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Die Erfindung betrifft eine Welle aus einem Gusseisenwerkstoff mit mindestens einer Lagerstelle für ein Wälzlager, insbesondere Ausgleichswelle oder Kurbelwelle, insbesondere für eine Brennkraftmaschine, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Welle mit mindestens einer Lagerstelle für ein Wälzlager, wobei ein Gusseisenwerkstoff in eine Gussform eingefüllt wird, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6.
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Der aktuelle Trend zur Wälzlagerung von Wellen zur Reduzierung der Reibleistung und gleichzeitiger Gewichtsoptimierung in einer Brennkraftmaschine stellt an die Welle-Lager-Kontaktfläche hohe Anforderungen. Aktuelle Wälzlager-Konstruktionen besitzen keinen herkömmlichen Innen-Laufring für die Wälzlagerkörper sondern laufen direkt auf der Welle. An diesen Kontaktpunkten treten aufgrund der Hertzschen Pressung ernorme Belastungen und damit erhöhter Verschleiß auf. Deshalb werden an solche Lagerstellen hohe Anforderungen bzgl. Verschleißfestigkeit gestellt, was durch Härten auf durchschnittlich 62 HRC sichergestellt wird. Die Einheit ”HRC” bezeichnet hierbei eine Rockwellhärte, wie beispielsweise in der ISO 6508-1 bzw. DIN EN 10109 definiert. Beim Verfahren nach Skala C (Einheit HRC) wird ein kegelförmiger Prüfkörper aus Diamant mit einem Spitzenwinkel von 120° und einer abgerundeten Spitze mit einem Radius von 0,2 mm verwendet. Das ”C” steht dabei für das englische Wort ”cone” (Kegel). Dieses Prüfverfahren kommt vor allem bei sehr harten Werkstoffen zum Einsatz. Herkömmliche Gusseisenwerkstoffe lassen sich üblicherweise nur auf ca. 58 HRC bis maximal 60 HRC härten. Somit wird bei neueren wälzgelagerten Konstruktionen wieder Schmiedestahl eingesetzt und die Gusswellen (beispielsweise aus GJS-700-2: Gusseisen mit Kugelgraphit, auch Sphäroguss genannt; standardisierte Bezeichnung GJS, früher GGG: „globularer Grauguss” oder duktiles („schmiedbares”) Gusseisen (engl. ductile cast iron) besitzt als Werkstoff für Gussteile stahlähnliche mechanische Eigenschaften) durch Stahlwellen ersetzt (beispielsweise einen Stahl C56E2: unlegierter Wälzlagerstahl mit C 0,52 bis 0,60, Si max. bis 0,40, Mn 0,60 bis 0,90 gemäß beispielsweise Werkstoff-Nr. 1.1219, DIN 17230 oder ISO 683-17).
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Aus der
DE 10 2008 957 947 A1 ist eine Ausgleichswelle bekannt, die einstückig aus einem Gusseisen mit Kugelgraphit hergestellt ist. Die gesamte Ausgleichswelle einschließlich Lagerstellen, an der die Ausgleichswelle gelagert wird, ist nicht gehärtet.
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Aus der
DE 195 21 824 A1 ist eine Nockenwelle bekannt, bei der der Wellenkörper und die Nocken einstückig gegossen werden. Zum Verschleißschutz werden die Nocken an deren Lauffläche mit einer verschleißfesten Laufschicht versehen, die vor dem Gießvorgang in die Gießform eingelegt wird.
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Aus der
DE 10 2006 036 851 A1 ist eine gefügte Welle bekannt, auf der mindestens ein Funktionskörper aufgepresst und drehfest aufgelegt ist. Hierbei ist wenigstens eine Lagerstelle als Wälzlagerung ausgebildet, wobei auf der Welle wenigstens ein eingeteiltes, also in sich geschlossenes Element einer Wälzlagerung vorgesehen ist und die Welle mit dem wenigstens einen Element eines Wälzlagers eine vorgefertigte Baueinheit bildet. Die Wälzlagerungselemente, nämlich Wälzkörper mit ungeteiltem Käfig und ungeteiltem Außenring, sind auf der Welle montiert. wobei sich die Wälzkörper unmittelbar auf der Welle abwälzen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Welle der o. g. Art sowie ein Verfahren zu deren Herstellung der o. g. Art hinsichtlich der Herstellungskosten und der Lebensdauer der Welle sowie der Verluste aufgrund Lagerreibung zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Welle der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen und durch ein Verfahren der o. g. Art mit den in Anspruch 6 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
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Dazu ist es bei einer Welle der o. g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass an der Lagerstelle mindestes ein separates Lagerelement derart eingegossen ist, dass das Lagerelement eine Lauffläche für mindestens einen Wälzlagerkörper des Wälzlagers ausbildet, wobei das Lagerelement aus einem Stahlwerkstoff hergestellt ist.
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Dies hat den Vorteil, dass die Vorteile hinsichtlich Gestaltungsfreiheit, Gewicht und Herstellungskosten für ein Wellenbauteil aus Gusseisen mit Wälzlagerstellen aus Wälzlagerstahl mit einer reduzierten Reibleistung eines Wälzlagers mit Laufflächen aus einem Wälzlager-Stahlwerkstoff kombiniert ist.
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Eine besonders kostengünstige herstellbare Welle mit geringem Eigengewicht erzielt man dadurch, dass der Gusseisenwerkstoff GJS-700-2 ist.
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Ein besonders langlebiges und widerstandsfähiges Wälzlager erzielt man dadurch, dass der Stahlwerkstoff Chromstahl, insbesondere 100Cr6 gemäß der Werkstoffnummer 1.3505, oder ein unlegierter Wälzlagerstahl, insbesondere C56E2 gemäß der Werkstoffnummer 1.1219, ist.
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Zweckmäßigerweise ist das Wälzlager ein Volllager, Halblager, konisches Lager, mindestens teilweise hohl gegossenes Lager, Streben/Steg-Lager oder eine Kombination dieser.
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Eine zusätzliche Verdrehsicherung erzielt man dadurch, dass das separate Lagerelement derart eingegossen ist, dass das Lagerelement drehfest mit der Welle verbunden ist.
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Weiterhin ist es bei einem Verfahren der o. g. Art erfindungsgemäß vorgesehen. dass in der Gussform vor dem Einfüllen des Gusswerkstoffes im Bereich der Lagerstelle mindestes ein Lagerelement aus einem Stahlwerkstoff derart angeordnet wird, dass das Lagerelement eine Lauffläche für mindestens einen Wälzlagerkörper des Wälzlagers ausbildet.
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Dies hat den Vorteil, dass die Vorteile hinsichtlich Gestaltungsfreiheit, Gewicht und Herstellungskosten für ein Wellenbauteil mit Wälzlagerstellen mit einer reduzierten Reibleistung eines Wälzlagers mit Laufflächen aus einem Wälzlager-Stahlwerkstoff kombiniert ist.
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Eine besonders kostengünstig herstellbare Welle mit geringem Eigengewicht erzielt man dadurch, dass als Gusseisenwerkstoff GJS-700-2 verwendet wird.
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Ein besonders langlebiges und widerstandsfähiges Wälzlager erzielt man dadurch, dass als Stahlwerkstoff Chromstahl, insbesondere 100Cr6 gemäß der Werkstoffnummer 1.3505, oder ein unlegierter Wälzlagerstahl, insbesondere C56E2 gemäß der Werkstoffnummer 1.1219, verwendet wird.
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Eine zusätzliche Verdrehsicherung erzielt man dadurch, dass das Lagerelement verdrehfest mit der Welle verbunden wird.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in
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1 eine erste bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Welle ohne eingegossenes Lagerelement in schematischer Seitenansicht,
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2 das Lagerelement für die Welle gemäß 1 in Seitenansicht,
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3 das Lagerelement für die Welle gemäß 1 in Vorderansicht,
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4 die Welle gemäß 1 mit eingegossenem Lagerelement in schematischer Seitenansicht,
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5 eine zweite bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Welle ohne eingegossenes Lagerelement in schematischer Seitenansicht,
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6 das Lagerelement für die Welle gemäß 5 in Seitenansicht,
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7 das Lagerelement für die Welle gemäß 5 in Vorderansicht.
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8 die Welle gemäß 5 mit eingegossenem Lagerelement in schematischer Seitenansicht,
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9 eine dritte bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Welle ohne eingegossenes Lagerelement in schematischer Seitenansicht,
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10 das Lagerelement für die Welle gemäß 9 in Seitenansicht,
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11 das Lagerelement für die Welle gemäß 9 in Vorderansicht,
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12 die Welle gemäß 9 mit eingegossenem Lagerelement in schematischer Seitenansicht,
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13 eine vierte bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Welle ohne eingegossenes Lagerelement in schematischer Seitenansicht,
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14 das Lagerelement für die Welle gemäß 13 in Seitenansicht,
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15 das Lagerelement für die Welle gemäß 13 in Vorderansicht,
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16 die Welle gemäß 13 mit eingegossenem Lagerelement in schematischer Seitenansicht und
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17 eine alternative, beispielhafte Ausführungsform eines Lagerelementes für eine erfindungsgemäße Welle in perspektivischer Ansicht.
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Die mit den 1 bis 4 veranschaulichte, erste bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Welle 10 ist aus einem Gusseisenwerkstoff mit einem entsprechenden Gießverfahren und einer Gießform (nicht dargestellt) hergestellt. Die Welle weist eine Lagerstelle 12 auf. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in die Gießform vor dem Ausführen des Gießverfahrens ein Lagerelement 14 in Form eines Lagerringes, wie in 2 und 3 dargestellt, an derjenigen Stelle angeordnet, an der sich die Lagerstelle 12 befindet. Dieses Lagerelement 14 wird somit mit dem Gießverfahren formschlüssig mit dem Gusseisenwerkstoff der Welle 10 mechanisch verbunden. Mit anderen Worten wird das Lagerelement 14 in die Welle 10 mit eingegossen. Das Lagerelement 14 ist ein bezüglich des Gusswerkstoffes separates, vorgefertigtes Bauteil und aus einem anderen Werkstoff hergestellt, als Gusseisen. Das Lagerelement 14 ist aus einem Stahlwerkstoff, wie beispielsweise Wälzlager-Stahl oder unlegierter Wälzlager-Stahl, insbesondere 100Cr6 (Werkstoffnummer 1.3505) oder C56E2 (Werkstoffnummer 1.1219), hergestellt.
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Das Lagerelement 14 ist derart ausgebildet und angeordnet, dass es eine radial äußere Wandung der Welle 10 bildet, so dass die äußere Oberfläche des Lagerelementes 14 eine Lauffläche 16 für Wälzlagerkörper eines Wälzlagers zur Verfügung stellt. Da das Lagerelement 14 aus einem Stahlwerkstoff hergestellt ist, bietet es mit einer entsprechenden Nachbehandlung an seiner Lauffläche 16 eine höhere Härte, als der Gusswerkstoff, aus dem die Welle 10 hergestellt ist.
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Bei dieser ersten beispielhaften Ausführungsform gemäß der 1 bis 4 ist der Grundkörper der Welle 10 im Bereich der Lagerstelle 12 als Volllager ausgebildet.
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In den 5 bis 8 sind funktionsgleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wie in den 1 bis 4, so dass zu deren Erläuterung auf die obige Beschreibung der 1 bis 4 verwiesen wird. Die Beschreibung der 1 bis 4 gilt analog auch für die 5 bis 8. Bei der zweiten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Welle 10 gemäß der 5 bis 8 ist der einzige Unterschied zur ersten Ausführungsform gemäß der 1 bis 4, dass der Grundkbrper der Welle 10 im Bereich der Lagerstelle 12 als Halblager ausgebildet ist.
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In den 9 bis 12 sind funktionsgleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wie in den 1 bis 4, so dass zu deren Erläuterung auf die obige Beschreibung der 1 bis 4 verwiesen wird. Die Beschreibung der 1 bis 4 gilt analog auch für die 9 bis 12. Bei der dritten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Welle 10 gemäß der 9 bis 12 ist der einzige Unterschied zur ersten Ausführungsform gemäß der 1 bis 4, dass der Grundkörper der Welle 10 im Bereich der Lagerstelle 12 als Halblager mit Steg 18 ausgebildet ist.
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In den 13 bis 16 sind funktionsgleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wie in den 1 bis 4, so dass zu deren Erläuterung auf die obige Beschreibung der 1 bis 4 verwiesen wird. Die Beschreibung der 1 bis 4 gilt analog auch für die 13 bis 16. Bei der vierten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Welle 10 gemäß der 13 bis 16 ist der einzige Unterschied zur ersten Ausführungsform gemäß der 1 bis 4, dass das Lagerelement 14 im Längsschnitt trapezförmig ausgebildet ist. wie aus 14 ersichtlich. Hierdurch ragt das Lagerelement in axialer Richtung zusätzlich in den Gusseisenwerkstoff der Welle 10 hinein, wie aus 16 ersichtlich, so dass sich eine zusätzliche Sicherung des Lagerelementes 14 gegen ein unerwünschtes Verdrehen relativ zur Welle 10 ergibt.
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In 17 ist eine weitere alternative Ausführungsform für das Lagerelement 14 dargestellt. Diese Lagerelement 14 ist ringförmig ausgebildet und weist halbseitig Erweiterungen in axialer Richtung auf. Dies ragen analog zur vierten Ausführungsform gemäß 13 bis 16 neben der Lagerstelle 12 in axialer Richtung in den Gusseisenwerkstoff der Welle 10 hinein und sorgen hierdurch für eine zusätzliche Fixierung des Lagerelementes 14 an der Welle 10 auch hinsichtlich einer Verdrehsicherung für das Lagerelement 14 relativ zur Welle 10.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird beim Urformen (Giessen) der Welle 10 gleich an mindestens einer betroffenen Lagerstelle 12 ein vorpositionierter und in geeigneter Weise verdrehsicher gestalteter Lagerring 14 aus Stahl, beispielsweise 100Cr6 oder ähnlichem Werkstoff, eingegossen. Die Lauffläche 16 wird dann im folgenden Bearbeitungsprozess vorbearbeitet, gehärtet und geschliffen/poliert. Die Verdrehsicherheit des Ringes 14 wird durch diverse konstruktive Maßnahmen dargestellt, wie beispielsweise zuvor in Bezug auf 13 bis 17 beschrieben. Ebenso sind verschiedene Varianten des Eingießen vorgesehen. Der Ring 14 ist beispielsweise durch seine geometrische Form oder durch spezielle Formgebung der Kontaktfläche zum Guss (Rillen, Nuten, Vielzahn usw.) fixiert. Alternativ wird ein solcher Materialmix durch Reibschweißen hergestellt. Es sind auch verschiedene Arten der Lagerausführung vorgesehen: Volllager (1 bis 4), Halblager (5 bis 12), konisches Lager, Lager (teilweise) hohl gegossen, Streben/Steg oder Varianten, die mehrere Ausführungen kombinieren.
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Erfindungsgemäß wird bei der erfindungsgemäßen Welle ein Materialmix aus den Werkstoffen Gusseisen und Stahl (geschmiedet, gefräst und/oder gewalzt) bzw. Wälzlagerstahl verwendet, um die günstigen Eigenschaften von Gusseisen, wie Gestaltungsfreiheit beispielsweise hinsichtlich von Hohlräumen, geringeres Gewicht und günstige Herstellkosten, mit denen von klassischem Wälzlagerstahl, wie beispielsweise 100Cr6, hinsichtlich hoher Härte der Lauffläche 16 zu kombinieren.
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Das Lagerelement 14 ist dabei kein Gusselement, sondern wird mittels anderer Herstellungsverfahren als Gießen aus einem Stahlwerkstoff hergestellt. Hierzu gehört beispielsweise Schmieden, Walzen oder Fräsen. Dies erzielt besonders gute Härteeigenschaften an der die Lauffläche bildenden Oberfläche des Lagerelementes 14.
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Insgesamt wird eine hohe Verschleißfestigkeit der Lagerstellen 12 an gegossenen, wälzgelagerten Wellen bzw. Ausgleichswellen erzielt. Während der Stahlguss mittels Härten maximal eine Härte von 60 HRC, bei Wälzlagerungen maximal 62 HRC, erreicht, können mit der erfindungsgemäßen Welle und dem erfindungsgemäßen Verfahren Härten an der Lauffläche 16 bis zu 65 HRC erreicht werden.
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Bei den in 1 bis 17 dargestellten, beispielhaften Ausführungsformen bildet das eingegossenen Lagerelement 14 einen Innenring für ein Wälzlager aus. Dies ist jedoch lediglich beispielhaft. In einer alternativen Ausführungsform bildet das Lagerelement 14 mit einer radial inneren Oberfläche die Lauffläche 16 aus und somit stellt das Lagerelement 14 einen Außenring für ein Wälzlager zur Verfügung.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Welle
- 12
- Lagerstelle
- 14
- Lagerelement
- 16
- Lauffläche
- 18
- Steg
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008957947 A1 [0003]
- DE 19521824 A1 [0004]
- DE 102006036851 A1 [0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- ISO 6508-1 [0002]
- DIN EN 10109 [0002]
- DIN 17230 [0002]
- ISO 683-17 [0002]
