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Die Erfindung betrifft eine Lagerungsanordnung eines ersten Bauteils an einem zweiten Bauteil, insbesondere für eine Verbrennungskraftmaschine, nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Der
US 1,479,324 ist eine Lagerungsanordnung eines Pleuels an einem Hubzapfen einer Kurbelwelle einer Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine als bekannt zu entnehmen. Das Pleuel als erstes Bauteil ist an dem Hubzapfen als zweites Bauteil mittels eines Wälzlagers gelagert. Dabei weist das Pleuel ein Pleuellager auf, welches von dem Hubzapfen durchdrungen ist. Somit ist der Hubzapfen zumindest teilweise in dem Pleuel angeordnet.
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Eine dem Pleuel zugeordnete Innenumfangsfläche ist zumindest teilweise als Außenlaufbahn und eine dem Hubzapfen zugeordnete Außenumfangsfläche ist zumindest teilweise als Innenlaufbahn für die Wälzkörper ausgebildet. Mit anderen Worten können die Wälzkörper an der Außenlaufbahn und der Innenlaufbahn abwälzen.
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Ferner ist ein Wälzkörperkäfigelement mit zwei voneinander separaten Käfigteilen vorgesehen, mittels welchen die Wälzkörper, vorliegend in Form von Kugeln, voneinander beabstandet sind.
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Die
US 2010/0195945 A1 offenbart ein Nadelrollenlager mit Nadelrollen als Wälzkörper, die mittels eines zwei Käfigteile umfassenden Wälzkörperkäfigelements voneinander beabstandet sind.
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Es hat sich gezeigt, dass es bei Relativbewegungen der beiden Bauteile zueinander, insbesondere während des Betriebs der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine, zu einer hohen Belastung des Wälzkörperkäfigelements kommt, die zu einer Beschädigung oder einem Versagen des Wälzlagers, zu einem sehr hohen Verschleiß sowie zu einer sehr hohen Reibung der Lagerungsanordnung führen.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Lagerungsanordnung der eingangs genannten Art bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Lagerungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nichttrivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Zur Realisierung einer besonders geringen Belastung des Wälzkörperkäfigelements und damit des Wälzlagers ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass bei Bewegen eines ersten der Käfigteile in wenigstens eine Richtung in Stützanlage mit der Innenumfangsfläche bzw. der Außenlaufbahn und bei Bewegen des zweiten Käfigteils in die gleiche, wenigstens eine Richtung, das zweite Käfigteil unter Beabstandung von der Außenumfangsfläche am ersten Käfigteil abstützbar bzw. abgestützt ist.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das erste Käfigteil in der Stützanlage an der Innenumfangsfläche von der Außenumfangsfläche beabstandet ist. Dies bedeutet, dass eine sogenannte Innenumfangsflächenführung bzw. Außenlaufbahnführung des Wälzkörperkäfigelements realisiert ist, so dass trotz der Verwendung der voneinander separaten Käfigteile ein eindeutiges Anliegen der Käfigteile an der Innenumfangsfläche (Außenlaufbahn) während der Relativbewegung der Bauteile zueinander realisiert ist, ohne dass die Käfigteile in Stützanlage mit der Außenumfangsfläche (Innenlaufbahn) kommen.
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Ein wechselseitiges Anliegen der Käfigteile an der Innenumfangsfläche und an der Außenumfangsfläche ist bei der erfindungsgemäßen Lageranordnung vermieden, da das zweite Käfigteil über das sich in Stützanlage mit der Innenumfangsfläche befindende erste Käfigteil an der Innenumfangsfläche abgestützt wird, ohne die Außenumfangsfläche zu berühren und in Stützanlage mit dieser zu kommen. Dadurch werden sehr hohe, wechselnde Belastungen für die voneinander separaten, getrennten bzw. geteilten Käfigteile vermieden oder besonders gering gehalten. Ein weiterer Vorteil ist, dass Geräusche durch einen Anlagewechsel der Käfigteile an der Außenumfangsfläche und an der Innenumfangsfläche vermieden werden. Ferner weist die erfindungsgemäße Lagerungsanordnung aufgrund der Vermeidung dieses Anlagewechsels einen nur geringen Verschleiß und eine geringe Reibung auf. Die Vermeidung des Anlagewechsels hält auch insbesondere eine auf die Käfigteile wirkende Biegebelastung gering oder vermeidet diese.
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Vorzugsweise sind die Wälzkörper Zylinderrollen, wobei das Wälzlager als Zylinderrollenlager ausgebildet ist. Ebenso möglich ist es, dass die Wälzkörper Nadelrollen sind, wobei das Wälzlager als Nagelrollenlager ausgebildet ist.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass die Außenlaufbahn bzw. die Innenumfangsfläche durch das erste Bauteil gebildet ist, während die Innenlaufbahn bzw. die Außenumfangsfläche durch das zweite Bauteil gebildet ist. Dies bedeutet, dass die Wälzkörper vorzugsweise vermittlungsfrei, d. h. direkt an den Bauteilen abwälzen, ohne dass sie unter Vermittlung eines Lagerinnenrings und eines Lageraußenrings an den Bauteilen abgestützt sind. Dies hält den Bauraumbedarf, das Gewicht und die Kosten der erfindungsgemäßen Lagerungsanordnung gering.
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Die Verwendung der voneinander separaten, d. h. voneinander getrennten bzw. geteilten Käfigteile birgt den Vorteil, dass sie mit einem nur geringen Montageaufwand und somit zeit- und kostengünstig montiert werden können. Ferner kann dadurch eine besonders hohe Anzahl an Wälzkörpern realisiert werden. Dies führt zu einer sehr guten Lagerung des ersten Bauteils am zweiten Bauteil.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das erste Bauteil ein Pleuel und das zweite Bauteil ein Hubzapfen einer Kurbelwelle einer Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine. Infolge der vorteilhaften Lagerung können der Kraftstoffverbrauch und die CO2-Emissionen der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine besonders gering gehalten werden.
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Die voneinander getrennte Ausgestaltung der Käfigteile ist hierbei insofern vorteilhaft, als eine einteilige, nicht-gebaute Kurbelwelle verwendet werden kann, bei der der Hubzapfen einteilig ausgebildet ist. Dies hält die Kosten der Kurbelwelle gering, da die einteilige Kurbelwelle im Gegensatz zu einer gebauten Kurbelwelle kostengünstig herstellbar ist. Gleichzeitig ist eine einfache Montage des Wälzlagers ermöglicht.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei dienen 1 und 2 zur Erläuterung des Hintergrunds der Erfindung.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 eine schematische Schnittansicht einer Lagerungsanordnung eines Pleuels an einem Hubzapfen einer Kurbelwelle einer Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine, bei welcher das Pleuel über ein Wälzlager am Hubzapfen gelagert ist, wobei das Wälzlager einen Lagerkäfig mit zwei Käfigteilen umfasst;
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2 eine weitere schematische Schnittansicht der Lagerungsanordnung gemäß 1; und
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3 eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Lagerungsanordnung gemäß 1 und 2, wobei ein Anlagewechsel der Käfigteile an Außenlaufbahnen und Innenlaufbahnen für das Wälzlager vermieden ist.
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1 bis 3 zeigen eine Lagerungsanordnung 10 eines ersten Bauteils in Form eines ausschnittsweise dargestellten Pleuels 12 an einem zweiten Bauteil in Form eines Hubzapfens 14 einer einteiligen, d. h. nicht-gebauten Kurbelwelle für eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine. Das Pleuel 12 weist dazu ein großes Pleuelauge 16 auf, welches von dem Hubzapfen 14 in dessen Längserstreckungsrichtung durchdrungen ist.
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Das Pleuel 12 weist auch ein kleines Pleuelauge auf, über welches es mit einem Kolben der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine gelenkig gekoppelt ist. Der Kolben ist in einem Zylinder der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine translatorisch bewegbar angeordnet. Infolge der gelenkigen Kopplung mit dem Pleuel 12 und der Lagerung des Pleuels 12 am Hubzapfen 14 können die translatorischen Bewegungen des Kolbens bzw. des Pleuels 12 in eine rotatorische Bewegung der Kurbelwelle umgewandelt werden.
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Dabei drehen sich das Pleuel 12 und der Hubzapfen 14 um eine Drehachse 18 relativ zueinander.
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Zur Lagerung des Pleuels 12 am Hubzapfen 14 ist ein Wälzlager 20 vorgesehen, welches als Zylinderrollenlager oder Nadelrollenlager ausgebildet sein kann und eine Mehrzahl von nicht erkennbaren Wälzkörpern umfasst.
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Das Wälzlager 20 umfasst keinen Lageraußenring und keinen Lagerinnenring. Dies bedeutet, dass die Wälzkörper einerseits direkt am Pleuel 12 und andererseits direkt am Hubzapfen 14 abwälzen. Dazu weist das Pleuel 12 eine Innenumfangsfläche 24 auf, welche zumindest bereichsweise als Außenlaufbahn 26 für die Wälzkörper ausgebildet ist. Der Hubzapfen 14 weist eine Außenumfangsfläche 28 auf, welche zumindest teilweise als Innenlaufbahn 30 für die Wälzkörper ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass die Wälzkörper einerseits an der Außenlaufbahn 26 und andererseits an der Innenlaufbahn 30 abwälzen.
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Des Wälzlager 20 umfasst auch ein Wälzkörperkäfigelement, welches als Lagerkäfig 32 bezeichnet ist. Der Lagerkäfig 32 umfasst ein erstes Käfigteil, welche als erste Käfighälfte 34 bezeichnet ist. Ferner umfasst der Lagerkäfig 32 ein zweites Käfigteil, welches als zweite Käfighälfte 36 bezeichnet ist. Mit 22 sind gestrichelt dargestellte Taschen des Lagerkäfigs 32 bezeichnet. Die Wälzkörper sind dabei in den Taschen 22 zumindest teilweise aufgenommen und werden durch die Taschen 22 des Lagerkäfigs 32 geführt.
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Wie insbesondere 1 und 3 zu entnehmen ist, sind die Käfighälften 34, 36 separat voneinander, d. h. voneinander getrennt bzw. geteilt. Dies bedeutet, dass die Käfighälften 34, 36 nicht miteinander verbunden sind und sich relativ zueinander bewegen können. Dadurch ist eine besonders einfache Montage des Wälzlagers 20 ermöglicht. Ferner ist es dadurch möglich, dass die Kurbelwelle einteilig und somit als nicht-gebaute Kurbelwelle ausgebildet ist, deren Hubzapfen 14 einteilig ist.
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1 zeigt sogenannte, dynamische Spalte 38, 40 zwischen den Käfighälften 34, 36, welche auch als dynamischer Split bezeichnet werden.
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Während des Betriebs der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine können sich die Käfighälften 34, 36 relativ zueinander bewegen, so dass die Breite des dynamischen Splits variieren und beispielsweise auch Null betragen kann. Dann befinden sich die Käfighälften 34, 36 in gegenseitiger Stützanlage.
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Der dynamische Split wird einerseits von Trennflächen 42, 44 der ersten Käfighälfte 34 und andererseits von Trennflächen 46, 48 der zweiten Käfighälfte 36 begrenzt. Entlang dieser Trennflächen 42, 44, 46, 48 sind die Käfighälften 34, 36 voneinander getrennt bzw. geteilt. Mit anderen Worten sind die Käfighälften 34, 36 in einer Trennebene, welche auch als Splitebene bezeichnet wird, voneinander getrennt bzw. geteilt. Vorliegend sind die Trennflächen 42, 44 gegenüberliegend der Trennflächen 46, 48 angeordnet.
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2 veranschaulicht schematisch die Biegung des Hubzapfens 14 über den Lagerkäfig 32.
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Wie den 1 und 3 ferner zu entnehmen ist, ist zwischen dem Lagerkäfig 32 und der Außenlaufbahn 26 sowie zwischen dem Lagerkäfig 32 und der Innenlaufbahn 30 eine sogenannte Käfigluft vorhanden, infolge derer sich die Käfighälften 34, 36 relativ zum Hubzapfen 14 und zum Pleuel 12 bewegen können.
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Infolge dieser Käfigluft und wenn keine entsprechenden Gegenmaßnahmen getroffen sind, kann es beim Betrieb der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine zu einem Anlagewechsel der Käfighälften 34, 36 kommen, wobei die Käfighälften 34, 36 jeweils sowohl mit der Innenlaufbahn 30 als auch mit der Außenlaufbahn 26 in Stützanlage kommen. Die Käfigluft dient zur Vermeidung von Klemmen und beschreibt den Weg, welche die Käfighälften 34, 36 zwischen den Hubzapfen 14 und der Innenumfangsfläche 24 zurücklegen können.
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Gemäß 1 befindet sich die erste Käfighälfte 34 in einem Bereich A in Stützanlage mit der Innenlaufbahn 30, während sich die zweite Käfighälfte 36 in einem zweiten Bereich B in Stützanlage mit der Außenlaufbahn 26 befindet.
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Diese Anlagewechsel führen zu Geräuschen, einem relativ hohen Verschleiß, einer hohen Reibung sowie zu einer Biegebelastung des Lagerkäfigs 32. Die Anlagewechsel resultieren insbesondere aus der Bewegung des Pleuels 12 und damit einhergehenden Zentrifugalkräften sowie aus einer Rotation des Lagerkäfigs 32 relativ zum Hubzapfen 14.
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3 veranschaulicht nun die Vermeidung dieses Anlagewechsels. Dazu sind jeweilige Durchmesser der Außenlaufbahn 26 und der Innenlaufbahn 30 bezogen auf die Drehachse 18 derart ausgestaltet, dass, wenn sich die Käfighälften 34, 36 in ihren Extremlagen befinden, d. h. eine erste der Käfighälften 34, 36 in wenigstens eine Richtung in Stützanlage mit der Außenlaufbahn 26 und die andere der Käfighälften 34, 36 in die gleiche, wenigstens eine Richtung maximal bewegt wird, die Trennflächen 42, 44 mit den Trennflächen 46, 48 in Stützanlage kommen, ohne dass es dabei zu einem Kontakt der Käfighälften 34, 36 mit dem Hubzapfen 14 bzw. der Innenlaufbahn 30 kommt. Ferner sind die Käfighälften 34, 36 auch bei einer maximal möglichen Verschiebung in der Trennebene (Splitebene) relativ zueinander vom Hubzapfen 14 bzw. der Innenlaufbahn 30 beabstandet, indem sie vorzugsweise vorher in Stützanlage mit der Außenlaufbahn 26 kommen.
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Mit anderen Worten sind Raumkoordinaten Ki auf einer dem Hubzapfen 14 zugewandten Innenseite 50 der sich an der Außenlaufbahn 26 abstützenden Käfighälfte 34 unter Abzug der Beträge für die Verschiebung infolge der Käfigluft L und des Splits S ungleich und nicht kleiner als Raumkoordinaten Z auf der Außenumfangsfläche 28 bzw. auf der Innenlaufbahn 30 des Hubzapfens 14. Diese Bedingung ist vorzugsweise unter allen Betriebszuständen der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine erfüllt. Die Formel für diese Bedingungen lautet: |Ki| – |L| – |S| > |Z|
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Die Raumkoordinaten Z, Ki beziehen sich dabei auf ein hubzapfenfestes Koordinatensystem 52, dessen Ursprung 0 im Hubzapfenmittelpunkt und vorliegend auf der Drehachse 18 liegt.
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In 3 ist durch einen Richtungspfeil 54 eine durch die Käfigluft L und den Split S bedingte Verschiebung angedeutet. Wie 3 ferner zu entnehmen ist, liegt die zweite Käfighälfte 36 an der Außenlaufbahn 26 an, wobei sich die erste Käfighälfte 34 über die Trennflächen 42, 44, 46, 48 an der zweiten Käfighälfte 36 abstützt, ohne die Innenlaufbahn 30 zu berühren. Es kommt zu keinem Anliegen der Käfighälften 34, 36 am Hubzapfen 14, so dass eine Außenlaufbahnführung der Käfighälften 34, 36 realisiert ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Lagerungsanordnung
- 12
- Pleuel
- 14
- Hubzapfen
- 16
- Pleuelauge
- 18
- Drehachse
- 20
- Wälzlager
- 22
- Tasche
- 24
- Innenumfangsfläche
- 26
- Außenlaufbahn
- 28
- Außenumfangsfläche
- 30
- Innenlaufbahn
- 32
- Lagerkäfig
- 34
- erste Käfighälfte
- 36
- zweite Käfighälfte
- 38
- dynamischer Spalt
- 40
- dynamischer Spalt
- 42
- Trennfläche
- 44
- Trennfläche
- 46
- Trennfläche
- 48
- Trennfläche
- 50
- Innenseite
- 52
- Koordinatensystem
- 0
- Ursprung
- A
- Bereich
- B
- Bereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 1479324 [0002]
- US 2010/0195945 A1 [0005]
