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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bearbeitung einer Lagerstelle
bzw. Lauffläche
eines Lagers sowie eine Lagerstelle bzw. eine Lauffläche eines
Lagers.
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Mit
Lagern werden sich drehende Bauteile in Maschinen oder Motoren gelagert
wie bspw. die Kurbelwelle in einem Motor eines Kraftfahrzeugs oder eine
Radachse des Kraftfahrzeugs.
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Die
Lagerung eines sich drehenden Bauteils, wie einer Welle, besteht
im Wesentlichen aus einer Lagerstelle aus einem Werkstoff, der den
jeweiligen Anforderungen z. B. hinsichtlich Umdrehungszahl und Material
der Welle, Temperatur oder Verschleißbeständigkeit genügt. Die
Lagerschale, die im feststehenden Teil untergebracht ist, kann mit
Beschichtungen an der Lagerfläche
versehen sein, die dem Lager bspw. eine geringere Reibung verleiht.
In der Lagerschale ist ein Schmierstoffeinlass angeordnet, durch
den ein Schmierstoff, üblicherweise
ein Öl,
in das Lager unter Druck gefördert
wird, um eine unmittelbare Berührung
der sich drehenden Welle mit der Lagerfläche zu vermeiden. Im Betrieb
ist dabei zwischen der Welle und der Lagerfläche ein Schmierstofffilm gebildet.
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Zur
Verringerung der Reibungsverluste im Lager ist es bekannt, die Oberfläche der
Lagerschale bzw. Lagerstelle und/oder einer darauf angebrachten Beschichtung
zu polieren, um die Oberfläche
dieser eigentlichen Lagerfläche
zu glätten.
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Da
aber auch nach dem Glätten
noch Unebenheiten in der Oberfläche
der Lagerfläche
verbleiben, kommen nur die Erhebungen der Lagerfläche bei
stillstehender Welle mit dieser in Berührung. Bei sich drehender Welle
bilden diese Erhebung die Tragstruktur der Lagerfläche, deren
Größe in Relation
zu der gesamten Fläche
der Lagerfläche
die Eigenschaften des Lagers hinsichtlich Belastbarkeit und Verschleiß bestimmt.
Daher wird es angestrebt, diesen Traganteil so groß wie möglich auszubilden.
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Das
Glätten
der Lagerflächen
erfolgt in dem Fachmann bekannter Weise durch Polieren und Finishen
der meist aus metallischen Werkstoffen bestehenden Lagerflächen. Dabei
werden durch den letzten Bearbeitungsschritt des Finishens mit einer
hierfür
geeigneten Bürste
in der Oberfläche
der Lagerfläche
Oberflächenstrukturen
eingebracht. Da die Bürste üblicherweise
entsprechend der später
in das Lager einzusetzenden Welle in der Lagerschale rotiert, verlaufen
die Oberflächenstrukturen
im wesentlichen linear oder geradlinig nebeneinander in Umfangsrichtung
auf der Lagerfläche.
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Des
Weiteren ist es bekannt, dass bei Neuinbetriebnahme eines Kfz-Motors
die Lager in dem Motor einem Einlaufverschleiß unterliegen, bei dem die Erhebungen
der Lagerfläche
durch Setzungen geglättet
werden. Der Verschleiß kann
auch durch Verwendung höherwertiger
Werkstoffe für
die Lagerschalen bzw. deren Beschichtungen verringert werden.
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Die
DE 21 00 365 A1 beschreibt
ein Schmiernutensystem für
Gleitlagerungen und Verfahren zu dessen Herstellung. Eine Gleitfläche für die Gleitlagerung
umfasst dabei Schmiernutensysteme aus einzelnen voneinander abhängigen zusammenwirkenden
in Längsrichtung
der Gleitflächen
fortlaufend hintereinander angeordneten einzelnen Schmiernuten,
die jeweils einen tragfähigen
Gleitflächenteil
einschließen.
Für diese
Schmiernuten sind unterschiedliche Ausführungsformen beschrieben. Demnach können die
Schmiernuten kreisförmig,
halbkreisförmig, rautenförmig, ellipsenförmig, sechseckig,
gestreckt halbkreisförmig,
gestreckt sechseckig oder u-förmig
ausgebildet sein.
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Die
DE 195 49 403 C2 beschreibt
ein Verfahren zur Bereitstellung eines Microdruckkammersystems,
indem auf ein Werkstück
aus einer Aluminiumlegierung durch thermisches Spritzen eine Verschleissschicht
aufgebracht wird, welche anschließend unter Freilegung der Schmiertaschen
des Microdruckkammersystems durch mechanisches Bearbeiten teilweise
abgetragen wird. Hierdurch wird eine Gleitfläche auf dem metallischen Werkstück geschaffen,
welche eine ausreichende Verschleissfestigkeit aufweist, welche
der Grundwerkstoff nicht bietet, wobei durch das thermische Spritzen
und die anschliessende mechanische Bearbeitung eine Vielzahl von Materialausbrüchen entsteht,
welche während
der mechanischen Bearbeitung nur zu einem geringen Teil zugeschmiert
werden und in Folge dessen eine ausreichende Anzahl von das Microdruckkammersystem
bildenden Vertiefungen bereitstellt.
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Die
DE 30 50 056 C1 bezieht
sich auf einen Zwei- oder Mehrschicht-Verbundwerkstoff mit einer direkt
auf der aufgerauhten Oberfläche
des Substrates aufgebrachten Deckschicht, die eine Matrix aufweist,
welche thermisch hoch belastbaren, wärmehärtbaren Polyimid-Lack enthält, mittels
dessen die Bestandteile der Deckschicht zusammengehalten und zugleich
die Deckschicht mit dem sie tragenden Substrat fest verbunden ist
und die Matrix durch den wärmehärtbaren
Polyimid-Lack selbst gebildet ist und Zusatz bzw. Zusätze in darin
fein dispers verteilter Form aufnimmt. Weiterhin bezieht sich diese Druckschrift
auf ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Verbundwerkstoffs
für Reib-
bzw. Gleitelemente mit metallischen Substrat, wobei die Deckschicht
die Reib- bzw. Gleitschicht bildet.
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Die
DE 101 39 508 A1 beschreibt
ein Maschinenteil mit einem Radial-Gleitlager mit einer Lagerbohrung,
die in einer Rand schicht einer Oberfläche eine Kreuzriefenmuster
aufweist. Dieses Kreuzriefenmuster ist mittels Präzisionshonen,
vorzugsweise Dornhonung gebildet, wobei das im Hon-Vorlauf erzeugte
Riefenmuster gleichgerichteter Riefen eine grössere Oberflächenrauhigkeit
aufweist als das im Hon-Rücklauf
erzeugte Riefenmuster gleichgerichteter Riefen.
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Die
WO 96/31317 A1 betrifft
ein Maschinenteil mit einer für
einen Wälz-
und/oder Gleitkontakt geeigneten Oberfläche, die eine plateauartige
Struktur aufweist, die von einer Vielzahl sich einander kreuzenden
Riefen unterbrochen ist, wobei die plateauartige Struktur durch
eine zweite Honstufe eines zumindest zweistufigen Honprozesses gebildet
ist, in dem Spitzen eines Profils einer ersten Honstufe bis zu einer
Profilmittellinie abgetragen sind, so dass die Tiefe der Riefen
durch das verbleibende Profil der ersten Honstufe bestimmt ist.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren
zur Herstellung einer Lagerstelle bzw. eine Lauffläche eines
Lager bereitzustellen, bei dem die Lagerstelle bzw. die Lauffläche des
Lagers einen deutlich vergrößerten Traganteil
aufweist.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
Eine entsprechende Lagerstelle ist in Patentanspruch 5 angegeben.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand von
Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß sind in
der Lagerstelle die Oberflächenstrukturen
in der Oberfläche
der Lagerfläche
des Lagers nicht geradlinig um die Lagerfläche umlaufend ausgerichtet,
sondern zumindest in axialer Richtung des Lagers gesehen im mittleren
Bereich der Lagerfläche
in sich überkreuzender
Art und Weise angeordnet. Dabei sind die Strukturen derart gekrümmt, daß sie in
den in axialer Richtung des Lagers gesehenen Randbe reichen der Lagerfläche im wesentlichen
um die Umfangsrichtung geradlinig umlaufend ausgerichtet sind. Dabei
können
die Oberflächenstrukturen
in beliebiger Weise ungeordnet oder vorzugsweise wie im folgenden
beschrieben angeordnet sein.
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Ein
Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch die neuartige Oberflächenstruktur,
die insbesondere durch ein im folgenden beschriebenes Bürstverfahren
erhalten wird, der Verschleiß der Oberfläche der
Lagerfläche
bereits vorweggenommen und die Oberfläche geglättet ist, so daß der Einlaufverschleiß entfällt. Außerdem ist
durch diese Anordnung der Struktur ihre Gesamtlänge in der Oberfläche verlängert, was
in einem geringeren Ölverlust im
Lager resultiert, da durch die Weglänge des Schmierstoffs in der
Struktur der Durchtrittswiderstand des Schmierstoffs erhöht ist.
Vorteilhaft ist die Vorwegnahme von Mikrosetzungen im Einlauf sowie reduzierter Öldurchsatz
durch die Lagerstellen.
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Bevorzugt
bildet die Struktur in diesem mittleren Bereich des Lagers eine
pfeilförmige
Ausbildung, d. h. sie sind derart angeordnet, daß sie im mittleren Bereich
des Lagers an den Überkreuzungsstellen
einen spitzen Winkel einschließen,
der bevorzugt über
den gesamten Umfang des Lagers im wesentlichen konstant ist. Das
bedeutet, daß alle
Strukturen um den gleichen Winkel zu der Lagerachse geneigt sind.
Dabei weist die Spitze des Winkels zwischen den Strukturen in der
Lagerfläche
entgegen der Umdrehungsrichtung des sich drehenden Bauteils.
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Die
Struktur kann dabei über
die gesamte Breite des Lagers geradlinig verlaufen. Die Strukturen
sind derart gekrümmt,
daß sie
in den in axialer Richtung des Lagers gesehenen Randbereichen der Lagerfläche im wesentlichen
um die Umfangsrichtung geradlinig umlaufend ausgerichtet sind. Dazu weisen
die Strukturen eine Übergangszone
auf, in der die sich überkreuzenden
Strukturen im mittleren Lagerbereich in die geradlinigen im wesentlichen
parallelen Strukturen in den Randbereichen übergehen. Somit ist vermieden,
daß Schmierstoff
aus dem Lager austritt. Mit dieser Oberflächenstrukturanordnung wird
der Schmierstoff im Lager gehalten und der Schmierstoffverbrauch
gesenkt.
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Vorzugsweise
liegt der Pfeilwinkel, den die sich im mittleren Lagerbereich überkreuzende
Struktur einschließen,
bei einem Wert zwischen 10° und 80°. Bei diesen
Werten hat sich eine optimale Vergrößerung des Traganteils bei
einer Verringerung des Schmierstoffverbrauchs ergeben.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung überkreuzen sich die Strukturen
im mittleren Lagerbereich auf ungefähr der Hälfte der Gesamtfläche der
Lagerfläche,
so daß in
axialer Richtung gesehen beidseits des mittleren Bereichs die Struktur
jeweils auf ca. einem Viertel der Lagerfläche parallel in Umfangsrichtung
verlaufen. Somit ist ein ausreichender Teil der Oberfläche der
Lagerfläche
in seinen Eigenschaften verbessert. Die Randbereiche verhindern
zugleich, daß Schmierstoff
aus dem Lager austritt.
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Zur
Herstellung des Lagers bzw. zur Bearbeitung der Lagerfläche wird
eine an sich bekannte Bürste
zur Oberflächenbearbeitung
derart geführt, daß sich die
kreuzartigen Oberflächenstrukturen
zumindest im mittleren Bereich der Lagerfläche bilden, und daß die Strukturen
bzw. Riefen derart gekrümmt sind,
daß sie
in den in axialer Richtung des Lagers gesehenen Randbereichen der
Lagerfläche
im wesentlichen um die Umfangsrichtung geradlinig umlaufend ausgerichtet
sind. Dies kann vom Fachmann z. B. auf einer CNC-Maschine durchgeführt werden,
in der an einer Einspannung die Lagerstelle gehalten ist und die
rotierende Bürste
von einem Roboterarm in gewünschter
Weise über
die Oberfläche
der Lager stelle geführt
wird. Dies kann auch umgekehrt erfolgen oder Bürste und Lagerstelle werden
beide bewegt.
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Durch
das Bürsten
wird eine Oberflächenvergütung der
Lagerfläche
dadurch erhalten, daß die Oberflächentopographie
und insbesondere die Erhebungen, die mit der Bürste in Kontakt stehen, der
Lagerfläche
mikroverhärtet
bzw. oberflächengehärtet und
die Oberflächenglätte erhöht wird.
Somit tritt im Einlaufbetrieb des Lagers nur noch eine reduzierte Setzung
auf und das Lager kann auch mit weniger hochwertigen Schmierstoffen
betrieben werden bzw. ist bei Verwendung hochwertiger Schmierstoffe
effizienter. Dies ergibt einen kostengünstigeren Betrieb.
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Bevorzugt
wird die Bürste
derart geführt,
daß sich
die vorstehend beschriebenen Riefenanordnungen ergeben.
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Als
Bürste
kann ein an sich bekannter keramischer Bürstwerkstoff, wie er bspw.
beim Bürsten von
metallischen Oberflächen
benutzt wird, verwendet werden, der in Kunststoff eingebunden ist.
Das bedeutet, daß die
keramischen Partikel in einer Matrix aus einem hierfür geeigneten
Kunststoff angeordnet sind.
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Vorzugsweise
wird dieses Bürsten
vor einem Endbearbeitungsschritt, dem abschließenden Finishen, der Oberfläche der
Lagerschale durchgeführt, wobei
das Finishen insgesamt entfallen kann, da durch das Bürsten bereits
eine ausreichende Oberflächenvergütung erhalten
wird. Somit wird die Herstellung einer Lagerstelle eines Lagers
vereinfacht und kostengünstiger.
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Weitere
Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der
Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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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 Kombi nationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die
Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels
in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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Dabei
zeigen:
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1 eine
Lagerstelle mit Oberflächenstruktur
aus dem Stand der Technik, und
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2 eine
Lagerstelle mit neuartiger Oberflächenstruktur.
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In 1 ist
ein Lager aus dem Stand der Technik dargestellt. Das Lager besteht
im wesentlichen aus einer Lagerstelle 1 bspw. aus einem
metallischen Werkstoff.
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Durch
das Oberflächenbehandeln
beim Finishen werden in der Lagerfläche 2 Strukturen 3 erzeugt,
die im wesentlichen geradlinig und parallel zueinander in Umfangsrichtung
der Lagerstelle 1 verlaufen.
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Zur
Verminderung der Reibung zwischen der Lagerfläche 2 und der Lagerschale
wird ein Schmierstoff z. B. ein synthetisches Öl oder ein Schmieröl in das
Lager eingebracht, das im Betrieb einen Film zwischen Lagerfläche 2 und
dem sich drehenden Bauteil bildet.
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In 2 ist
eine erfindungsgemäße Lagerstelle 10 mit
einer sich in einer Lagerfläche 12 überkreuzenden
Struktur 13 abgebildet. In axialer Richtung gesehen mittleren
Bereich, wie durch Pfeile angedeutet, überkreuzen sich die Riefen 13,
wobei diese den spitzen Winkel α einschließen. Der
Wert für α liegt vorzugsweise
zwischen 10° und
80°. Dabei
ist die Struktur 3 derart angeordnet, daß der Winkel α über den
gesamten Umfang der Lagerschale 10 konstant ist. Die Spitze
des Winkels α weist
entgegen der Umdrehungsrichtung des sich drehenden Bauteils, um
derart den Schmierstoff, der durch einen im folgenden beschriebenen
Schmierstoffeinlaß 14 in
das Lager eingebracht wird, in die Struktur 13 von dem mittleren
Bereich der Lagerfläche 12 zu
den Randbereichen des Lagers zu fördern.
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In
den Randbereichen der Lagerfläche 12,
in axialer Richtung gesehen, verläuft die Struktur 13 im wesentlichen
parallel zueinander und geradlinig in Umfangsrichtung der Lagerschale 10.
Diese Bereiche nehmen jeweils etwa ein Viertel der Lagerfläche 12 ein
und der mittlere Bereich etwa die Hälfte. Im Betrieb, d. h. wenn
sich eine Welle oder Achse in der Lagerschale 10 in Pfeilrichtung
dreht, verhindern diese Randbereiche, daß weniger Schmierstoff aus
dem Lager tritt. Somit ist der Schmierstoffverbrauch reduziert.
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Der
Schmierstoff wird auf bekannte Weise durch den in axialer Richtung
gesehen mittig angeordneten Schmierstoffeinlaß 14 in das Lager
unter Druck gefördert.
Von hier aus verteilt sich der Schmierstoff in der Struktur 13 über die
gesamte Lagerfläche 12 des
Lagers, um ein "Festfressen" des Lagers im Betrieb
zu verhindern.
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Die
Lagerstelle der Kurbelwelle kann durch Bürsten mit einer bekannten Bürste mit
der sich überkreuzenden
Riefenstruktur versehen werden, wodurch das an sich erforderliche
Finishen entfallen kann, da durch das Bürsten bereits eine Oberflächenverhärtung und
-glättung
erfolgt.
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Die
Oberflächenstruktur
im mittleren Bereich der Lagerstelle 1 bildet die eigentliche
Tragstruktur für
die Welle oder Achse, wobei durch die Struktur eine wesentliche
Vergrößerung des
Traganteils gegenüber
dem Stand der Technik erhalten wird, so daß das Lager wesentlich leistungsfähiger ist.