DE102012222752A1

DE102012222752A1 - Lageranordnung

Info

Publication number: DE102012222752A1
Application number: DE102012222752.0A
Authority: DE
Inventors: Luke Brodbeck; Jeff Carter; Falk Schneider
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2012-12-11
Filing date: 2012-12-11
Publication date: 2014-06-12
Also published as: JP2014114957A; US9410577B2; US20140158077A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung (1) mit zumindest einem Gleitlager (3), das eine Polymerbeschichtung (4) aufweist. Erfindungswesentlich ist dabei, – dass die Lageranordnung (1) eine Nockenwelle (2) lagert, – dass die Polymerbeschichtung (4) auf der Nockenwelle (2) aufgebracht ist, oder – dass die Polymerbeschichtung (4) in einem Lagerring (5) angeordnet ist, wobei an dem Lagerring (5) oder an einem Zylinderkopf (7), der den Lagerring (5) aufnimmt, zugleich eine Ölmulde (6) zum Sammeln von Öl vorgesehen ist. Hierdurch kann eine kostengünstige und leichtgängige Gleitlagerung der Nockenwelle (2) erreicht werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lageranordnung mit zumindest einem Gleitlager, welches eine Polymerbeschichtung aufweist gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der WO 2010 066 396 A1 ist eine gattungsgemäße Lageranordnung, insbesondere zum Lagern einer Kurbelwelle bekannt, wobei die Polymerbeschichtung dazu beitragen soll, das Lagern der Kurbelwelle einerseits zu erleichtern und dadurch Energie einzusparen und andererseits die Lageranordnung insgesamt kostengünstiger ausbilden zu können.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Lageranordnung der gattungsgemäßen Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die speziell zum Lagern weiterer Motorwellen bestens geeignet ist.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, zum Lagern einer Nockenwelle in einem Verbrennungsmotor mehrere Gleitlager mit jeweils einem Kunststofflager, das heißt insbesondere einer Polymerbeschichtung einzusetzen. Die Polymerbeschichtung ist dabei alternativ direkt auf der Nockenwelle aufgebracht oder aber in einem Lagerring angeordnet, wobei an diesem Lagerring oder an einem den Lagerring aufnehmenden Zylinderkopf zugleich eine Ölmulde in der Art eines Ölsammelbereichs zum Sammeln von die Nockenwelle schmierendem Öl vorgesehen ist. Durch die Gleitlagerung der Nockenwelle mittels der erfindungsgemäßen polymerbeschichteten Lagerstellen ist es insbesondere möglich, Öl mit geringerer Viskosität zu verwenden und die Lagerstellen selbst beispielsweise nicht mehr direkt mit Öl zu beaufschlagen, sondern lediglich dort anspritzendes Öl für die Schmierung zu verwenden. Hierdurch können beispielsweise bisher vorhandene und vergleichsweise aufwändige Ölzuführungskanäle entfallen. Vor diesem Hintergrund ist es möglich, eine Ölpumpe mit geringerer Leistung zu verwenden, die einerseits kostengünstiger ist und andererseits einen kleineren Bauraum benötigt, was insbesondere im Hinblick auf die immer enger werdenden Motorräume in modernen Kraftfahrzeugen von besonderem Vorteil ist. Ein weiterer großer Vorteil einer derartigen polymergelagerten Nockenwelle ist der Einsatz bei sogenannten Start-Stopp-Strategien, mittels welchen viele der heutigen Kraftfahrzeuge bereits ausgestattet sind, um Kraftstoff und damit Energie einsparen zu können. Durch die Verringerung der Reibung und auch durch den möglichen Einsatz einer leistungsschwächeren Ölpumpe kann zudem die CO₂-Emmision reduziert werden, was wiederum erhebliche Vorteile für die Umwelt bringt.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist die Polymerbeschichtung direkt auf der Nockenwelle aufgebracht und zudem ist im Zylinderkopf ein Ölzuführungskanal angeordnet, der an einer Lagerstelle mündet, die mit der auf der Nockenwelle aufgebrachten Polymerbeschichtung in Gleitkontakt steht. Bei dieser Ausführungsform ist zwar noch der bisher obligatorische Ölzuführungskanal im Zylinderkopf vorhanden, die Reibung der Nockenwelle kann jedoch im Vergleich zu bisherigen Gleitlagern bereits signifikant gesenkt werden. Eine ähnlich geringe Reibung weisen lediglich Wälzlager auf, die jedoch in der Herstellung deutlich teurer sind.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist die Polymerbeschichtung in einem Lagerring angeordnet, der an seiner dem Zylinderkopf zugewandten Seite zumindest ein Positionierelement, beispielsweise in der Art einer Sicke aufweist, das in eine im Zylinderkopf ausgebildete Ausnehmung eingreift und dadurch den Lagerring, insbesondere in Axialrichtung, relativ zum Zylinderkopf positioniert. Bei einer derartigen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lageranordnung ist ein einfacher und zudem exakter Einbau der Nockenwelle samt Lageranordnungen in den Zylinderkopf möglich. Mittels derartige Positionierelemente und zugehörigen Ausnehmungen lässt sich auch ein Poka-Joke-System realisieren, mittels welchem ein Falscheinbau der Lageranordnung bzw. der Nockenwelle gänzlich ausgeschlossen werden kann. Zweckmäßig weist die Polymerbeschichtung eine Struktur auf, insbesondere eine filmbildende oder ölfördernde Struktur. Eine derartige Öl fördernde bzw. Ölfilm bildende Struktur bewirkt dabei eine ständige Schmierung der Lagerstelle, das heißt eines Zwischenraumes zwischen der Polymerbeschichtung und der Nockenwelle bzw. dem Zylinderkopf. Durch eine derartige Ölfilm bildende Struktur kann die Reibung der Nockenwelle in der Lageranordnung nochmals deutlich reduziert werden, womit wiederum eine Reduzierung der CO₂-Emmision einhergeht. Die Strukturen können dabei beispielsweise in der Art von Rillen oder ähnlichen Vertiefungen ausgebildet sein.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung weist die Polymerbeschichtung Polyimid, Acrylat oder Epoxidharz auf. Bereits diese Aufzählung lässt erahnen, dass für die Polymerbeschichtung, das heißt für die Kunststoffbeschichtung, eine große Anzahl an Kunststoffen geeignet sind, die lediglich die im Bereich der Lagerung der Nockenwelle auftretenden Temperaturen sowie eine Beständigkeit gegenüber Öl aufweisen müssen. Polyimid ist beispielsweise ein Hochleistungskunststoff, dessen wichtigstes Strukturmerkmal die Imidgruppe ist. Als wichtigste Eigenschaften von Polyimiden sind beispielsweise deren Temperaturbeständigkeit und chemische Beständigkeit zu nennen, wodurch sie für den Einsatz der erfindungsgemäßen Polymerbeschichtung in der Lageranordnung besonders geeignet sind. Auch Epoxidharze können durch eine Zusammenmischung unterschiedlicher Polymere so gestaltet werden, dass je nach Reaktionsführung und unter Zugabe geeigneter Härter ein duroplastischer Kunststoff von hoher Festigkeit und chemischer Beständigkeit erreicht wird.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung besitzt die Polymerbeschichtung metallische Partikel und/oder Polytetraflurorethylen (PTFE) in eine Konzentration von 1–15 Vol.-%. Durch die Beimischung derartiger Partikel, beispielsweise PTFE-Partikel, kann die chemische Beständigkeit der Polymerbeschichtung nochmals gesteigert werden, da insbesondere PTFE eine hohe chemische Beständigkeit gegenüber aggressiven Chemikalien besitzt. Darüber hinaus besitzt Polytetrafluorethylen den großen Vorteil, dass dessen Haftreibung genauso groß ist die wie die Gleitreibung, so dass der Übergang vom Stillstand zur Bewegung ohne Ruck stattfinden kann, was insbesondere in Kraftfahrzeugen mit Start-Stopp-Strategie von großen Vorteil ist. Selbstverständlich ist dabei auch die gesamte Ausbildung der Polymerbeschichtung aus PTFE denkbar.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Dabei zeigen, jeweils schematisch,
1 eine erste mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lageranordnung, bei welcher die Polymerbeschichtung auf die Nockenwelle aufgebracht ist,
2 eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lageranordnung, bei welcher die Polymerbeschichtung in einem Lagerring angeordnet ist, der zugleich eine Ölmulde aufweist,
3 eine Seitenansicht auf den erfindungsgemäßen Lagerring,
4 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lageranordnung mit Lagerring, wobei jedoch eine Ölsammelmulde nunmehr im Zylinderkopf angeordnet ist,
5 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lageranordnung mit Lagerring und Ölsammelmulde im Zylinderkopf, wobei der Durchmesser der Nockenwelle im Bereich der Lageranordnung vergrößert ist.
Entsprechend den 1, 2, 4 und 5, weist eine erfindungsgemäße Lageranordnung 1 einer Nockenwelle 2 zumindest ein Gleitlager 3 auf, welches eine Polymerbeschichtung 4 besitzt. Erfindungsgemäß ist nun die Polymerbeschichtung 4 direkt auf der Nockenwelle 2 aufgebracht, wie dies beispielsweise in der 1 dargestellt ist, oder alternativ in einem Lagerring 5, wie dies gemäß den 2 bis 4 dargestellt ist, wobei an dem Lagerring zugleich eine Ölmulde 6 zum Sammeln von Öl vorgesehen ist. Bei der gemäß der 4 gezeigten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lageranordnung 1 kann die Ölmulde 6 auch an einem Zylinderkopf 7 angeordnet sein. Die Ölmulde 6 bewirkt dabei ein Sammeln von angespritztem Öl, so dass bei Vorhandensein einer derartigen Ölmulde 6 generell auf eine separate und vergleichsweise aufwändige Ölzuführung, beispielsweise mittels eines Ölzuführungskanals 8 (vgl. 1) verzichtet werden kann.
Mit der erfindungsgemäßen Gleitlagerung über die Polymerbeschichtung 4 lässt sich die Reibung der Nockenwelle 2 deutlich verringern, wodurch ein damit ausgestatteter Verbrennungsmotor 9 weniger Kraftstoff verbraucht und weniger CO₂ ausstößt. Zudem kann bei der erfindungsgemäßen Lageranordnung 1 Öl mit einer geringeren Viskosität eingesetzt werden und – wie vorhin erwähnt – auf eine separate Ölzuführung gänzlich verzichtet werden, wodurch auch eine Ölpumpe leistungsschwächer ausgebildet werden kann. Durch den geringeren Öldruck bzw. die geringere Leistungsfähigkeit der Ölpumpe kann wiederum Energie eingespart und der CO₂-Ausstoß reduziert werden. Je nach verwendetem Kunststoff für die Polymerbeschichtung 4 kann auch der Übergang von der stillstehenden zur drehenden Nockenwelle 2 erleichtert werden, was insbesondere bei modernen Kraftfahrzeugen mit sogenannter Start-Stopp-Strategie von großem Vorteil ist.
Betrachtet man die 1, so kann man erkennen, dass im Zylinderkopf 7 ein Ölzuführungskanal 8 angeordnet ist, der an einer Lagerstelle 10 mündet, wobei diese Lagerstelle 10 mit der auf der Nockenwelle 2 aufgebrachten Polymerbeschichtung 4 in Gleitkontakt steht. Bei der gemäß der 1 gezeigten Ausführungsform ist somit eine direkte Schmierung der Lagerstelle 10 und damit der Lageranordnung 1 noch gegeben.
Bei den gemäß den 2 bis 5 gezeigten Alternativen ist die Polymerbeschichtung 4 am Lagerring 5 angeordnet, wobei der Lagerring 5 generell als Blechformteil ausgebildet sein kann. Hierbei könnte die Nockenwelle 2 mit vormontierten Lagerringen 5 in eine geschlossene Lagergasse eingeschoben werden, sofern ein Lageraußendurchmesser größer als ein Durchmesser eines Nockens 11 ist. Durch die Ölmulde 6 (vgl. 2 und 3) wird das an die Nockenwelle 2 spritzende Öl gesammelt und kann dabei ständig zur erneuten Schmierung des Gleitlagers 3 verwendet werden. Alternativ zur Ausbildung der Ölmulde 6 im Lagerring 5 kann diese auch direkt im Zylinderkopf 7 ausgebildet sein, wie dies gemäß der 4 gezeigt ist, wobei in diesem Fall nur ein geteilter Lagerrahmen zum Einsatz kommen kann.
In 5 wird eine Alternative gezeigt, bei der die Nockenwelle 2 im Bereich des Gleitlagers 3 im Außendurchmesser vergrößert ist und somit einen erhabenen Lagerbereich 15 schafft. Hierdurch wird der direkte Laufbereich der Gleitlagerung näher in den Bereich der Ölmulde 6 gebracht, was eine besonders vorteilhafte Versorgung mit Öl bewirkt. Bei dieser Variante kann wiederum nur ein geteilter Lagerrahmen zum Einsatz kommen. Zur verbesserten Montage der Nocken 11 auf der Nockenwelle 2 ist es natürlich auch denkbar, die nockenwellenseitigen Fügesitze der Nocken 11 ebenfalls erhaben zu gestalten, so dass diese mindestens den Durchmesser der Lagerstellen aufweisen.
Betrachtet man die 3, so kann man erkennen, dass die Polymerbeschichtung 4 eine Struktur 12, insbesondere in der Art von Rillen oder Furchen aufweist, wodurch insbesondere eine stetig Ölförderung über die Polymerbeschichtung 4 sowie eine Ölfilmbildung unterstützt werden können. Durch den Aufbau eines hydrodynamischen Schmierfilms mittels der Struktur 12 kann die Reibung der Nockenwelle 2 nochmals deutlich reduziert werden.
Betrachtet man den Lagerring 5 gemäß den 2 und 3, so kann man erkennen, dass dieser an seiner dem Zylinderkopf 7 zugewandten Seite zumindest ein Positionierelement 13 aufweist, welches in einem Zylinderkopf 7 ausgebildete Ausnehmung 14 eingreift und dadurch den Lagerring 5 relativ zum Zylinderkopf 7 positioniert. Die Positionierelemente 13 können dabei beispielsweise in Form von einstückig mit dem Lagerring 5 ausgebildeten Sicken ausgebildet sein. Die Positionierelemente 13 bewirken dabei insbesondere eine Fixierung in Axialrichtung relativ zum Zylinderkopf 7.
Für die Polymerbeschichtung 4 können unterschiedlichste Polymere, beispielsweise Polyimid, Acrylat, Polytetraflourethylen oder Epoxidharz eingesetzt werden. Polyimide zeichnen sich dabei beispielsweise durch eine hohe thermische sowie chemische Beständigkeit aus. Die chemische Beständigkeit ist insbesondere im Zusammenhang mit alternativen Kraftstoffen wie beispielsweise der Beimengung von Alkohol oder Verunreinigungen durch verlängerte Ölwechselintervalle von großer Bedeutung. Polytetrafluorethylen (PTFE) weist ähnliche Eigenschaften auf und besitzt darüber hinaus den großen Vorteil, dass die Haftreibung ebenso groß wie die Gleitreibung ist, wodurch insbesondere das Anlaufen der Nockenwelle 2 erleichtert wird. Die Polymerbeschichtung 4 kann darüber hinaus metallische Partikel und/oder PTFE-Partikel in einer Konzentration von 1–15 Vol.-% aufweisen. In Untersuchungen konnte festgestellt werden, dass die Beigabe solcher zusätzlicher Partikel, beispielsweise von Aluminiumflocken oder Keramikpartikeln die Verschleißbeständigkeit verbessert. Darüber hinaus konnte durch solche Partikel auch eine verbesserte Wärmeableitung aus der Lagerzone erreicht werden.
Generell kann mit der erfindungsgemäßen Lageranordnung 1 eine nicht nur kostengünstige und einfach herzustellende Lageranordnung 1 geschaffen werden, sondern zudem eine Lageranordnung 1, deren Reibung deutlich verbessert ist im Vergleich zu bisherigen Gleitlagern. Lediglich Wälzlager weisen ähnlich gute Eigenschaften auf, sind jedoch in der Herstellung deutlich teurer.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2010066396 A1 [0002]

Claims

Lageranordnung (1) mit zumindest einem Gleitlager (3), das eine Polymerbeschichtung (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, – dass die Lageranordnung (1) eine Nockenwelle (2) lagert, – dass die Polymerbeschichtung (4) auf der Nockenwelle (2) aufgebracht ist, oder – dass die Polymerbeschichtung (4) in einem Lagerring (5) angeordnet ist, wobei an dem Lagerring (5) oder an einem Zylinderkopf (7), der den Lagerring (5) aufnimmt, zugleich eine Ölmulde (6) zum Sammeln von Öl vorgesehen ist.
Lageranordnung nach Anspruch 1, erste Alternative, dadurch gekennzeichnet, dass im Zylinderkopf (7) ein Ölzuführungskanal (8) angeordnet ist, der an einer Lagerstelle (10) mündet, die mit der auf der Nockenwelle (2) aufgebrachten Polymerbeschichtung (4) in Gleitkontakt steht.
Lageranordnung nach Anspruch 1, zweite Alternative, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerring (5) an seiner dem Zylinderkopf (7) zugewandten Seite zumindest ein Positionierelement (13) aufweist, welches in eine im Zylinderkopf (7) ausgebildete Ausnehmung (14) eingreift und dadurch den Lagerring (5) relativ zum Zylinderkopf (7) positioniert.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerring (5) als Blechformteil ausgebildet ist.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerbeschichtung (4) eine Struktur (12) aufweist, insbesondere eine filmbildende und ölfördernde, Struktur (12).
Lageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerbeschichtung (4) Polyimid, Acrylat, Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Epoxidharz aufweist.
Lageranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerbeschichtung (4) metallische Partikel und/oder Polytetrafluorethylen-Partikel in einer Konzentration von 1–15 Vol.-% aufweist.
Lageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenwelle (2) im zumindest einen Gleitlager (3) mit Polymerbeschichtung (4) einen erhabenen Lagerbereich (15) aufweist, das heißt im Durchmesser vergrößert ist.
Verbrennungsmotor (9) mit einer Lageranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.