DE102011009732A1

DE102011009732A1 - Gleitlageranordnung und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE102011009732A1
Application number: DE102011009732A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Nowak Dieter; Dipl.-Ing. Römheld Tilmann; Dipl.-Ing. Wagenplast Michael
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-01-29
Filing date: 2011-01-29
Publication date: 2012-08-02
Also published as: WO2012100799A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt eine Gleitlageranordnung für Brennkraftmaschinen und ein entsprechendes Herstellungsverfahren hierfür bereit. Die Gleitlageranordnung weist durch eine Welle (1) und ein Gehäuse (7) oder einen Gehäuseabschnitt gebildete Lagerpartner auf, wobei einer der beiden Lagerpartner aus Stahl und der andere Lagerpartner aus einem Leichtmetall besteht. Das Gleitlager ist aus zumindest einer Lagerschale (2) gebildet, die die Welle (1) umgibt, und weist einen Lagerspalt (5) auf, in dem ein Schmiermittel zur gleitenden Lagerung der Welle (1) aufnehmbar ist. Die Lagerschale (2) weist zumindest auf Seiten des Lagerspalts (5) ein Kunststoffmaterial auf, das einen Wärmeausdehnungskoeffizienten αL hat, der größer ist als ein Wärmeausdehnungskoeffizient αG des aus Leichtmetall bestehenden Lagerpartners.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gleitlageranordnung, insbesondere eine Kurbel-, Ausgleichs- oder Nockenwellen-Gleitlageranordnung und geeignete Herstellungsverfahren hierfür.
Im Allgemeinen bestehen Gleitlager für Kurbelwellen aus einem Gehäuse, in dem eine Lageschale angeordnet ist, die die Welle umgibt. Derartige Lageschalen- oder -buchsen können einstückig sein und auf die zu lagernde Welle aufgesteckt werden, oder sie bestehen aus zwei Hälften, die in das Gehäuse, bestehend aus Lagerstuhl und Deckel, eingelegt werden. Zwischen der Lagerschale und der Welle liegt der Lagerspalt vor, der das Schmiermittel zur Schmierung der Welle führt.
Bei auf Langlebigkeit und Energieeffizienz ausgerichteten hydrostatischen Gleitlagern von Kraftfahrzeugen wird Vollschmierung zur Erzielung einer Flüssigkeitsreibung eingesetzt, wobei die Schmierflüssigkeit mittels einer Ölpumpe druckbeaufschlagt durch den Lagerspalt geführt wird und daher die Kontaktflächen von Lagerschale und Welle gegen die Lagerkraft voneinander trennen kann.
Besteht nun die Welle aus Stahl und das Gehäuse aus einem Leichtmetall, sind die Wärmeausdehnungskoeffizienten so unterschiedlich, dass die Metallkomponenten sich im Betrieb unterschiedlich stark ausdehnen, so dass im genannten Fall bei steigender Temperatur der Lagerspalt immer größer wird und Schmiermittel austritt. Mit wachsender Schmiermittel-Leckage wächst der Schmiermitteldurchsatz an, wodurch eine größere Pumpenleistung erforderlich wird. Die Lagerspaltvergrößerung kann so deutlich werden, dass die Schmiermittelpumpe trocken läuft; die Welle kann sich festfressen.
Zur Vermeidung dieser Problematik ist bekannt, eine Kompensationseinrichtung zwischen Lagerschale und dem Gehäuse anzuordnen, die aus einem Material besteht, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient größer ist als der des Gehäuses. Bei steigender Temperatur wird dann die Lagerschale gegen die Welle gedrückt, so dass die Breite des Lagerspalts in tolerierbaren Grenzen bleibt. Eine derartige Kompensationseinrichtung ist ein Zusatzbauteil, das weiteren Montageaufwand erfordert. Des Weiteren muss darauf geachtet werden, dass das Material der Einrichtung unter der Wärmewechselbelastung oder einfach nur unter dem Temperaturanstieg nicht wegläuft. Dies erfordert Aufwand in Form von konstruktiven Änderungen des Gehäuses oder der Lagerschale.
Eine solche Kompensationseinrichtung ist aus der DE 198 18 120 A1 bekannt. Dort wird eine Kurbelwellengleitlagerung für Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen mit einem Lagerstuhl, einer in dem Lagerstuhl gelagerten Kurbelwelle, und einer zwischen dem Lagerstuhl und der Kurbelwelle angeordneten Lagerschale beschrieben. Zwischen der Lagerschale und dem Lagerstuhl ist an dem äußeren Ende der Lagerschale wenigstens abschnittsweise eine Kompensationseinrichtung angeordnet, deren Wärmeausdehnungskoeffizient um soviel größer ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Lagerstuhls, dass die Kompensationseinrichtung eine temperaturabhängige Aufweitung eines Lagerspaltes zwischen der Lagerschale und der Kurbelwelle zumindest verringert. Diese Kompensationsvorrichtung ist aus einem Werkstoff gebildet, der sich in radialer Richtung temperaturabhängig ausdehnt. Ein Drahtglas oder ein faserverstärkter Kunststoff dienen als Armierung für diese Kompensationseinrichtung, die etwa aus Polytetrafluorethylen gebildet sein kann.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ergibt sich die Aufgabe, eine verbesserte Gleitlageranordnung zu schaffen, die es ermöglicht, auch bei Hochtemperatureinsatz des Gleitlagers in einer Brennkraftmaschine unter Verwendung einer Welle, die einen wesentlich anderen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat als das Gehäuse des Gleitlagers, den Lagerspalt gewünscht klein zu halten und eine sichere Vollschmierung der Welle zu leisten.
Diese Aufgabe wird durch eine Gleitlageranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Gleitlageranordnung sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
Ferner stellt sich die Aufgabe zumindest ein Verfahren bereitzustellen, mittels dessen verbesserte Gleitlageranordnungen geschaffen werden können.
Das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 6 löst diese Aufgabe.
Die erfindungsgemäße Gleitlageranordnung ist für den Einsatz in Brennkraftmaschinen geeignet und dient dort der Lagerung einer Stahlwelle in einem Leichtmetallgehäuse bzw. einer Leichtmetallwelle in einem Stahlgehäuse. Die Welle und das Gehäuse oder ein Gehäuseabschnitt bilden Lagerpartner der Anordnung, die des Weiteren zumindest eine die Welle umgebende Lagerschale aufweist. Dabei hat das Gleitlager einen Lagerspalt, in dem ein Schmiermittel zur gleitenden Lagerung der Welle aufnehmbar ist. Erfindungsgemäß weist nun die Lagerschale zumindest auf Seiten des Lagerspalts ein Kunststoffmaterial auf, das einen Wärmeausdehnungskoeffizienten α_L aufweist, der größer ist als ein Wärmeausdehnungskoeffizient α_G des aus Leichtmetall bestehenden Lagerpartners. Beispielhaft wird im Folgenden stellvertretend die Erfindung an einer Stahlwelle in einem Leichmetallgehäuse beschrieben.
Damit wird vorteilhaft erreicht, dass trotz der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Stahlwelle und des Leichtmetallgehäuses, das etwa aus Magnesium, Aluminium oder Legierungen der beiden Metalle bestehen kann, der Lagerspalt sich im Betrieb, wenn es zu erheblicher Temperaturerhöhung von Welle und Lager kommt, nicht derart vergrößert, dass eine unerwünschte Schmiermittelleckage entsteht oder eine unvermeidbare, geringe Schmiermittelleckage durch die Spalterweiterung unerwünscht vergrößert wird, was sonst nachteilig eine Erhöhung des Schmiermitteldurchsatzes und der Pumpenleistung mit sich bringt. Die Verwendung der erfindungsgemäßen Kunststofflagerschale, gerade für Gleitlager die im Hochtemperaturbereich arbeiten müssen, ermöglicht vorteilhaft eine einfache Lagergestaltung, die den Einsatz komplexer, separat zu fertigender Kompensationseinrichtungen, wie sie aus dem Stand der Technik zum Einsatz zwischen Lagerschale und Gehäuse bekannt sind, obsolet macht.
Erfindungsgemäß kann eine solche Lagerschale alternativ entweder auf der Welle, die eine Nockenwelle, Ausgleichswelle (Lanchesterwelle) oder eine Kurbelwelle sein kann, positionsfest angeordnet werden, oder sie wird am Gehäuse, das ein Zylinderkopf oder eine Zylinderhaube sein kann, oder wenigstens an einem Gehäuseabschnitt, also etwa einem Lagerstuhl oder einem Lagerdeckel eines Gleitlagers, angeordnet. Eine dritte Möglichkeit besteht darin, die Lagerschale in situ zu fertigen, also wenn die Welle bereits im Gehäuse montiert ist. Dabei kann durch eine geeignete Temperatursteuerung erreicht werden, dass sich die Lagerschale entweder mit dem Gehäuse oder mit der Welle verbindet.
Grundsätzlich kann das zur Fertigung der Lagerschale angesetzte Kunststoffmaterial ein hochfestes Kunststoffmaterial sein, das gute Gleiteigenschaften in Verbindung mit Öl aufweist. Um Ausführungsformen der Erfindung zu realisieren, bei denen die Lagerschale gespritzt wird, sollte das Kunststoffmaterial ein spritzbares Kunststoffmaterial sein.
Besonders bevorzugte Materialien sind hierbei Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyamidimid (PAI), ein Gemisch aus Polyphenylsulfid-Polytetrafluorethylen (PPS-PTFE), dem vorteilhaft Kohlenstoff partikulär beigegeben sein kann, oder auch Polyetheretherketon, PEEK. Die vorgenannten Gemische können auch mit Bronzepulver oder anderen Füllstoffen versetzt sein, da dann Reibungswärme besser abgeführt werden kann und ein besserer Temperaturausgleich bei höherer Druckfestigkeit des Materials erzielt werden kann.
Eine Alternative, bei der die Lagerschale aus dem erfindungsgemäß zu verwendenden Kunststoffmaterial mit der Welle verbunden wird, sieht vor, dass die Lagerschale separat gefertigt und als Hülse ausgebildet wird, die dann auf die Kurbel- oder Nockenwelle aufgepresst wird. Dabei wird der Lagerspalt, der das Schmiermittel, respektive ein geeignetes Hochtemperaturöl, führt, zwischen der auf der Welle sitzenden Lagerschale und dem Leichtmetallgehäuse der Gleitlageranordnung vorliegen.
In einer weiteren Alternative kann die erfindungsgemäße Lagerschale als Spritzgussteil einstückig ausgebildet sein und auf die Stahlwelle aufgespritzt werden.
Die Lagerschale kann auch aus zwei Materialien bestehen, beispielsweise aus Metall und aus besagtem Kunststoff, der vorzugsweise auf Seiten des Lagerspalts angeordnet ist. Hierbei kann der Kunststoff auf das Metallträgermaterial aufgespritzt sein.
In diesem Fall liegt der Lagerspalt ebenfalls zwischen der Lagerschale und dem Leichtmetallgehäuse vor. In dieser Ausbildung der Gleitlageranordnung ist es vorteilhaft, wenn in der Längsachse der Stahlwelle ein Schmiermittelzuführkanal verläuft, der in einen Kanal mündet, der sich vorteilhaft von dem Schmiermittelzuführkanal radial weg erstrecken kann, jedenfalls jedoch von dem Schmiermittelzuführkanal in die Lagerschale mündend sich bis hin in den Lagerspalt erstreckt, um das Öl von einer Versorgungsquelle durch den Schmiermittelzuführkanal in den Lagerspalt zu befördern. Vorteilhaft ist bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Kanal mit einer Auskleidung ausgestattet, geeigneter Weise ist auch der Schmiermittelzuführkanal mit dieser Auskleidung versehen. Die Auskleidung wird vorteilhaft unmittelbar mit der Fertigung der Lagerschale hergestellt, indem Lagerschale und Auskleidung einstückig an die Stahlwelle angespritzt werden. So wird sichergestellt, dass eine geschlossene Kunststoff-Führung für das Öl bis in den Lagerspalt hergestellt wird und sich keine Stellen bilden können, an denen Öl austreten kann.
Um die Haftung des Spritzmaterials an der Oberfläche der Stahlwelle, beziehungsweise an der inneren Oberfläche der Stahlwelle, wie sie beispielsweise durch den Schmiermittelzuführkanal geschaffen wird, zu verbessern, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, zumindest die äußere Oberfläche, vorteilhaft die innere und äußere Oberfläche im Bereich der Lagerstelle beziehungsweise im Bereich der Schmiermittel führenden Kanäle aufzurauen, damit dort der angespritzte Kunststoff eine optimale Haftung aufweisen kann.
Zumindest an der äußeren Oberfläche kann die Aufrauung als makroskopische Hinterschnitte gestaltet sein. Der Fachmann weiß, wie derartige makroskopische Hinterschnitte unter Zuhilfenahme von Schneidwerkzeugen erzeugt werden können. Die Aufrauung der Oberfläche kann auch als Rändelung ausgeführt werden, so dass der angespritzte Kunststoff aufgrund des erreichten Formschlusses auf der Welle, insbesondere auf einer Nockenwelle, verbesserten Halt erhält.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform der Lagerschale weißt diese an ihren beiden Enden jeweils eine radial umlaufende Dichtlippe auf, die das Lager seitlich begrenzt und quasi als Labyrinthdichtung wirkt. So kann der Schmiermittel-, beziehungsweise Ölabfluss weiter begrenzt werden.
Beim Aufspritzen des Lagerschalenmaterials aus Kunststoff ist darauf zu achten, dass eine derartige Schichtdicke aufgespritzt wird, so dass eine geeignete Lagerstärke erreicht wird, um den Effekt der temperaturabhängigen Spaltverringerung zu erreichen.
In der oben genannten Ausführungsform, in der die Lagerschale an dem Leichtmetallgehäuse, oder zumindest an einem Abschnitt desselben, vorgesehen ist, wird eine kraft oder formschlüssige positionsfeste Anordnung vorgesehen. Dies kann erreicht werden, indem die Lagerschale in das Gehäuse eingesteckt oder eingeklemmt wird oder indem die Oberfläche des Leichtmetallgehäuses ebenfalls Mikro- oder Makrovertiefungen aufweist, die in Eingriff mit dem aufgebrachten Kunststoffmaterial gelangen und somit die gewünschte Haftung bereitstellen.
Die Positionsfestigkeit ist von erheblicher Bedeutung um ein „Wandern” der Lagerschale während des Betriebs zu verhindern. Auch in dem Fall, dass die Lagerschale nicht angespritzt, sondern kraftschlüssig oder formschlüssig eingespannt oder festgesteckt wird, stützt sich selbige einseitig gegen das Leichtmetallgehäuse oder den entsprechenden Abschnitt desselben ab, so dass bei Temperaturerhöhung eine Ausdehnung des Materials zur Welle, also in radialer Richtung, erfolgt, wobei der Spalt wunschgemäß verkleinert oder jedenfalls nicht vergrößert wird.
Wie aufgeführt, liegt der Lagerspalt in diesem Fall zwischen Lagerschale und Stahlwelle vor; wenn die Stahlwelle beschichtet ist, gegebenenfalls durch eine als Lagerschale ausgebildete Beschichtung, so reiben zwei Lagerschalen aus Kunststoff vorteilhaft aufeinander und sind lediglich durch den Lagerspalt voneinander getrennt, der durch das eingebrachte Schmiermittel die gewünschte Gleitfähigkeit bereitstellt.
Wenn die Welle und zusätzlich der Lagerstuhl, beziehungsweise der Lagerbereich des Gehäuses, also speziell der Zylinderkopf und die Zylinderkopfhaube selektiv umspritzt sind und somit ebenfalls einen Lagerschalenabschnitt aufweisen, erhöht sich bei thermischer Ausdehnung die Pressung zwischen Lagerschale und Gehäuse. Im Zuge der Erwärmung kommt es dabei zur erheblichen Verringerung des Spaltes.
Alternativ zu der oben ausgeführten Schmiermittelzuführung in der Welle, ist es denkbar, das Schmiermittel auch durch das Gehäuse, respektive durch den entsprechenden Gehäuseabschnitt zu führen. In diesem Fall weist das Gehäuse oder der Abschnitt einen Schmiermittelkanal auf, der sich von einer der Stahlwelle abgewandten Seite des Leichtmetallgehäuses oder des Abschnitts des Leichtmetallgehäuses in die Lagerschale mündend bis in den Lagerspalt erstreckt und diesen mit Schmiermittel versorgt.
Eine erfindungsgemäße Gleitlageranordnung für Brennkraftmaschinen, die eine geeignete Lagerung für eine Stahlwelle in einem Leichtmetallgehäuse bietet, kann nach folgendem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigt werden, bei dem die Lagerschale auf der Stahlwelle angeordnet wird.
Das Verfahren sieht zunächst die Bereitstellung der Stahlwelle vor. Dann wird wenigstens in einem Bereich der Lagerstelle eine umfängliche Beschichtung aus einem spritzbaren Kunststoffmaterial angespritzt, das einen Wärmeausdehnungskoeffizient α_L aufweist, der größer ist als ein Wärmeausdehnungskoeffizient α_G des Leichtmetalls, aus dem das Gehäuse beschaffen ist. die Dicke der Beschichtung wird dabei derart gewählt, dass die Beschichtung zur Bereitstellung einer Lagerschale geeignet ist.
Ein weiterer Verfahrensschritt kann optional vorsehen, dass bei dem Anspritzen der umfänglichen Beschichtung auch die Auskleidung des Kanals, der in der Lager- oder Kurbelwelle zur Schmiermittelführung vorgesehen sein kann, erfolgt. Vorteilhaft werden dabei sowohl der Kanalabschnitt, der axial innerhalb der Welle verläuft, als auch der radial oder wenigstens näherungsweise radial von diesem axialen Kanal zu der Lagerschale sich weg erstreckende Kanalabschnitt angespritzt, um vorteilhaft sicher zu stellen, dass sich auch bei mechanischer Belastung im Betrieb keine Stellen bilden, an denen sich aufgrund des Ablösens des Kunststoffschlupfstellen für Öl oder Schmiermittel bilden können.
Um daher die Oberfläche optimal für das Anspritzen vorzubereiten und um die Haftung zu verbessern, wird die Oberfläche vorteilhaft wenigstens im Bereich der Lagerstelle aufgeraut. Das Aufrauen kann mit einem Schneidwerkzeug erfolgen, das es ermöglicht, makroskopische Hinterschnitte anzufertigen, so dass es regelrecht zu einem Formschluss zwischen angespritztem Kunststoff und dem Stahlmaterial der Welle kommt. Es ist auch möglich, alternativ eine Rändelung an der Oberfläche vorzusehen, um den genannten Formschluss mit verbessertem Halt des Kunststoffs auf der Wellenoberfläche bereitzustellen.
Das Anspritzen des Kunststoffs kann nach einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens auch erfolgen, wenn die Stahlwelle in dem Gehäuse montiert ist. Dann ist es zielführend, das Anspritzen der umfänglichen Beschichtung um die Welle temperaturgesteuert so zu führen, dass das Material in einem Raum zwischen Stahlwelle und Gehäuse eingespritzt wird. Durch die Temperatursteuerung ist es möglich, das Abkühlen des Kunststoffmaterials so zu führen, dass nach dem Anspritzen und Abkühlen des Kunststoffmaterials von einer Spritztemperatur auf Raumtemperatur das Aufschrumpfen des Kunststoffmaterials auf die Stahlwelle stattfindet und sich mit dieser fest verbindet.
Umgekehrt ist es möglich, zunächst das Gehäuse oder den Gehäuseabschnitt bereitzustellen und in einem alternativen Verfahren einen Kunststoff mit dem Wärmekoeffizienten α_L, der größer ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient α_G des Leichtmetalls des Gehäuses zur Bildung der Lagerschale an das Gehäuse oder den Gehäuseabschnitt anzuspritzen.
Wenn das Gehäuse oder der Gehäuseabschnitt über einen entsprechenden Kanal zur Zuführung von Schmiermittel verfügt, ist es geeignet, in dem Verfahrensschritt des Anspritzens der Lagerschale unmittelbar auch eine Auskleidung des Schmiermittelkanals herzustellen und diese einstückig mit der Lagerschale auszubilden.
Auch hier ist es vorteilhaft, zur Verbesserung der Haftung die Oberfläche des Gehäuses oder des Gehäuseabschnitts zumindest im Bereich der Lagerstelle aufzurauen. Das Aufrauen kann auf gleiche Weise erfolgen wie bei der Oberflächenbehandlung der Weile.
Schließlich ist es alternativ möglich, in das bereitgestellte Gehäuse die Stahlwelle zu montieren und dann erst in dem zwischen Gehäuse und Welle bereitstehenden Raum des Zusammenbaus die umfängliche Beschichtung auf dem Kunststoffmaterial temperaturgesteuert anzuspritzen. Die Temperatursteuerung wird in diesem Fall so gewählt, dass nach dem Anspritzen das Abkühlen des Kunststoffmaterials derart gesteuert wird, dass dieses auf das Gehäuse, respektive auf dem Gehäuseabschnitt, aufschrumpft, anstatt auf die Welle.
Durch dieses Anspritzen der Lagerschale in den Lagerspalt, der in seiner Spaltweite vielfach nicht exakt gleich bleibend ist, kann nachträglicher Bearbeitungsaufwand des Lagerspaltes entfallen, der andernfalls nötig ist, um die notwendige Konzentrizitätsgenauigkeit zwischen Kunststoff und Welle bereitzustellen.
Durch die Auskleidung der dargelegten Schmiermittelzuführkanäle wird diese ferner verengt, so ist es möglich, dass das Ölvolumen und das Schmiermittelvolumen einer üblicherweise ölgefüllten Nockenwelle zur Nockenwellenverstellungsversorgung reduziert werden. Hierdurch kann auch die Pumpenleistung heruntergesetzt werden, so dass insgesamt eine kleinere, leistungsverminderte und daher auch billigere Pumpe eingesetzt werden kann.
Durch das erfindungsgemäß mögliche Spritzverfahren zur Herstellung der offenbarten Gleitlageranordnung mit Lagerschale und/oder Schmiermittelzufuhr-Auskleidungen ist es geeignet, im Spritzprozess unmittelbar das Anspritzen weiterer Komponenten an die Wellen vorzusehen: So ist es denkbar, im gleichen oder einem anschließenden Spritzprozess ein Segment beziehungsweise ein Geberrad an die Welle, respektive an die Nockenwelle endseitig anzuspritzen. Hierbei können in das Kunststoffmaterial Magnetpartikel eingemischt werden, die eine Kodierung für die Nockenwellenwinkelpositionserkennung bilden. Alternativ kann das Geberrad eine zusätzliche Gummierung erhalten, die diese Partikel in sich trägt.
Optional ist es ferner möglich, ein Axiallager in Form eines Kunststoffrings, der reibungsarm und leicht ist, an die erfindungsgemäße Lagerschale anzuspritzen. Derartige Axiallager werden in der Regel durch die Verlängerung eines Nockens der Nockenwelle ausgebildet. Dieser schlägt am Lagerstuhl seitlich an. Wird nun die veränderte Nocke durch das anspritzbare Axiallager ersetzt, so wird es ermöglicht, dass die gesamt Welle lediglich aus einer Sorte von Nocken gefertigt werden muss. Hierbei wird vorteilhaft die Teilevielfalt, die zur Herstellung einer Nockenwelle notwendig ist, verringert und damit reduzieren sich auch die Herstellungskosten und der Lageraufwand. Weiter ergibt sich vorteilhaft, dass hierdurch auch das Schleifen des Lagers erübrigt wird.
Die Welle kann auch als rohrförmige Hohlwelle ausgebildet sein, wobei ein Ende mittels des angespritzten Kunststoffs stopfenartig verschlossen sein kann, das abseits des Anschlusses der Schmiermittelzuführung liegt. Hierbei kann ein hinterer Stopfen als separates Bauteil und dessen Montage in einfacher Weise entfallen, sofern man diesen nicht als Antrieb für ein anderes Aggregat benötigt.
Ferner ist es vorteilhaft möglich, durch die einstellbare Dicke der Spritzschicht an geeigneten Stellen quasi „Drosseln” bereitzustellen, die den Ölfluss gezielt beeinflussen. Beispielsweise kann so erreicht werden, dass ein erstes Lager, etwa eines Nockenwellenverstellers, mit maximalem Schmiermittel- oder Öldurchsatz bedient werden kann, während die weiteren Nockenwellenlagerungen mit verringerten Mengen, also quasi abgedrosselt, mit Öl versorgt werden. Die erforderliche Ölpumpenförderleistung wird hiermit reduziert und es ergibt sich der oben dargelegte Vorteil, gegebenenfalls eine Pumpe mit verringerter Leistung zu reduzierten Kosten einzusetzen.
Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt. Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
Dabei zeigt:
1 eine teilweise Seitenschnittansicht durch eine erfindungsgemäße Gleitlageranordnung, wobei die Schmiermittelzufuhr durch das Leichtmetallgehäuse erfolgt,
2 eine Seitenschnittanordnung einer erfindungsgemäßen Gleitlageranordnung mit Nockenwelle, wobei die Schmiermittelzufuhr axial und radial in der Welle erfolgt.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Gleitlageranordnung für Brennkraftmaschinen, die eine in einem Leichtmetallgehäuse 7, siehe etwa 1, angeordnete Stahlwelle aufweisen.
Das Leichtmetallgehäuse 7 kann aus Magnesium oder Aluminium oder aus Legierungen der beiden Metalle bestehen. Das Gleitlager ist aus einer Lagerschale 2 gebildet, in Verbindung mit einem Schmiermittel zur gleitenden Lagerung der Stahlwelle, das in einem Schmiermittelspalt, beziehungsweise Lagerspalt 5 vorgesehen ist. Der Lagerspalt 5 kann, wie 1 zeigt, zwischen der Welle 1 und der Lagerschale 2 vorgesehen sein, die vorliegend an dem Gehäuse 7 vorgesehen ist. Wie gezeigt, umgreift dort die Lagerschale 2 einen unteren Abschnitt des Gehäuses. Die Lagerschale 2 ist aus einem Kunststoffmaterial beschaffen, das einen Wärmeausdehnungskoeffizienten α_L aufweist, der größer ist als ein Wärmeausdehnungskoeffizient α_G des Leichtmetalls des Gehäuses. Die Lagerschale 2 ist derart um das Gehäuse geklemmt, dass ein Formschluss gewährleistet ist, damit sich die Lagerschale 2 nicht dreht und/oder bei der Temperaturerhöhung im Betrieb der Anordnung axial abwandert.
Grundsätzlich kann die erfindungsgemäße Gleitlageranordnung für eine Nockenwelle 1, siehe 2, genauso verwendet werden wie für eine Kurbelwelle 1, siehe 1.
Als Kunststoffmaterial zur Fertigung der Lagerschale 2 wird ein spritzbares Kunststoffmaterial bevorzugt, nämlich Polytetrafluorethylen, Polyamidimid, ein Polyphenylsulfid-Polytetrafluorethylen-Gemisch, ein Polyphenylsulfid-Polytetrafluorethylen-Gemisch, insbesondere mit partikulärem Kohlenstoff, oder Polyetheretherketon; vorliegend können auch Gemische der vorgenannten Materialien mit Bronzepulver versetzt verwendet werden, was insbesondere geeignet ist, um Reibungswärme beim Betrieb auf verbesserte Weise abzuführen und einen besseren Temperaturausgleich bei höherer Druckfestigkeit der Vorrichtung zu ermöglichen.
Selbstverständlich sind weitere geeignete Füllstoffe für die Kunststoffe geeignet, auch kommen andere Kunststoffe in Frage, sofern sie spritzbar und hochtemperaturfest und gegenüber Öl inert sind.
Wird, wie in 1 gezeigt, die Lagerschale 2 unmittelbar am Gehäuse 7, respektive einer Zylinderkopfhaube und/oder dem Lagerdeckel aus Magnesium ausgebildet, so kann vorteilhaft auf eine zusätzliche Beschichtung von Zylinderkopfhaube oder Lagerdeckel verzichtet werden. Hierdurch werden besonders gute Laufeigenschaften des Gleitlagers erzielt. Ferner führt die Verwendung des erfindungsgemäßen Kunststoffgleitlagers günstiger Weise zur Verringerung von Geräuschbildung.
Wie zu sehen ist, erstreckt sich ein Schmiermittelzufuhrkanal 4 durch das Leichtmetallgehäuse 7, um Schmiermittel auch durch die Lagerschale 2 bis zu dem Lagerspalt 5 zu führen und die erforderliche Schmierung bereitzustellen. Bei Betrieb der Vorrichtung und bei entsprechender Erhitzung wird die Lagerschale 2 gegen das Gehäuse abgestützt und dehnt sich insofern nur in Richtung des Spaltes 5 aus, so dass dieser vorteilhaft verkleinert wird und es insofern zur Vermeidung der unerwünschten Leckage kommt.
Dieser Effekt kann ebenfalls durch die in 2 gezeigte Alternative erreicht werden. Dort ist auf die Welle 1 in einem Lagerstellenbereich eine Lagerschale 2 aufgespritzt, wobei das Spritzmaterial das vorgenannte erfindungsgemäße Kunststoffmaterial ist. Die Schmiermittelzufuhr des Gleitlagers in diesem Falle erfolgt durch den axial verlaufenden Schmiermittelkanal 4', der im Bereich der Lagerschale 2 einen radial sich weg erstreckenden und in die Lagerschale 2 mündenden, bis zu dem Lagerspalt 5 reichenden Kanal 4 aufweist.
Erfindungsgemäß weisen sowohl der Kanal 4 als auch der Schmiermittelzuführkanal 4' eine Auskleidung 4'' aus dem erfindungsgemäß für die Lagerschale 2 zu verwendenden Kunststoff auf, so dass vorteilhaft die gesamte Gleitlageranordnung in einem Arbeitsschritt einstückig gespritzt werden kann.
Durch vorherige Oberflächenbehandlung der Welle, insbesondere durch Aufrauen, wird eine Haftungsverbesserung des Kunststoffs auf der Oberfläche, auch auf der inneren Oberfläche im Bereich der Schmiermittelkanäle 4, 4' erreicht. Durch das einstückige Fertigen und Ausspritzen sowohl der Schmiermittelkanäle 4, 4' und der Lagerschale 2 wird vermieden, dass Stellen entstehen, an denen Öl austreten kann, selbst wenn die Gleitlageranordnung durch vielfache Belastung und Alterung eine Stelle aufweisen sollte, in der sich der Kunststoff von der Welle löst.
Wie sich aus 2 ergibt, ist in dem dort gezeigten Fall der Lagerspalt 5 zwischen Lagerschale 2 und dem nicht gezeigten Gehäuse positioniert. Die in der Lagerschale 2 angespritzten endständigen Dichtlippen 3, die die Welle 1 radial umlaufen und eine seitliche Lagerbegrenzung bereitstellen, verhindern, dass Öl seitlich austritt.
Auch durch diese alternative Ausführungsform wird der Lagerspalt 5 durch den eingesetzten Kunststoff bei Temperaturerhöhung kleiner und der Öldurchsatz des Lagers wird reduziert, so dass die Ölpumpenleistung nicht in unerwünschtem Maß ansteigt, was sich durch die Veränderung der Viskosität andernfalls ergeben könnte.
Weiterhin ist es denkbar, im gleichen oder einem anschließenden Spritzprozess ein Segment- bzw. Geberrad 6 an die Nockenwelle 1 endseitig anzuspritzen. Hierbei können in das Kunststoffmaterial Magnetpartikel eingemischt werden, die eine Codierung für die Nockenwellen-Winkelpositionserkennung bilden. Alternativ kann das Geberrad 6 eine zusätzliche Gummierung erhalten, die diese Partikel in sich trägt.
Optional kann ein Axiallager, nicht gezeigt, in Form eines Kunststoffrings (reibungsarm und leicht) an die Lagerschale angespritzt werden. Axiallager werden in der Regel durch Verlängerung eines Nockens ausgebildet, welcher am Lagerstuhl seitlich anschlägt. Durch den Ersatz wird ermöglicht, dass nur eine Sorte von Nocken eingesetzt werden müssen. Die dabei erreichte Reduzierung der Teilevielfalt reduziert die Herstellungskosten und den Lageraufwand. Es ist auch kein Schleifen des Lagers mehr erforderlich.
Es ist möglich, die Lageranordnung sowohl unmittelbar auf der Welle 1, als auch auf dem Gehäuse 7 vorzusehen, so dass zwei Lagerschalen 2 aufeinander reiben und der Lagerspalt 5 mit dem Schmiermittel sich geeigneter Weise zwischen den beiden Lagerschalen befindet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19818120 A1 [0006]

Claims

Gleitlageranordnung für Brennkraftmaschinen mit durch eine Welle (1) und ein Gehäuse (7) oder einen Gehäuseabschnitt gebildeten Lagerpartnern, wobei einer der beiden Lagerpartner aus Stahl und der andere Lagerpartner aus einem Leichtmetall besteht, und wobei das Gleitlager aus zumindest einer die Welle (1) umgebenden Lagerschale (2) gebildet ist, und einen Lagerspalt (5) ausbildet, in dem ein Schmiermittel zur gleitenden Lagerung der Welle (1) aufnehmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerschale (2) zumindest auf Seiten des Lagerspalts (5) ein Kunststoffmaterial aufweist, das einen Wärmeausdehnungskoeffizienten α_L hat, der größer ist als ein Wärmeausdehnungskoeffizient α_G des aus Leichtmetall bestehenden Lagerpartners.
Gleitlageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerschale (2) einstückig in Form einer Hülse ausgebildet und auf die Stahl-Welle (1) aufgepresst ist, wobei der Lagerspalt (5) zwischen der Lagerschale (2) und dem Leichtmetall-Gehäuse (7) vorliegt, oder dass die Lagerschale (2) als Spritzgussteil einstückig ausgebildet und auf die Stahl-Welle (1) aufgespritzt ist, wobei der Lagerspalt (5) zwischen der Lagerschale (2) und dem Leichtmetall-Gehäuse (7) vorliegt.
Gleitlageranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Längsachse der Welle (1) ein Schmiermittelzuführkanal (4') verläuft, der in einen Kanal (4) mündet, der sich von dem Schmiermittelzuführkanal (4') in die Lagerschale (2) mündend bis zu dem Lagerspalt (5) erstreckt, wobei die Lagerschale (2) und zumindest eine Auskleidung (4'') des Kanals (4), insbesondere eine Auskleidung (4'') des Kanals (4) und des Schmiermittelzuführkanals (4') einstückig an die Stahl-Welle (1) gespritzt sind, und wobei im Falle der Ausbildung der Welle (1) als rohrförmige Hohlwelle ein Ende mittels des angespritzten Kunststoffs stopfenartig verschlossen ist, das abseits des Anschlusses der Schmiermittelzuführung liegt, und/oder das Gehäuse (7) oder zumindest ein Abschnitt des Gehäuses (7) einen Schmiermittelkanal (4) aufweist, der sich von einer der Welle (1) abgewandten Seite des Gehäuses (7) oder des Abschnitts des Gehäuses (7) in die Lagerschale (2) mündend in den Lagerspalt (5) erstreckt.
Gleitlageranordnung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerschale (2) zumindest an einem Ende eine radial umlaufende Dichtlippe (3) aufweist.
Gleitlageranordnung nach einem de Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerschale (2) zumindest in einem Abschnitt des Gehäuses (7), kraftschlüssig und/oder formschlüssig positionsfest angeordnet und gegen das Gehäuse (7), das insbesondere ein Zylinderkopf oder eine Zylinderkopfhaube ist, oder gegen den Abschnitt des Gehäuses (7), der insbesondere ein Lagerstuhl und/oder ein Lagerdeckel ist, abgestützt ist, wobei der Lagerspalt (5) zwischen der Lagerschale (2) und der Welle (1) oder zwischen dem Gehäuse (7) und einer die Lagerschale (2) bildenden die Welle (1) umgebenden Beschichtung oder zwischen der Lagerschale (2) und einer die Welle (1) umgebenden Beschichtung vorliegt.
Verfahren zur Herstellung einer Gleitlageranordnung gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei im Bereich der Lagerstelle eine Lagerschale (2) ausgebildet oder angeordnet wird, die aus einem Kunststoffmaterial besteht, das einen Wärmeausdehnungskoeffizient α_L aufweist, der größer ist als ein Wärmeausdehnungskoeffizient α_G des aus Leichtmetall bestehenden Lagerpartners.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Lagerschale eine Hülse bereitgestellt wird, die auf die Welle (1) aufgepresst wird, oder dass die Lagerschale (2) durch eine Beschichtung einer der beiden Lagerpartner mit dem Kunststoffmaterial, vorzugsweise durch Spritzgießen erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (4) und/oder der Schmiermittelzuführkanal (4') mittels des Kunststoffmaterials, vorzugsweise durch Spritzgießen ausgekleidet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in dem Bereich der Lagerstelle die Oberfläche des die Lagerschale (2) tragenden Lagerpartners, vorzugsweise unter Ausbildung makroskopischer Hinterschnitte aufgeraut wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (1) in das Gehäuse (7) montiert wird, wonach temperaturgesteuert das Kunststoffmaterial in einen Raum zwischen der Welle (1) und dem Gehäuse (7) eingespritzt wird, wonach das Kunststoffmaterials nach dem Anspritzen von einer Spritztemperatur auf Raumtemperatur unter Aufschrumpfen des Kunststoffmaterials auf einen de Lagerpartner abgekühlt wird.