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Die Erfindung betrifft ein Lagergehäuse eines Nockenwellenlagers einer Brennkraftmaschine. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Nockenwellenlager mit einem derartigen Lagergehäuse und ein Verfahren zur Herstellung eines Lagergehäuses.
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Die Lagerung von Nockenwellen von Brennkraftmaschinen erfolgt in der Regel mittels Gleitlagern. Geeignete Gleitlager sind kostengünstig verfügbar und sehr einfach aufgebaut. Außerdem benötigen Gleitlager vergleichsweise wenig Bauraum, der bei einer Brennkraftmaschine meist nur in sehr begrenztem Maß verfügbar ist.
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Angesichts der stetigen Verknappung von Rohstoffen und den steigenden Anforderungen an die Umweltverträglichkeit gewinnen allerdings auch andere Aspekte an Bedeutung, wie beispielsweise der Einfluss der Lagerung der Nockenwelle auf das Emissionsverhalten und den Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, die Lagerung einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine so auszubilden, dass auf die Lagerung ein möglichst geringer Beitrag zum Emissionsverhalten und zum Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine zurückzuführen ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Lagergehäuse eines Nockenwellenlagers mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Das erfindungsgemäße Lagergehäuse eines Nockenwellenlagers einer Brennkraftmaschine ist aus einem Stahlwerkstoff gefertigt und weist eine Bohrung auf. In der Bohrung ist eine Wälzkörperlaufbahn einteilig mit dem Lagergehäuse ausgebildet.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass damit eine sehr reibungsarme Lagerung der Nockenwelle möglich ist und lediglich eine geringe Menge Schmiermittel benötigt wird. Beides trägt dazu bei, dass die Lagerung der Nockenwelle lediglich in einem sehr geringen Ausmaß zum Kraftstoffverbrauch und somit auch zur Schadstoffemission beiträgt. Zudem kann der Verschleiß des Nockenwellenlagers gering gehalten werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch die einteilige Ausbildung der Wälzkörperlaufbahn mit dem Lagergehäuse kein separater Außenring benötigt wird. Dies führt im Vergleich zu einem Nockenwellenlager mit einem separaten Außenring zu einer erheblichen Reduzierung des in radialer Richtung benötigten Bauraums. Außerdem ist ein fester Sitz der Wälzkörperlaufbahn gewährleistet und es ist eine hohe Maßhaltigkeit erzielbar. Dies ermöglicht wiederum eine präzise Einstellung der Lagerluft oder der Lagervorspannung und eine hohe Lebensdauer des Nockenwellenlagers. Außerdem kann eine Dauerhaltbarkeit des Nockenwellenlagers bei einer Brennkraftmaschine mit Start/Stop-Funktion und bei einer Hybrid-Brennkraftmaschine gewährleistet werden. Ebenso ist es vorteilhaft, dass das Lagergehäuse problemlos so abgewandelt werden kann, dass es zwei Wälzkörperlaufbahnen aufweist.
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Bei dem Stahlwerkstoff kann es sich insbesondere um einen Wälzlagerstahl handeln. Das Lagergehäuse kann wenigstens im Bereich der Wälzkörperlaufbahn gehärtet sein.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Lagergehäuse einteilig ausgebildet ist. Dies ermöglicht eine besonders kompakte Bauweise, eine hohe Stabilität und eine einfache Montage des Lagergehäuses.
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Weiterhin kann das Lagergehäuse wenigstens ein Befestigungsloch zur Aufnahme eines Befestigungselements aufweisen. Damit lässt sich eine zuverlässige Befestigung des Lagergehäuses an der Brennkraftmaschine realisieren. Zudem kann das Lagergehäuse wenigstens eine Montagefläche zur definierten Positionierung des Lagergehäuses in einer Einbauumgebung aufweisen. Dies erleichtert eine präzise Positionierung bei der Montage des Nockenwellenlagers. Beispielsweise kann die Montagefläche als eine ebene Fläche ausgebildet sein.
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Das Lagergehäuse kann insbesondere für den Einbau in eine Brennkraftmaschine ausgelegt sein, die einen Zylinderkopf aus Grauguss oder Stahlguss aufweist. Da Stahlwerkstoffe in der Regel eine ähnliche thermische Ausdehnung wie Grauguss oder Stahlguss aufweisen, können auf diese Weise Probleme, die durch Temperaturschwankungen hervorgerufen werden, verringert oder ganz beseitigt werden. Durch die Wahl des Stahlwerkstoffs können dabei Detailanpassungen vorgenommen werden. Beispielsweise kann das Lagergehäuse für den Einbau in eine Brennkraftmaschine eines Nutzfahrzeugs mit hoher Laufleistung, insbesondere eines Lkws, ausgelegt sein. Ein Einsatz bei Pkws ist aber auch denkbar.
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Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Nockenwellenlager, das ein erfindungsgemäß ausgebildetes Lagergehäuse aufweist.
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Außerdem bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines Lagergehäuses. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird ein strangförmiges Halbzeug aus einem Stahlwerkstoff hergestellt, das Lagergehäuse von dem strangförmigen Halbzeug abgetrennt, vor oder nach dem Abtrennen des Lagergehäuses eine Bohrung im Lagergehäuse ausgebildet und in der Bohrung des Lagergehäuses eine Wälzkörperlaufbahn einteilig mit dem Lagergehäuse ausgebildet.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass es eine kostengünstige Realisierung eines Lagergehäuses ermöglicht. Dies beruht insbesondere darauf, dass das strangförmige Halbzeug sehr effizient hergestellt werden kann und durch den Einsatz des strangförmigen Halbzeugs viele Einzelbearbeitungsschritte entfallen. Insbesondere kann die Außenkontur der Querschnittsfläche des strangförmigen Halbzeugs so ausgebildet werden, dass sie mit der Außenkontur der Querschnittsfläche des Lagergehäuses übereinstimmt. Dadurch können formgebende Bearbeitungsschritte an den einzelnen Lagergehäusen weitgehend entfallen. Das strangförmige Halbzeug kann beispielsweise durch Warmwalzen oder Warmstrangpressen hergestellt werden. Dabei eignet sich das Warmwalzen insbesondere für eine Großserienfertigung mit hohen Stückzahlen. Das Warmstrangpressen ist insbesondere für kleinere Stückzahlen geeignet.
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Das Lagergehäuse kann wenigstens im Bereich der Wälzkörperlaufbahn gehärtet werden. Dadurch kann eine hohe Verschleißfestigkeit erreicht werden. Insbesondere kann das Lagergehäuse induktiv gehärtet werden. Dies ermöglicht eine selektive Härtung im Bereich der Wälzkörperlaufbahn, bei der die Eigenschaften des Materials im Volumen weitgehend erhalten bleiben. Weiterhin kann das Lagergehäuse wenigstens im Bereich der Wälzkörperlaufbahn geschliffen und/oder gehont werden. Durch das Schleifen kann eine gewünschte Laufbahnform mit hoher Präzision ausgebildet werden und es können Härteverzüge beseitigt werden. Durch das Honen kann die Oberflächenrauhigkeit reduziert werden.
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Im Lagergehäuse kann wenigstens ein Befestigungsloch zur Aufnahme eines Befestigungselements ausgebildet werden. Dadurch wird die Möglichkeit geschaffen eine mechanisch hoch belastbare Verbindung zwischen dem Lagergehäuse und der Brennkraftmaschine auszubilden. Weiterhin kann am Lagergehäuse wenigstens eine Montagefläche zur definierten Positionierung des Lagergehäuses in einer Einbauumgebung ausgebildet werden. Eine derartige Montagefläche erleichtert die Positionierung des Lagergehäuses erheblich. Die Montagefläche wird vorzugsweise als eine ebene Fläche ausgebildet. Das Lagergehäuse kann im Bereich der Montagefläche geschliffen werden. Dies ermöglicht eine besonders präzise Ausbildung der Montagefläche.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.
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Es zeigen
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1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgebildeten Nockenwellenlagers im eingebauten Zustand in einer schematischen Schnittdarstellung,
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2, 3, 4 Momentaufnahmen verschiedener Verfahrensschritte während der Herstellung des Lagergehäuses gemäß einer ersten Verfahrensvariante in einer schematischen Perspektivdarstellung und
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5, 6, 7 Momentaufnahmen verschiedener Verfahrensschritte während der Herstellung des Lagergehäuses gemäß einer zweiten Verfahrensvariante in einer schematischen Perspektivdarstellung.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgebildeten Nockenwellenlagers 1 im eingebauten Zustand in einer schematischen Schnittdarstellung.
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Das Nockenwellenlager 1 weist ein Lagergehäuse 2 mit einer Bohrung 3 und Befestigungslöchern 4 auf. Das Lagergehäuse 2 ist einteilig ausgebildet und aus einem Stahlwerkstoff, beispielsweise aus Wälzkörperstahl gefertigt. In der Bohrung 3 des Lagergehäuses 2 ist eine Wälzkörperlaufbahn 5 ausgebildet. Das Lagergehäuse 2 kann vollständig oder lediglich im Bereich der Wälzkörperlaufbahn 5 gehärtet sein. Weiterhin kann die Wälzkörperlaufbahn 5 geschliffen und/oder gehont sein.
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Auf der Wälzkörperlaufbahn 5 des Lagergehäuses 2 rollen Wälzkörper 6 ab, die in einem Käfig 7 geführt werden. Die Wälzkörper 6 können beispielsweise als Zylinderrollen, Tonnenrollen, Kugeln usw. ausgebildet sein und rollen weiterhin auf einer Wälzkörperlaufbahn 8 einer Nockenwelle 9 ab, die durch das Nockenwellenlager 1 drehbar gelagert ist.
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Durch die Befestigungslöcher 4 des Lagergehäuses 2 sind als Schrauben ausgebildete Befestigungselemente 10 hindurchgeführt und in Gewindebohrungen 11 eingeschraubt, die in einem Zylinderkopf 12 einer Brennkraftmaschine ausgebildet sind. Die Brennkraftmaschine kann beispielsweise in einen Lastkraftwagen eingebaut oder als ein sonstiger Großmotor ausgebildet sein. Der Zylinderkopf 12 ist aus Grauguss oder Stahlguss gefertigt und weist in dem Bereich, in dem das Lagergehäuse 2 am Zylinderkopf 12 befestigt ist eine eben ausgebildete Anlagefläche 13 auf. Das Lagergehäuse 2 weist eine Montagefläche 14 auf, die an der Anlagefläche 13 des Zylinderkopfs 12 anliegt. Durch eine präzise Ausbildung der Anlagefläche 13 des Zylinderkopfs 12 und der Montagefläche 14 des Lagergehäuses 2 kann erreicht werden, dass das Lagergehäuse 2 eine definierte Position relativ zum Zylinderkopf 12 aufweist. Da das Graugussmaterial bzw. das Stahlgussmaterial des Zylinderkopfs 12 und der Stahlwerkstoff des Lagergehäuses 2 nahezu den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, führen Temperaturänderungen lediglich zur Ausbildung geringer mechanischer Spannungen. Durch den Einsatz eines auf das Graugussmaterial bzw. das Stahlgussmaterial des Zylinderkopfs 12 abgestimmten Stahlwerkstoffs des Lagergehäuses 2 kann die Entstehung thermisch bedingter mechanischer Spannungen nahezu vollständig verhindert werden.
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Das Lagergehäuse 2 kann auch so abgewandelt werden, dass es zwei Wälzkörperlaufbahnen 5 aufweist.
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Die Herstellung des Lagergehäuses 2 wird im Folgenden anhand der 2 bis 7 näher erläutert.
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Die 2 bis 4 zeigen Momentaufnahmen verschiedener Verfahrensschritte während der Herstellung des Lagergehäuses 2 gemäß einer ersten Verfahrensvariante in einer schematischen Perspektivdarstellung.
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Bei der ersten Verfahrensvariante wird zunächst durch Warmstrangpressen ein strangförmiges Halbzeug 15 hergestellt, das in 2 abgebildet ist. Beim Warmstrangpressen wird der Stahlwerkstoff erwärmt, um die Umformung zu erleichtern und dann durch eine nicht figürlich dargestellte Matrize gepresst. Die Matrize gibt die Kontur der Querschnittsfläche des Halbzeugs 15 vor. Demgemäß wird durch die Matrize sowohl die äußere Form des Halbzeugs 15 erzeugt als auch die Bohrung 3 ausgebildet. Das Warmstrangstrangpressen eignet sich insbesondere zur Herstellung kleinerer Stückzahlen, da der apparative Aufwand nicht sehr groß ist. Allerdings wird die Matrize stark beansprucht und unterliegt deshalb einem relativ hohen Verschleiß, so dass eine Großserienfertigung in vielen Fällen unwirtschaftlich ist.
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In einem nächsten Verfahrensschritt werden vom strangförmigen Halbzeug 15 einzelne Lagergehäuse 2 abgetrennt. Ein auf diese Weise hergestelltes, noch nicht fertig bearbeitetes Lagergehäuse 2 ist in 3 dargestellt. Welches Verfahren für das Abtrennen des Lagergehäuses 2 vom Halbzeug 15 eingesetzte wird, hängt beispielsweise davon ab, wie groß die Querschnittsfläche des Halbzeugs 15 ist, wie präzise das Abtrennen erfolgen soll usw. Beispielsweise kann ein Abscheren mit einem Stanzwerkzeug durchgeführt werden. Ebenso kann das Abtrennen durch Sägen, durch Schneiden mit einem Laserstrahl usw. erfolgen.
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In weiteren Bearbeitungsschritten werden die Befestigungslöcher 4 gebohrt, die Wälzkörperlaufbahn 5 des Lagergehäuses 2 gehärtet, die Wälzkörperlaufbahn 5 des Lagergehäuses 2 und die Montagefläche 14 geschliffen und die Wälzkörperlaufbahn 5 des Lagergehäuses 2 gehont. Beim Schleifen der Wälzkörperlaufbahn 5 des Lagergehäuses 2 und/oder der Montagefläche 14 wird darauf geachtet, dass ein vorgegebenes Maß für die Position der Wälzkörperlaufbahn 5 des Lagergehäuses 2 und der Montagefläche 14 relativ zueinander eingehalten wird. Damit ist der in 4 dargestellte fertig bearbeitete Zustand des Lagergehäuses 2 erreicht.
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Die 5 bis 7 zeigen Momentaufnahmen verschiedener Verfahrensschritte während der Herstellung des Lagergehäuses 2 gemäß einer zweiten Verfahrensvariante in einer schematischen Perspektivdarstellung.
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Auch bei der zweiten Verfahrensvariante wird zunächst ein strangförmiges Halbzeug 15 hergestellt, das in 5 abgebildet ist. Im Gegensatz zur ersten Verfahrensvariante erfolgt die Herstellung des Halbzeugs 15 allerdings nicht durch Warmstrangpressen, sondern durch Warmwalzen. Beim Warmwalzen wird der Stahlwerkstoff ebenfalls erwärmt, um die Umformung zu erleichtern. Für die Umformung wird allerdings keine Matrize verwendet. Stattdessen werden nicht figürlich dargestellte rotierende Walzen gegen das Halbzeug 15 gepresst und die Außenkontur der Querschnittsfläche des Halbzeugs 15 insbesondere durch die Form der Walzen und die Höhe des Anpressdrucks festgelegt. Demgemäß wird beim Warmwalzen lediglich die äußere Form des Halbzeugs 15 beeinflusst und im Gegensatz zum Warmstrangpressen wird keine Bohrung 3 ausgebildet. Da der Werkzeugverschleiß beim Warmwalzen relativ gering ist und ein vergleichsweise aufwendiges Werkzeug benötigt wird, eignet sich das Warmwalzen insbesondere zur Großserienfertigung.
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In einem nächsten Verfahrensschritt werden vom strangförmigen Halbzeug 15 einzelne Lagergehäuse 2 abgetrennt. Dieses Abtrennen kann auf analoge Weise erfolgen wie bei der ersten Verfahrensvariante. Ein auf diese Weise hergestelltes, noch nicht fertig bearbeitetes Lagergehäuse 2 ist in 6 dargestellt.
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In weiteren Bearbeitungsschritten werden die Bohrung 3 und die Befestigungslöcher 4 im Lagergehäuse 2 ausgebildet, die Wälzkörperlaufbahn 5 des Lagergehäuses 2 gehärtet, die Wälzkörperlaufbahn 5 des Lagergehäuses 2 und die Montagefläche 14 geschliffen und die Wälzkörperlaufbahn 5 des Lagergehäuses 2 gehont. Beim Schleifen der Wälzkörperlaufbahn 5 des Lagergehäuses 2 und/oder der Montagefläche 14 wird wiederum darauf geachtet, dass ein vorgegebenes Maß für die Position der Wälzkörperlaufbahn 5 des Lagergehäuses 2 und der Montagefläche 14 relativ zueinander eingehalten wird. Damit ist der in 7 dargestellte fertig bearbeitete Zustand des Lagergehäuses 2 erreicht. Das in 7 dargestellte Lagergehäuse 2 ist in analoger Weise wie das Lagergehäuse 2 der 4 ausgebildet. Allerdings kann die Oberfläche der Lagergehäuse 2 infolge der unterschiedlichen Bearbeitungsverfahren unterschiedliche Bearbeitungsspuren aufweisen. Außerdem kann das Materialgefüge der in den 4 und 7 dargestellten Lagergehäuse 2 unterschiedlich ausgebildet sein.
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Die Montage der Nockenwelle 9 kann unabhängig vom Herstellungsprozess des Lagergehäuses 2 auf folgende Weise erfolgen:
Zunächst werden die Nockenwellenlager 1 zusammengebaut, indem die Lagergehäuse 2 jeweils mit einem Käfig 7 und mit Wälzkörpern 6 bestückt werden. Dann werden die Nockenwellenlager 1 auf die Nockenwelle 9 aufgefädelt. Diese Verfahrensschritte können wahlweise im Rahmen eines zusammenhängenden Fertigungsprozesses oder im Rahmen mehrerer separater Einzelprozesse durchgeführt werden. Dies bedeutet, dass als Ausgangsprodukte für den im Folgenden noch naher beschriebenen Montageprozess wahlweise die Einzelkomponenten der Nockenwellenlager 1 oder die bereits zusammengebauten Nockenwellenlager 1 eingesetzt werden können. Ebenso ist es auch möglich, den Montageprozess mit der bereits mit den Nockenwellenlagern 1 bestückten Nockenwelle 9 als Ausgangsprodukt zu beginnen.
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Zur Montage der Nockenwelle 9 wird die mit einer vorgegebenen Zahl von Nockenwellenlagern 1 bestückte Nockenwelle 9 an einer dafür vorgesehenen Stelle des Zylinderkopfs 12 angeordnet. Dann werden die Montageflächen 14 der Lagergehäuse 2 an den Anlageflächen 13 des Zylinderkopfs 12 derart zur Anlage gebracht, dass die Befestigungslöcher 4 der Lagergehäuse 2 jeweils mit den Gewindebohrungen 11 des Zylinderkopfs 12 fluchten. In dieser Position werden die Befestigungselemente 10 durch die Befestigungslöcher 4 der Lagergehäuse 2 hindurch geführt und in die Gewindebohrungen 11 des Zylinderkopfs 12 eingeschraubt. Damit ist die Nockenwelle 1 fertig montiert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Nockenwellenlager
- 2
- Lagergehäuse
- 3
- Bohrung
- 4
- Befestigungsloch
- 5
- Wälzkörperlaufbahn
- 6
- Wälzkörper
- 7
- Käfig
- 8
- Wälzkörperlaufbahn
- 9
- Nockenwelle
- 10
- Befestigungselement
- 11
- Gewindebohrung
- 12
- Zylinderkopf
- 13
- Anlagefläche
- 14
- Montagefläche
- 15
- Halbzeug
