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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lagerbrücke zur Lagerung einer Nockenwelle für den Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine, aufweisend einen Grundkörper aus einem Grundwerkstoff, wobei in den Grundwerkstoff wenigstens ein Wellendurchgang zur Hindurchführung der zumindest einen Nockenwelle eingebracht ist.
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STAND DER TECHNIK
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Beispielsweise zeigt die
DE 10 2012 007 334 A1 eine Lagerbrücke zur Lagerung einer Nockenwelle für den Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine, und die Lagerbrücke weist einen Grundkörper aus Kunststoff auf, und in den Kunststoff sind Wellendurchgänge eingebracht, in die Lagerringe eingesetzt sind. In den Lagerringen können Nockenwellen drehbar gelagert werden, sodass die Lagerbrücken gewichtsminimal ausgeführt werden können, und die Lagerringe können aus einem Werkstoff gefertigt werden, die einen optimalen Gleitpartner für die Nockenwellen bilden. Durch die entsprechende Auswahl der Lagerringe kann folglich ein optimaler Lagerwerkstoff bereitgestellt werden. Nachteilhaft kann dabei jedoch sein, dass aufgrund unterschiedlicher Temperatur-Ausdehnungskoeffizienten die Lagerringe aus den Wellendurchgängen herauswandern können, oder die Lagerringe können sich auf sonstige Weise vom Kunststoff lösen und beispielsweise mit der Nockenwelle mitdrehen.
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Weiterhin sind Lagerbrücken zur Lagerung einer Nockenwelle für den Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine bekannt, und der Grundkörper der Lagerbrücke weist einen Aluminiumwerkstoff auf. Hingegen sind Nockenwellen häufig aus einem Stahlwerkstoff hergestellt und es bestehen bei einem Grundkörper aus Aluminium und bei Nockenwellen aus einem Stahlwerkstoff erhebliche Unterschiede im Ausdehnungskoeffizienten. Dabei kann es bei einer Erwärmung zu einer stärkeren Vergrößerung des Wellendurchganges im Grundwerkstoff des Grundkörpers kommen, während die Nockenwelle im Durchmesser nicht mit gleichem Maße zunimmt. Beispielsweise in einem Temperaturbereich von –40°C bis +140°C kann sich der Lagerspalt zwischen dem Grundwerkstoff des Grundkörpers im Wellendurchgang und der Nockenwelle stark vergrößern. Dadurch kommt es beim Heißlauf des Motors mit großem Lagerspalt zu dem Erfordernis einer erhöhten Förderleistung durch die Ölpumpe, um den hydrodynamischen Schmiereffekt im Gleitlager zwischen dem Wellendurchgang im Grundwerkstoff des Grundkörpers und der Nockenwelle aufrecht zu erhalten.
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Werden Stahlwerkstoffe zur Bildung der Lagerbrücken eingesetzt, führt eine derartige Werkstoffauswahl zu einem hohen Gewicht der Lagerbrücken, das vermieden werden soll.
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Bekannt sind ferner eingegossene Lagerringe aus Stahlwerkstoff, und die Lager bilden damit eine Reibpaarung zwischen der Nockenwelle und dem Lagerring aus Stahlwerkstoff, die nicht unbedingt optimal ist. Die Lager können damit aus zwei Werkstoffen in Schalenbauweise bestehen mit dem Nachteil der Stahl-Stahl-Reibpaarung, ferner erhöhen sich die Querschnitte der Lagerhöhen zur Erreichung der Bauteilfestigkeit, was grundsätzlich vermieden werden soll. Wünschenswert ist dabei eine Reibpaarung zur Lagerung der Nockenwelle in der Lagerbrücke, die einen Stahlwerkstoff und einen Aluminiumwerkstoff umfasst.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Aufgabe der Erfindung ist die Weiterbildung einer Lagerbrücke zur Lagerung einer Nockenwelle für den Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine, bei der zur Bildung einer Lagerung der Nockenwelle der Lagerspalt möglichst über einen weiten Temperaturbereich gleich bleibt, und wobei die Lagerbrücke möglichst gewichtsminimal ausgeführt werden soll. Ferner soll auf einfache Weise eine vorteilhafte Materialpaarung in der Lagerung der Nockenwelle erreicht werden.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Lagerbrücke zur Lagerung einer Nockenwelle für den Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass ein Ringkörper vorgesehen ist, der im Grundwerkstoff des Grundkörpers im Wesentlichen eingeschlossen ist und der den Wellendurchgang umschließt.
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Der Kern der Erfindung liegt darin, dass der Grundwerkstoff zur Bereitstellung des Grundkörpers der Lagerbrücke auch weiterhin zur Bildung der Gleitpaarung zur Nockenwelle dienen kann, obwohl ein Fremdkörper, nämlich der Ringkörper, der den Wellendurchgang umschließt, im Grundkörper der Lagerbrücke eingefasst ist. Dabei soll der Ringkörper so den Wellendurchgang umschließen, dass innenseitig des Ringkörpers weiterhin der Grundwerkstoff des Grundkörpers vorhanden ist. Der Ringkörper bildet damit eine Art Armierung, und erwärmt sich die Lagerbrücke, kann der Ringkörper verhindern, dass sich der Wellendurchgang aufgrund der Wärmeausdehnung des Grundwerkstoffes überproportional vergrößert. Der Ringkörper kann dabei im Wesentlichen durch den Grundwerkstoff des Grundkörpers umschlossen sein, wodurch nicht gefordert ist, dass der Ringkörper grundsätzlich vollständig umschlossen sein muss. Die wesentliche Umschließung des Ringkörpers erfordert jedoch eine Umschließung von wenigstens 50%, vorzugsweise von wenigstens 70% und besonders bevorzugt von wenigstens 85% der Oberfläche des Ringkörpers. Insbesondere in der Innenseite des Ringkörpers sollte eine gewisse Umschließung des Ringkörpers mit dem Grundwerkstoff vorhanden sein, um eine hinreichende Festigkeit des mit dem Wellendurchgang im Grundkörper gebildeten Gleitlagers für die Lagerung der Nockenwelle zu schaffen. Beispielsweise muss der Ringkörper in seitlicher Richtung nicht vollständig umschlossen werden, oder der Ringkörper steht seitlich über den Grundkörper hinaus.
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Mit besonderem Vorteil kann der Werkstoff des Ringkörpers einen kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen als der Grundwerkstoff des Grundkörpers. Beispielsweise kann der Wärmeausdehnungskoeffizient des Ringkörpers übereinstimmen mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Werkstoffes aus der Nockenwelle. Insbesondere kann der Werkstoff des Ringkörpers auch zur Bildung von Nockenwellen und Lagerringen geeignet sein, insbesondere kann der Werkstoff des Ringkörpers mit dem Werkstoff einer Nockenwelle übereinstimmen, die im Wellendurchgang der Lagerbrücke gelagert werden kann.
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Gemäß einer ersten besonders bevorzugten Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Lagerbrücke kann der Werkstoff des Ringkörpers porös ausgebildet sein und wobei der Grundwerkstoff in den porösen Werkstoff des Ringkörpers wenigstens teilweise infiltriert ist. Beispielsweise kann der Grundwerkstoff des Grundkörpers aus Aluminium ausgeführt sein, und wird der Grundkörper in einem Gussverfahren hergestellt, kann Aluminium in den porösen Ringkörper eindringen, und eine sogenannte Infiltration bilden. Damit ergibt sich ein verstärkend wirkender Ring, der den Wellendurchgang in der Lagerbrücke umschließt, und der mindestens radial außen und radial innen mit dem Aluminium-Gusswerkstoff umschlossen und damit verbunden ist. Der Ausdehnungskoeffizient des porösen Werkstoffes ist dabei analog beziehungsweise ähnlich mit dem Ausdehnungskoeffizienten von Stahlwerkstoff, beispielsweise der einer Nockenwelle.
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Im Ergebnis ergibt sich eine Lagerbrücke mit einer geschlossenen Struktur des Grundkörpers, in dem wenigstens ein Ringkörper aufgenommen sein kann, und trotz einer möglichen Reibpaarung zur Nockenwelle mit dem Grundwerkstoff, insbesondere mit Aluminium, ergibt sich ein Ausdehnungskoeffizient des Werkstoffbereiches um den Wellendurchgang herum, der mit dem Ausdehnungskoeffizienten von Stahlwerkstoff für die Nockenwelle übereinstimmt oder im Wesentlichen mit diesem ähnlich ist.
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Mit weiterem Vorteil kann der infiltrierte Grundwerkstoff im Ringkörper die Bauteilfestigkeit erhöhen, wobei der poröse Werkstoff beispielsweise aus Keramik und/oder aus Eisen-Sintermetall ausgebildet sein kann. Der stabile Lagerspalt über dem Temperaturverlauf der Lagerbrücke in Anordnung auf einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine kann folglich kombiniert werden mit der Reduzierung einer Ölpumpenleistung und einer vorteilhaften Reibpaarung aus Aluminium-Stahl. Ferner kann die Bauteilfestigkeit der Lagerbrücke durch den Ringkörper erhöht werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung kann der Ringkörper durch einen Stahlring oder durch einen Keramikring gebildet sein, der vorzugsweise nicht porös ist und damit auch nicht zur Infiltration des Grundwerkstoffes ausgebildet ist. Dabei kann der Stahlring durch den Grundwerkstoff des Grundkörpers im Wesentlichen umschlossen und insbesondere umgossen werden. Beispielsweise kann der Stahlring einen U-förmigen Querschnitt aufweisen, ähnlich einer Garnrolle, wobei der Grundschenkel der U-Form zwischen den beiden parallel verlaufenden Seitenschenkeln nach innen in den Wellendurchgang hinein weist, ohne die Lauffläche des Lagers zu bilden, in der die Nockenwelle gelagert ist. Schließlich kann auch innenliegend der Grundwerkstoff den Stahlring umschließen, sodass auch bei Anwendung eines Stahlringes das Gleitlager durch den Grundwerkstoff des Grundkörpers gebildet wird. Auf gleiche Weise kann auch ein Ring aus einem Keramikwerkstoff Verwendung finden.
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Zur Bildung des Ringkörpers können auch andere Körper vorteilhaft Anwendung finden. Beispielsweise kann der Ringkörper durch ein ringförmig aufgewickeltes Blech, vorzugsweise ein Lochblech, oder durch einen aufgespulten Draht mit einem beliebigen Querschnitt hergestellt werden. Oder der Ringkörper wird gebildet, indem mehrere zu einem Paket gestapelte und Bleche, insbesondere Lochbleche, mit einem ringförmigen Querschnitt, beispielsweise hergestellt durch ein Stanzverfahren, vorgesehen werden. Diese können beispielsweise miteinander verschweißt sein, insbesondere über eine außenseitige Naht, die die Bleche miteinander verbindet. Der Außenumfang des Ringkörpers muss dabei unabhängig von der Bauart nicht zwingend rund, d.h. rotationssymmetrisch sein.
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Als Stahlring wird vorliegend jeder Ring aus einem Eisen-Grundwerkstoff verstanden, der in verschiedenen Werkstoffausbildungen ausgeführt sein kann. Beispielsweise kann der Stahlring einen Sinterwerkstoff, einen Gusswerkstoff oder einen Eisenwerkstoff im Allgemeinen umfassen.
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Mit weiterem Vorteil kann der Stahlring Löcher aufweisen, die mit dem Grundwerkstoff des Grundkörpers im Wesentlichen durchdrungen sind. Die Löcher können seitlich und/oder im Grundschenkel des U-förmigen Stahlringes eingebracht sein.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform zur Bildung der erfindungsgemäßen Lagerbrücke kann der Grundkörper durch ein Metall-Druckgussverfahren hergestellt sein, wobei der Ringkörper mittels einem Einlegen durch den Grundwerkstoff umgossen wird. Das Einlegen des Ringkörpers kann beispielsweise in eine Gussform vorgenommen werden, insbesondere in eine Metall-Druckgussform. Wird der Grundwerkstoff in die Druckgussform eingespritzt, so kann der Ringkörper, beispielsweise ausgeführt als poröser Ringkörper oder als Stahlring, mit dem Grundwerkstoff umgossen werden.
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Mit besonderem Vorteil kann der Grundwerkstoff des Grundkörpers Aluminium aufweisen. Dadurch kann mit der Lagerbrücke eine Gleitlagerung für eine Nockenwelle geschaffen werden, die die Materialpaarung Aluminium-Stahl ermöglicht, wenn die Nockenwelle aus einem Stahlwerkstoff hergestellt ist. Dadurch ergeben sich besonders vorteilhafte Laufeigenschaften, wobei weitere Werkstoffe zur Bildung des Grundkörpers ebenfalls Anwendung finden können.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann der Ringkörper wenigstens einen radialen Durchgang aufweisen, durch den eine Ölversorgung der Lauffläche des Wellendurchganges geschaffen werden kann. Beispielsweise kann der radiale Durchgang in Überdeckung gebracht sein mit einem Kanal im Grundkörper, über den eine Ölversorgung des Gleitlagers ermöglicht wird.
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Die Lagerbrücke kann zwei Wellendurchgänge aufweisen, beispielsweise für zwei parallel verlaufende Nockenwellen, und jeder Wellendurchgang kann einem Ringkörper zugeordnet sein. Folglich kann die Lagerbrücke zwei Ringkörper umfassen. Insbesondere kann die Lagerbrücke ausgebildet sein zur Anordnung an einen Haubenkörper zur Bildung eines Nockenwellenmoduls. Dabei kann die Lagerbrücke auch mit einem Gehäuse oder einem Rahmen des Haubenkörpers einteilig und materialeinheitlich ausgebildet sein.
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BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSBEISPIELE DER ERFINDUNG
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
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1 eine perspektivische Ansicht einer Lagerbrücke sowie einer vergrößerten Ansicht eines aufgeschnittenen Wellendurchganges in der Lagerbrücke und
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2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Lagerbrücke mit weiteren Merkmalen der vorliegenden Erfindung, wobei ein Ringkörper als Stahlring ausgebildet ist, der in einem aufgeschnittenen Bereich eines Wellendurchganges in der Lagerbrücke gezeigt ist.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Lagerbrücke 1 mit den Merkmalen der vorliegenden Erfindung. Die Lagerbrücke 1 kann in einem Haubenmodul zur Anordnung auf einem Zylinderkopf integriert werden oder die Lagerbrücke 1 kann direkt auf einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine montiert werden. Hierzu weist die Lagerbrücke 1 Montagedome 17 auf, durch die beispielsweise Schraubelemente hindurchgeführt werden können. Beispielhaft ist die Lagerbrücke 1 mit zwei Wellendurchgängen 11 ausgeführt, und mit der Lagerbrücke 1 können zwei Nockenwellen parallel zueinander verlaufend gelagert werden. Die Nockenwellen können dabei durch mehrere Lagerbrücken 1 in einer Anordnung beabstandet hintereinander gelagert werden, wobei die Wellendurchgänge 11 der jeweiligen Lagerbrücken 1 miteinander fluchten.
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Die Lagerbrücke 1 besteht im Wesentlichen aus einem Grundkörper 10, der aus einem Grundwerkstoff ausgebildet ist, und der Grundwerkstoff weist beispielsweise Aluminium auf. Durch die gezeigte Struktur des Grundkörpers 10 kann dieser mit dem Grundwerkstoff in einem Metall-Druckgussverfahren hergestellt werden. Anschließend können die Montagedome 17, weitere Anlageflächen 18, die beispielsweise als Anschlussfläche zur Ölversorgung dienen können, und die Wellendurchgänge 11 mit den Laufflächen 16 spanend bearbeitet werden.
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Wie in der vergrößerten Ansicht der aufgeschnittenen Fläche im Wellendurchgang 11 gezeigt, weist der Grundkörper 10 einen in diesem eingeschlossenen Ringkörper 12 auf. Der Ringkörper 12 ist im Bereich des Wellendurchganges 11 so eingefasst, dass der Werkstoff des Grundkörpers 10 den Ringkörper 12 im Wesentlichen umschließt. Insbesondere wird die Lauffläche 16 nicht durch den Innenbereich des Ringkörpers 12 selbst gebildet, sondern durch den Grundwerkstoff des Grundkörpers 10, da dieser auch innenliegend den Ringkörper 12 umschließt. Der Ringkörper 12 ist gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel folglich vollständig vom Grundwerkstoff des Grundkörpers umschlossen und weist einen größeren Innendurchmesser auf als der Durchmesser des Wellendurchgangs 11 im Grundkörper 10.
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Der Ringkörper 12 ist mit einer porösen Struktur angedeutet gezeigt, und das poröse Material des Ringkörpers 12 kann mit dem Grundwerkstoff insbesondere beim Gießprozess infiltriert werden. Dadurch erlangt der Ringkörper 12 eine erhöhte Festigkeit, und insbesondere kann der Ringkörper 12 ein Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, der kleiner ist als der Ausdehnungskoeffizient des Grundwerkstoffes. Erwärmt sich die Lagerbrücke 1, so erfolgt keine nennenswerte Vergrößerung des Durchmessers des Wellendurchganges 11 und ist eine Nockenwelle im Wellendurchgang 11 gelagert, vergrößert sich die Lagerluft im gebildeten Gleitlager nicht oder nicht wesentlich. Gleichzeitig bleibt jedoch die Lauffläche 16 aus dem Grundwerkstoff des Grundkörpers 10 erhalten, also beispielsweise aus Aluminium.
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2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Lagerbrücke 1 zur Lagerung einer Nockenwelle für den Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine, wobei die Lagerbrücke 1 nur teilweise gezeigt ist, und die Lagerbrücke 1 weist ebenfalls Montagedome 17 und eine Anlagefläche 18 auf. Über die Anlagefläche 18 kann beispielsweise eine Ölversorgung des mit dem Wellendurchgang 11 gebildeten Gleitlagers erfolgen, indem im Grundkörper 10 ein Ölkanal 19 eingebracht ist, der in der nach unten weisenden Anlagefläche 18 mündet. Dadurch kann eine Ölversorgung des Wellendurchganges 11 über einen radialen Durchgang 15 erfolgen, der auch im Ringkörper 12 eingebracht sein muss, wie unterstehend näher beschrieben.
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Das Ausführungsbeispiel zeigt einen Ringkörper 12 in Form eines Stahlringes 13. Der Stahlring 13 weist ein umlaufendes U-förmiges Profil auf und besitzt eine Vielzahl von Löchern 14 sowohl in den Seitenbereichen als auch im Grundschenkel der U-Form. Wird der Stahlring 13 im Gießverfahren des Grundkörpers 10 in die Gießform eingelegt, so kann der Stahlring 13 vollständig mit dem Grundwerkstoff des Grundkörpers 10 umgossen werden. Insbesondere kann sich der Grundwerkstoff des Grundkörpers 10 auch durch die Löcher 14 hindurch erstrecken, sodass ein formschlüssiger Sitz des Stahlringes 13 im Grundkörper 10 gesichert ist. Auch dieses Ausführungsbeispiel zeigt einen Wellendurchgang 11 mit einer Lauffläche 16, die durch den Grundwerkstoff des Grundkörpers 10 gebildet ist, also beispielsweise aus Aluminium. Dies wird ermöglicht, indem der Ringkörper 12 einen Innendurchmesser aufweist, der größer ist als der Durchmesser des Wellendurchganges 11.
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Der Stahlring 13 ist aus einem Werkstoff hergestellt, der einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der kleiner ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Grundwerkstoffs zur Bildung des Grundkörpers 10. Erwärmt sich die Lagerbrücke 1, so wird durch den Stahlring 13 sichergestellt, dass sich der Wellendurchgang 11 mit der Lauffläche 16 im Durchmesser nicht wesentlich vergrößert, insbesondere kann das Anwachsen des Durchmessers der Lauffläche 16 einen gleichen Wert aufweisen wie das Anwachsen einer Nockenwelle aus einem Stahlwerkstoff, wenn sich diese erwärmt. Dadurch bleibt die Lagerluft des mit dem Wellendurchgang 11 gebildeten Gleitlagers der Nockenwelle über einen weiten Temperaturbereich im Wesentlichen gleich. Ferner kann das Gleitlager mit dem Wellendurchgang 11 eine Materialpaarung aufweisen, die aus den Werkstoffen Aluminium-Stahl ausgebildet ist.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lagerbrücke
- 10
- Grundkörper
- 11
- Wellendurchgang
- 12
- Ringkörper
- 13
- Stahlring
- 14
- Loch
- 15
- radialer Durchgang
- 16
- Lauffläche
- 17
- Montagedom
- 18
- Anlagefläche
- 19
- Ölkanal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012007334 A1 [0002]
