DE102010051680A1 - Bearing unit used for crankshaft of lifting cylinder machine, is obtained from steel containing specified amount of carbon - Google Patents

Bearing unit used for crankshaft of lifting cylinder machine, is obtained from steel containing specified amount of carbon Download PDF

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    • F16C9/02—Crankshaft bearings

Abstract

A bearing unit is obtained from steel containing 0.5-0.9 weight% of carbon.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lagereinrichtung, insbesondere einen Lagerbock, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.The invention relates to a bearing device, in particular a bearing block, according to the preamble of claim 1.

Aus dem Serienbau von Kraftwagen sind derartige Lagereinrichtungen für eine Kurbelwelle einer Hubkolbenmaschine bekannt. Sie werden beispielsweise aus Eisengusswerkstoffen hergestellt und stellen Lagerstellen bereit, um die Kurbelwelle zu lagern. Es hat sich gezeigt, dass eine Hubkolbenmaschine mit einer solchen Lagereinrichtung Reibungsverluste aufweist, welche insbesondere aus der Gleitlagerung der Kurbelwelle an der entsprechenden Lagereinrichtung resultieren. Diese Reibverluste führen zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch.From the mass production of cars such storage facilities for a crankshaft of a reciprocating engine are known. They are made, for example, from cast iron materials and provide bearings to support the crankshaft. It has been found that a reciprocating engine having such a bearing device has friction losses, which in particular result from the sliding bearing of the crankshaft on the corresponding bearing device. These friction losses lead to increased fuel consumption.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lagereinrichtung, insbesondere einen Lagerbock, für eine Kurbelwelle einer Hubkolbenmaschine bereitzustellen, welche eine verbesserte Lagerung der Kurbelwelle, bevorzugt eine Wälzlagerung der Kurbelwelle ermöglicht.It is therefore an object of the present invention to provide a bearing device, in particular a bearing block, for a crankshaft of a reciprocating engine, which allows an improved bearing of the crankshaft, preferably a rolling bearing of the crankshaft.

Diese Aufgabe wird durch eine Lagereinrichtung, insbesondere einen Lagerbock, für eine Kurbelwelle einer Hubkolbenmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a bearing device, in particular a bearing block, for a crankshaft of a reciprocating engine having the features of patent claim 1. Advantageous embodiments with expedient and non-trivial developments of the invention are specified in the dependent claims.

Die Erfindung betrifft eine Lagereinrichtung, insbesondere einen Lagerbock, für eine Kurbelwelle einer Hubkolbenmaschine, welche zumindest eine Lagerstelle zur Lagerung der Kurbelwelle aufweist, und welche zumindest im Wesentlichen aus einem Stahl ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Lagereinrichtung zumindest bereichsweise aus einem Stahl ausgebildet ist, welcher im Wesentlichen einen Kohlenstoffgehalt in einem Bereich von einschließlich 0,5 Gewichtsprozent (Gew.-%) bis einschließlich 0,9 Gew.-% aufweist.The invention relates to a bearing device, in particular a bearing block, for a crankshaft of a reciprocating engine, which has at least one bearing point for supporting the crankshaft, and which is formed at least substantially of a steel. According to the invention, it is provided that the bearing device is at least partially made of a steel which essentially has a carbon content in a range of from 0.5% by weight (wt .-%) to 0.9 wt .-% inclusive.

Eine Möglichkeit ist auch die Verwendung eines Stahles bei dem zumindest im Bereich der späteren Lagerstelle der lokale Kohlenstoffgehalt durch einen Aufkohlungsprozess auf einen Wert zwischen einschließlich 0,5 Gew.-% und einschließlich 0,9 Gew.-% eingestellt wurde. Der Kohlenstoffgehalt von 0,5 Gew.-% bis einschließlich 0,9 Gew.-% an den Lagerstellen ist somit durch einen Aufkohlungsprozess der Lagereinrichtung aus einem Stahl mit einem Grundkohlenstoffgehalt von kleiner 0,5 Gew.-% eingestellt.One possibility is also the use of a steel in which, at least in the area of the subsequent storage site, the local carbon content was adjusted by a carburizing process to a value of between 0.5% by weight and 0.9% by weight inclusive. The carbon content of 0.5% by weight to 0.9% by weight inclusive at the bearing points is thus set by a carburization process of the bearing device made of a steel with a base carbon content of less than 0.5 wt .-%.

Ein besonders geeigneter Stahl, ist der Stahl mit der Bezeichnung C56E2, welcher hinsichtlich der Wälzbeständigkeit sehr günstige Eigenschaften aufweist.A particularly suitable steel, the steel is called C56E2, which has very favorable properties in terms of rolling resistance.

Der Kohlenstoffgehalt im Bereich der späteren Lagerstelle(n) ermöglicht ein zumindest örtliches Härten der Lagereinrichtung, so dass diese in den gehärteten Bereichen besonders hohe Ermüdungsbeständigkeit und damit besonders gute Eigenschaften zur Lagerung aufweist.The carbon content in the region of the subsequent bearing point (s) allows at least local hardening of the bearing device, so that it has in the hardened areas particularly high fatigue resistance and thus particularly good properties for storage.

So ist in einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass der Stahl mit dem Kohlenstoffgehalt in dem genannten Bereich zumindest an der Lagerstelle der Lagereinrichtung vorgesehen ist. Dabei weist die Lagereinrichtung beispielsweise zumindest einen aus dem Stahl ausgebildeten Innenumfangsabschnitt, insbesondere eine Bohrung, auf, welcher als die Lagerstelle zur Lagerung der Kurbelwelle ausgebildet ist, wobei die Lagerstelle als Laufbahn für Wälzkörper, insbesondere zumindest im Wesentlichen zylindrische Wälzkörper, und insbesondere kreiszylindrische Wälzkörper, ausgebildet ist. Die Wälzkörper können aber auch im Wesentlichen auch kugel- oder kegelförmig ausgebildet sein. Der Stahl mit dem genannten Kohlenstoffgehalt führt dazu, dass die aus dem Stahl gebildete Lagerstelle besonders gut gehärtet und somit an der Lagerstelle eine hohe Oberflächenhärte und günstige Druckeigenspannungen ausgebildet werden können, die eine sehr gute, dauerhafte und effiziente Lagerung der Kurbelwelle an der Lagerstelle ermöglichen.Thus, it is provided in an advantageous embodiment of the invention that the steel is provided with the carbon content in said region at least at the bearing point of the bearing device. In this case, the bearing device, for example, at least one formed from the steel inner peripheral portion, in particular a bore, which is designed as the bearing for supporting the crankshaft, wherein the bearing point as a raceway for rolling elements, in particular at least substantially cylindrical rolling elements, and in particular circular cylindrical rolling elements, is trained. However, the rolling elements can also be formed substantially spherical or conical. The steel with the stated carbon content means that the bearing formed from steel hardened particularly well and thus at the bearing a high surface hardness and favorable compressive stresses can be formed, which allow a very good, durable and efficient storage of the crankshaft at the bearing.

Die Lagereinrichtung kann somit selbst über den besagten Innenumfangsabschnitt als Außenkörper, insbesondere als Außenring, eines Wälzlagers fungieren, wodurch die Kurbelwelle besonders reibungs- und verlustarm zu lagern ist. Dies führt dazu, dass die Hubkolbenmaschine besonders geringe innere Reibungsverluste aufweist, was zu einem geringen Kraftstoffverbrauch und damit zu geringen CO2-Emissionen führt.The bearing device can thus act as an outer body, in particular as an outer ring, of a roller bearing itself via the said inner circumferential section, as a result of which the crankshaft is to be stored in a particularly low-friction and low-loss manner. As a result, the reciprocating engine has particularly low internal friction losses, resulting in low fuel consumption and thus low CO 2 emissions.

Des Weiteren weist die erfindungsgemäße Lagereinrichtung und damit die gesamte Hubkolbenmaschine einen sehr geringen Bauraumbedarf auf, da Außenkörper zur Darstellung von Wälzlagern für die Kurbelwelle entfallen können. Dies hält auch die Teileanzahl in einem geringen Rahmen, woraus geringe Kosten für die Hubkolbenmaschine resultieren. Darüber hinaus geht mit der geringen Teileanzahl ein geringeres Gewicht einher, was den Kraftstoffverbrauch und die CO2-Emissionen der Hubkolbenmaschine weiterhin gering hält.Furthermore, the bearing device according to the invention and thus the entire reciprocating engine has a very small space requirement, since outer body can be omitted for the representation of rolling bearings for the crankshaft. This also keeps the number of parts in a small frame, resulting in low costs for the reciprocating engine. In addition, the low number of parts is associated with a lower weight, which keeps the fuel consumption and the CO 2 emissions of the reciprocating engine still low.

Im Rahmen der Erfindung ist es möglich, die Lagereinrichtung aus einem Stahl auszubilden, der ohne Behandlungsverfahren der Lagereinrichtung oder dergleichen bereits einen Kohlstoffgehalt in dem Bereich von einschließlich 0,5 Gew.-% bis einschließlich 0,9 Gew.-% aufweist. Bei einem solchen Stahl handelt es sich beispielsweise um einen Stahl mit der Bezeichnung C53G (früher Cf53) oder vorzugsweise um einen Stahl mit der Bezeichnung C56E2, welcher hinsichtlich einer Wälzbeständigkeit sehr günstige Eigenschaften aufweist. Ebenso ist es möglich, andere Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt in dem Bereich von einschließlich 0,5 Gew.-% bis einschließlich 0,9 Gew.-% einzusetzen.In the invention, it is possible to form the bearing device from a steel which already has a carbon content in the range of from 0.5% by weight to 0.9% by weight without the treatment process of the bearing device or the like. Such a steel is, for example, a steel with the designation C53G (formerly Cf53) or preferably a steel with the designation C56E2, which has very favorable properties with respect to rolling resistance. It is also possible to use other steels having a carbon content in the range of from 0.5% to 0.9% by weight inclusive.

Vorteilhafterweise weist der Stahl, aus welchem die erfindungsgemäße Lagereinrichtung ausgebildet ist, einen Gehalt an Schwefel von maximal 0,015 Gew.-% und/oder einen Gehalt an Phosphor von maximal 0,025 Gew.-% auf. Mit anderen Worten ist der Stahl arm an Störelementen wie Schwefel und Phosphor. Er weist somit eine sehr hohe Reinheit auf, woraus optimale Wälzeigenschaften des Stahls resultieren.Advantageously, the steel from which the storage device according to the invention is formed has a sulfur content of not more than 0.015% by weight and / or a phosphorus content of not more than 0.025% by weight. In other words, the steel is poor in interfering elements such as sulfur and phosphorus. It thus has a very high purity, resulting in optimum rolling properties of the steel.

Des Weiteren ist es möglich, durch ein Wärmebehandlungsverfahren der Lagereinrichtung, beispielsweise durch Aufkohlen, den Kohlenstoffgehalt zumindest in Oberflächennähe der Lagerstelle bzw. der Lagerstellen in dem genannten Bereich von einschließlich 0,5 Gew.-% bis einschließlich 0,9 Gew.-% einzustellen. In diesem Zusammenhang ist vorstellbar, dass der verwendete Stahl im Kernbereich auch einen Kohlenstoffgehalt von weniger als 0,5 Gew.-% ausweisen kann. Dabei wird beispielsweise lediglich eine Randschicht des Stahls bzw. der Lagereinrichtung mit Kohlenstoff angereichet, wodurch die Lagereinrichtung bzw. ihr Stahl in diesem Bereich gut härtbar ist und dort die günstigen Lagerungseigenschaften eingestellt werden können.Furthermore, it is possible by a heat treatment process of the storage facility, for example by carburizing, the carbon content at least near the surface of the bearing or the bearing points in the said range of from 0.5 wt .-% to 0.9 wt .-% inclusive set , In this context, it is conceivable that the steel used in the core area may also have a carbon content of less than 0.5 wt .-%. In this case, for example, only an edge layer of the steel or the bearing device is enriched with carbon, whereby the bearing device or its steel is well curable in this area and there the favorable storage properties can be adjusted.

Als eine mögliche Legierungsvariante des Stahls, aus welchem die erfindungsgemäße Lagereinrichtung ausgebildet ist, wird vorgeschlagen, den Stahl mit dem Kohlenstoffgehalt in dem Bereich von einschließlich 0,5 Gew.-% bis einschließlich 0,9 Gew.-% zu verwenden, welcher zusätzlich als Legierungselemente Vanadium, Titan, Niob, Bor und/oder Stickstoff aufweist, um somit den Stahl gezielt zu modifizieren. Die genannten Legierungselemente können dabei entweder einzeln oder in Kombination zugesetzt sein. Vorzugsweise ist der Anteil dieser Elemente in der Summe kleiner als 1,5 Gew.-%. Durch diese Legierungsvariante weist die Lagereinrichtung zumindest in dem Bereich, in denen die genannte Legierungsvariante eingesetzt wird, eine sehr gute Wälzlagerungsneigung auf, um somit als Laufbahn für Wälzkörper zu fungieren. Ferner ermöglicht insbesondere die genannte Legierungsvariante eine besonders kostengünstige Herstellung der Lagereinrichtung, welche beispielsweise geschmiedet, gehärtet, gecrackt und nachbearbeitet wird. Die genannte Legierungsvariante und damit die Herstellung der Lagereinrichtung trägt diesen Herstellungsschritten in ausgewogener Weise Rechnung, um die Kosten der Lagereinrichtung damit mit der gesamten Hubkolbenmaschine gering zu halten.As a possible alloy variant of the steel from which the bearing device according to the invention is formed, it is proposed to use the steel having the carbon content in the range of from 0.5 wt.% To 0.9 wt Alloy elements vanadium, titanium, niobium, boron and / or nitrogen, so as to selectively modify the steel. The alloying elements mentioned may be added either individually or in combination. Preferably, the proportion of these elements in the sum is less than 1.5 wt .-%. By this alloy variant, the bearing device, at least in the area in which said alloy variant is used, a very good Wälzlagerungsneigung on, so as to function as a raceway for rolling elements. Furthermore, in particular, the abovementioned alloy variant enables a particularly cost-effective production of the bearing device, which is for example forged, hardened, cracked and reworked. Said alloy variant and thus the production of the bearing device takes into account these production steps in a balanced manner in order to keep the cost of the bearing device so low with the entire reciprocating engine.

Bedingt insbesondere durch den relativ hohen Kohlenstoffgehalt der Lagereinrichtung, insbesondere der Lagerstelle bzw. den Lagerstellen, wird durch ein Härteverfahren, durch welches die Lageeinrichtung zumindest bereichsweise gehärtet wird, vorteilhafterweise eine Oberflächenhärte von mindestens 55 HRC (Rockwellhärte) eingestellt. Dadurch kann ein besonders günstiger Kontaktbereich zu den Wälzkörpern hergestellt werden, welcher eine reibungsarme und langlebige Lagerung der Kurbelwelle an der Lagereinrichtung ermöglicht. Des Weiteren wird bevorzugt eine Randhärtetiefe, insbesondere eine Randhärtetiefe Rht480HV1 ausgebildet, welche insbesondere im Mittel mindestens 0,3 mm beträgt. Auch dies stellt einen besonders günstigen Kontaktbereich zu den Wälzkörpern bereit. Des Weiteren werden bei einer derartigen Randschichthärtung Druckeigenspannungen an oberflächennahen Zonen erreicht, die sich hinsichtlich betriebsbedingter Pressung positiv auf eine hohe Lebensdauer auswirken.Due in particular to the relatively high carbon content of the bearing device, in particular the bearing point or the bearing points, a surface hardness of at least 55 HRC (Rockwell hardness) is advantageously set by a hardening process by which the layer device is hardened at least regionally. As a result, a particularly favorable contact area to the rolling elements can be produced, which enables a low-friction and long-lasting bearing of the crankshaft on the bearing device. Furthermore, an edge hardening depth, in particular a hardening depth Rht480HV1 is preferably formed, which is at least 0.3 mm, in particular on average. This also provides a particularly favorable contact area to the rolling elements. Furthermore, with such a surface hardening, residual compressive stresses at near-surface zones are achieved, which have a positive effect on a long service life with regard to operational pressure.

Claims (10)

Lagereinrichtung, insbesondere Lagerbock, für eine Kurbelwelle einer Hubkolbenmaschine, welche zumindest eine Lagerstelle zur Lagerung der Kurbelwelle aufweist, und welche zumindest im Wesentlichen aus einem Stahl ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagereinrichtung zumindest bereichsweise aus einem Stahl ausgebildet ist, welcher im Wesentlichen einen Kohlenstoffgehalt in einem Bereich von einschließlich 0,5 Gew.-% bis einschließlich 0,9 Gew.-% aufweist.Bearing device, in particular bearing block, for a crankshaft of a reciprocating engine, which has at least one bearing point for supporting the crankshaft, and which is at least substantially formed of a steel, characterized in that the bearing device is at least partially formed of a steel, which substantially a Having carbon content in a range of from 0.5 wt% to 0.9 wt% inclusive. Lagereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stahl mit der Bezeichnung C56E2 verwendet wird.Bearing device according to claim 1, characterized in that a steel with the designation C56E2 is used. Lagereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoffgehalt von 0,5 Gew.-% bis einschließlich 0,9 Gew.-% an den Lagerstellen durch einen lokalen Aufkohlungsprozess der Lagereinrichtung aus einem Stahl mit einem Grundkohlenstoffgehalt von kleiner 0,5 Gew.-% eingestellt ist.Bearing device according to claim 1, characterized in that the carbon content of 0.5 wt .-% up to and including 0.9 wt .-% at the bearing points by a local carburizing process of the bearing device made of a steel having a base carbon content of less than 0.5 wt. -% is set. Lagereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl als Legierungselemente Vanadium, Titan, Niob, Bor und/oder Stickstoff mit einzeln oder in Kombination bis zu einem Gesamtgehalt von zumindest im Wesentlichen 1,5 Gew.-% aufweist und/oder einen Gehalt an Schwefel von maximal 0,015 Gew.-% und/oder einen Gehalt an Phosphor von maximal 0,025 Gew.-% aufweist. Bearing device according to one of claims 1 or 3, characterized in that the steel has as alloying elements vanadium, titanium, niobium, boron and / or nitrogen with singly or in combination up to a total content of at least substantially 1.5 wt .-% and / or has a sulfur content of not more than 0.015% by weight and / or a maximum phosphorus content of 0.025% by weight. Lagereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl zumindest an der Lagerstelle der Lagereinrichtung vorgesehen ist.Bearing device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the steel is provided at least at the bearing point of the bearing device. Lagereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagereinrichtung zumindest einen aus dem Stahl ausgebildeten Innenumfangsabschnitt, insbesondere eine Bohrung, aufweist, welcher als die Lagerstelle zur Lagerung der Kurbelwelle ausgebildet ist, wobei die Lagerstelle als Laufbahn für Wälzkörper, insbesondere im Wesentlichen zylindrische, kugelförmige oder kegelförmige Wälzkörper ausgebildet ist.Bearing device according to one of the preceding claims, characterized in that the bearing means comprises at least one formed from steel inner peripheral portion, in particular a bore, which is designed as the bearing for supporting the crankshaft, wherein the bearing point as a raceway for rolling elements, in particular substantially cylindrical , spherical or conical rolling elements is formed. Lagereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagereinrichtung vollständig oder zumindest bereichsweise, insbesondere zumindest an der Lagerstelle, durch ein Härteverfahren lokal oder vollständig gehärtet ist.Bearing device according to one of the preceding claims, characterized in that the bearing device is completely or at least partially, in particular at least at the bearing, hardened locally or completely by a hardening process. Lagereinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagereinrichtung durch Randschichthärten, Laserhärten, Elektronenstrahlhärten, Induktionshärten und/oder im Ofen gehärtet ist.Bearing device according to claim 7, characterized in that the bearing device is cured by surface hardening, laser hardening, electron beam curing, induction hardening and / or in the oven. Lagereinrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagereinrichtung zumindest bereichsweise angelassen sein kann.Bearing device according to one of claims 7 or 8, characterized in that the bearing device can be at least partially tempered. Lagereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagereinrichtung zumindest bereichsweise, insbesondere an der Lagerstelle, eine Oberflächenhärte von mindestens 55 HRC aufweist und/oder eine Randhärtetiefe Rht480HV1 aufweist, welche im Mittel mindestens 0,3 mm beträgt.Bearing device according to one of the preceding claims, characterized in that the bearing device at least partially, in particular at the bearing point, has a surface hardness of at least 55 HRC and / or a Randhärteiefe Rht480HV1 which is on average at least 0.3 mm.
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