dargestellt
ist, wird die Lagerschicht 4 beispielsweise mittels eines
Lasers 5 aufgebracht.
-
Bei
einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Lageranordnung 2 kann diese als aufgebrachte Lagerschicht 4',
wie dies beispielsweise in 2 dargestellt
ist, ausgebildet sein. Die Lagerschicht 4' ist dabei ebenfalls
vorzugsweise aus einer Leichtmetalllegierung, insbesondere aus einer Aluminiumlegierung,
ausgebildet. Die Lagerschicht 4' kann beispielsweise in
der Art eines dünnen Blechstreifens ausgebildet sein, welcher
beispielsweise durch ein Hochdruck-Umformverfahren um die Struktur
des Zylinderkopfes 1, insbesondere um eine Grauguss-Struktur
herumgepresst wird, so dass dadurch die Geometrie der Lageranordnung 2, 2' entsteht.
-
Bei
der Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Lageranordnung 2, 2' gemäß der 3 ist
die Lageranordnung 2 als Lagerkörper 6 ausgebildet, welcher
in den Zylinderkopf 1 eingepresst ist beziehungsweise wird.
Der Lagerkörper 6 kann dabei beispielsweise als
Aluminiumblock ausgebildet sein.
-
Sowohl
bei der Ausführungsform der Lageranordnung 2, 2' als
Inlay 3 (vgl. 1) als auch als Lagerkörper 6 (vgl. 3)
können auch thermische Fügeverfahren zur Verbindung
der Lageranordnung 2, 2' mit dem Zylinderkopf 1 eingesetzt
werden. So ist beispielsweise denkbar, dass das Inlay 3 beziehungsweise
der Lagerkörper 6 vor dem Einpressen beziehungsweise
vor der Montage stark abgekühlt wird, wodurch dieser sich
zusammenzieht.
-
Ebenfalls
denkbar ist, dass der Zylinderkopf 1 vor der Montage des
Inlays 3 beziehungsweise des Lagerblockes 6 erwärmt
wird, so dass sich eine vorbereitete Ausnehmung zur Aufnahme des
Inlays 3 beziehungsweise des Lagerblocks 6 hinsichtlicht
ihrer Abmessungen ausdehnt. Nach dem Fügen beziehungsweise
Einpressen erfolgt ein Temperaturausgleich, bei welchem sich das
Inlay 3 beziehungsweise der Lagerblock 6 aufgrund
der dann einsetzenden Erwärmung ausdehnt, während
sich der Zylinderblock 1 aufgrund der dann einsetzenden
Abkühlung zusammenzieht. Hierdurch kann eine besonders
zuverlässige Verbindung zwischen der Lageranordnung 2, 2' und
dem Zylinderkopf 1 hergestellt werden. Selbstverständlich
ist auch vorstellbar, dass das Einpressen dese Lagerkörpers 6 in
die zugehörige Ausnehmung am Zylinderkopf 1 bei
Raumtemperatur, das heißt ohne Zuhilfenahme thermischer
Fügeprozesse erfolgt.
-
Zusammenfassend
lassen sich die wesentlichen Merkmale der erfindungsgemäßen
Lösung wie folgt charakterisieren:
Die Erfindung sieht
vor, eine Lageranordnung 2, 2' für eine
Nockenwelle, insbesondere einen unteren Nockenwellenlagerteil, welcher
derzeit als Gussteil, insbesondere als Graugussteil, ausgebildet
ist, durch eine Leichtmetalllegierung, insbesondere durch Aluminium
zu substituieren. Hierdurch kann ein aufwendiger Montageprozess
von Lagerschalen sowie ein gegebenenfalls erforderliches aufwendiges
Vorbereiten des Zylinderkopfes 1 zur Montage der Lagerschalen
entfallen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 10026216
B4 [0002]
- - DE 3404866 C1 [0003]
- - DE 19640719 C1 [0003]