WO1994004836A1 - Lagerung für eine welle oder achse - Google Patents

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Ulf G. Ederer
Günter EITZINGER
Walter GÄRTNER
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Miba Gleitlager Aktiengesellschaft
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    • F16C2360/00—Engines or pumps
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Definitions

  • the invention relates to a bearing for a shaft or axis, the radial main load of which lies in a fixed angular range with respect to a bearing bore receiving the shaft or axis, a running layer of a sliding bearing material interacting with a harder mating surface in the region of the bearing point.
  • the bearing bores are loaded on one side due to the predetermined main load direction.
  • This one-sided load in a limited circumferential area causes increased wear of the bearing layer, which forms the bearing bore, from a bearing material which is softer than the counter-running surface of the shaft, which reduces the service life of such a bearing, especially when in the area of the main load
  • the running layer with higher temperature loads, for example due to inadequate hydrodynamic lubrication, must be expected, as is the case with the mounting of camshafts for internal combustion engines.
  • the invention is therefore based on the object to improve a bearing for a shaft or axis of the type described above with simple design means so that the stano time can be extended considerably.
  • the invention achieves the stated object in that the shaft or axis has the running layer made of a bearing material which is softer than the counter-running surface of the bearing bore.
  • an axis is used as the articulation axis held in bearing eyes for a construction part which can be pivoted to a limited extent and which is enforced by the articulation axis in at least one bearing bore, a comparable advantage is achieved if the axis freely rotatable in the bearing eyes and in the bearing bore Articulation axis in the area of the bearing bore and / or the bearing eyes has the softer bearing material.
  • the articulation axis due to its freely rotatable mounting in the bearing eyes and in the bearing bore, rotates beyond the range of the pivoting angle of the structural part, so that the articulation axis, despite the predetermined radial load direction, rotates over its entire length during its rotation Extent is charged with the main load.
  • This fact necessitates uniform wear of the running layer of the articulation axis, so that the lifespan of the articulation can be increased considerably.
  • the effect of the softer running layer which is not assigned to the bearing bore but to the articulation axis, occurs both in the area of the bearing bore of the structural part receiving the articulation axis and in the area of the bearing eyes receiving the articulation axis.
  • the harder material of the mating surface offers the possibility of dispensing with the provision of bearing bushes or plain bearing shells for receiving the shaft or axis, so that the mating surface of the bearing bore is formed by the base material of the bearing point.
  • the bore in the base material of the bearings which otherwise accommodate a bearing bush or bearing shell, can be reduced to the diameter of the bearing bore, which either increases the strength values or, with the same strength, reduces the mass.
  • the running layer of the shaft or axle can consist of the known bearing materials which are matched to the respective application. Particularly advantageous conditions arise, however, if the running layer of the
  • Axis or shaft from a basic physical material with finely divided deposits is formed, the hardness of which is lower than that of the base material of the overlay.
  • a running layer as is known for highly resilient plain bearings (AT-B-389 356), particularly advantageous sliding conditions can be created, in particular if the base material of the running layer is crystallized in the form of a stem with a preferred direction perpendicular to the running surface.
  • the columnar-shaped crystallites oriented perpendicular to the running surface increase the abrasion resistance and the compressive strength of the running layer without influencing its hardness, which is determined by the softer inclusions and the crystallite sizes of the base material of the running layer.
  • FIG. 3 shows a linkage device with a bearing according to the invention in a schematic axial section
  • FIG. 4 shows the linkage device in a section along the line IV-IV of FIG. 3.
  • a rotating shaft 1 for example a camshaft
  • bearing bores 2 Due to a radial main load, which acts on the shaft 1 in a fixed angular range with respect to the bearings 3, as indicated by the arrow 4 in FIG. 1, the bearing bores 2 become only in a circumferential area diametrically opposite the main load loaded, which is illustrated by the bearing play in the drawing, which is greatly exaggerated for reasons of clarity.
  • This one-sided loading of the bearing bores 2 would lead to high wear of the running layers lining the bearing bores 2, in particular in the case of incomplete formation of a lubricating film.
  • the running layer 5 is made of a softer one Bearing material is not assigned to the bearing bores 2, but to the shaft 1.
  • the rotation of the shaft 1 within the bearing bores 2 brings about uniform wear of the running layer 5 over the entire shaft circumference despite the given main load direction, which considerably increases the service life of such bearings.
  • the wear of the mating surfaces formed by the bearing bores 2 remains low because of the harder material and the interaction of this harder material with the softer plain bearing material of the running layer 5.
  • the arrangement of the running layer 5 on the shaft 1 also has advantages with regard to the thermal load on this running layer, because the rotation of the shaft allows the running layer to cool outside the load zone, which benefits the life of the plain bearing material of this running layer 5.
  • the bearings 3 can be designed without the usual bushings or bearing shells, because the bearing bores 2 are formed by simple bores in the base material of the bearing 3. With the elimination of bearing bushes or sliding shells, not only the difficulties associated with the pressing in of these bushings or the installation of the shells are avoided, but also more favorable design conditions are created.
  • the bores in the base material of the bearings 3 can be reduced to the actual diameter of the bearing bores 2 by the thickness of the bushes or shells, which either results in greater strength or, with the same strength, allows a reduction in mass.
  • a construction part 6 which can be pivoted to a limited extent, for example the connecting rod of an internal combustion engine, is mounted on a pivot axis 1 a which is rotatably held in two bearing eyes 2a and which in the case of the internal combustion engine is held by the piston held in the piston. a piston pin is formed.
  • a pivot axis 1 a which is rotatably held in two bearing eyes 2a and which in the case of the internal combustion engine is held by the piston held in the piston.
  • a piston pin is formed.
  • the invention is of course not limited to the exemplary embodiments shown.
  • the running layer 5 of the shaft 1 or the axis 1 a could be limited to the axial area of the individual bearing points.

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Abstract

Um die Standzeit einer Lagerung für eine Welle (1) oder Achse (1a) zu erhöhen, deren radiale Hauptlast in einem bezüglich einer die Welle (1) oder Achse (1a) aufnehmenden Lagerbohrung (2) ortsfesten Winkelbereich liegt, wobei im Bereich der lagerstelle eine Laufschicht (5) aus einem Gleitlagerwerkstoff mit einer härteren Gegenlauffläche zusammenwirkt, wird vorgeschlagen, daß die Welle (1) oder Achse (1a) die Laufschicht (5) aus einem gegenüber der Gegenlauffläche der Lagerbohrung (2) weicheren Lagerwerkstoff aufweist.

Description

Lagerung für eine Welle oder Achse
Die Erfindung bezieht sich auf eine Lagerung für eine Welle oder Achse, deren radiale Hauptlast in einem bezüglich einer die Welle oder Achse aufnehmenden Lagerbohrung ortsfesten Winkelbereich liegt, wobei im Bereich der Lagerstelle eine Laufschicht aus einem Gleitlagerwerkstoff mit einer härteren Gegenlauf- fläche zusammenwirkt.
Bei umlaufenden Wellen, deren radiale Hauptlast in bezug auf die Lagerboh¬ rungen in einem ortsfesten Winkelbereich liegt, werden die Lagerbohrungen aufgrund der vorgegebenen Hauptlastrichtung einseitig belastet. Diese ein- seitige Belastung in einem beschränkten Umfangsbereich bedingt einen erhöh¬ ten Verschleiß der die Lagerbohrung bildenden Laufschicht aus einem gegen¬ über der Gegenlauffläche der Welle weicheren Lagerwerkstoff, was die Stand¬ zeit einer solchen Lagerung herabsetzt, zumal dann, wenn im Bereich der Hauptbelastung der Laufschicht mit höheren Temperaturbelastungen beispiels- weise zufolge einer mangelhaften hydrodynamischen Schmierung gerechnet werden muß, wie dies bei einer Lagerung von Nockenwellen für Verbren¬ nungskraftmaschinen der Fall ist.
Ähnliche Schwierigkeiten treten bei der Anlenkung eines begrenzt verschwenk- baren Konstruktionsteiles. beisDielsweise bei der Lagerung einer Pleuelstange auf dem im Kolben gehaltenen Kolbenbolzen, auf. Die begrenzte Verschwenk- barkeit solcher Konstruktionsteile bedingt aufgrund der vorgegebenen Haupt- lastrichtung eine einseitige, im wesentlichen auf den Schwenkwinkelbereich begrenzte Belastung der Lagerbohrung, so daß wiederum mit einem einseitigen erhöhten Verschleiß zu rechnen ist, der die Standzeit solcher Anlenkungen entsprechend herabsetzt.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Lagerung für eine Welle oder Achse der eingangs geschilderten Art mit einfachen konstruktiven Mitteln so zu verbessern, daß die Stanozeit erheblich verlängert werden kann.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, daß die Welle oder Achse die Laufschicht aus einem gegenüber der Gegenlauffläche der Lagerbohrung wei¬ cheren Lagerwerkstoff aufweist.
Da die Laufschicht aus dem weicheren Lagerwerkstoff nicht der Lagerbohrung, sondern der umlaufenden Welle zugeordnet wird, ist diese Laufschicht über den Umfang der Welle einem gleichmäßigen Verschleiß ausgesetzt, was die Lebensdauer dieser Laufschicht erheblich vergrößert. Die sich gegenüber der Hauptlastrichtung drehende Welle bringt außerdem eine niedrigere Tempera¬ turbelastung der Laufschicht mit sich, weil sich ja der der Hauptlast ausgesetz- te Umfangsbereich der Welle ständig verlagert und daher Wärme außerhalb des Hauptlastbereiches periodisch abgeführt werden kann. Die auf einen Umfangsbereich beschränkte Belastung der Lagerbohrung wird durch den härteren Werkstoff dieser Gegenlauffläche berücksichtigt, die wegen des Zusammenwirkens mit der weicheren Laufschicht der Welle kaum einem Verschleiß unterliegt, so daß sich für die Welle insgesamt wesentlich gün¬ stigere Lagerungsverhältnisse ergeben, wenn die Hauptlast in einem vorgege¬ benen Winkelbereich angreift.
Bei der Verwendung einer Achse als in Lageraugen gehaltene Anlenkachse für einen begrenzt verschwenkbaren Konstruktionsteil, der von der Anlenkachse in wenigstens einer Lagerbohrung αurchsetzt wird, wird ein vergleichbarer Vorteil erreicht, wenn die in den Lageraugen und in der Lagerbohrung frei drehbare Anlenkachse im Bereich der Lagerbohrung und/oder der Lageraugen den weicheren Lagerwerkstoff aufweist. Wie sich in der Praxis gezeigt hat, dreht sich die Anlenkachse aufgrund ihrer frei drehbaren Halterung in den Lager¬ augen und in der Lagerbohrung über den Bereich des Schwenkwinkels des Konstruktionsteiles hinaus, so daß die Anlenkachse trotz der vorgegebenen radialen Lastrichtung während ihrer Drehung über ihren gesamten Umfang mit der Hauptlast beaufschlagt wird. Dieser Sachverhalt bedingt einen gleichmäßi¬ gen Verschleiß der Laufschicht der Anlenkachse, so daß die Lebensdauer der Anlenkung erheblich gesteigert werden kann. Die Wirkung der nicht der Lager- bohrung, sondern der Anlenkachse zugeordneten weicheren Laufschicht tritt sowohl im Bereich der die Anlenkachse aufnehmenden Lagerbohrung des Konstruktionsteiles als auch im Bereich der die Anlenkachse aufnehmenden Lageraugen auf. Wegen der im Bereich der Lagerbohrung des Konstruktions¬ teiles im allgemeinen höheren Belastung ist der Einfluß der erfindungsgemä- ßen Maßnahmen auf die Lebensdauer der Anlenkung jedoch im Bereich dieser Lagerstelle größer, so daß die Lagerung der Anlenkachse in den sie haltenden Lageraugen unter Umständen in herkömmlicher Weise erfolgen kann.
Der härtere Werkstoff der Gegenlauffläche bringt in weiterer Ausbildung der Erfindung die Möglichkeit mit sich, auf das Vorsehen von Lagerbüchsen oder Gleitlagerschalen zur Aufnahme der Welle oder Achse zu verzichten, so daß die Gegenlauffläche der Lagerbohrung durch den Grundwerkstoff der Lager¬ stelle gebildet wird. Dadurch kann die Bohrung im Grundwerkstoff der Lager, die sonst eine Lagerbuchse oder Lagerschale aufnehmen, auf den Durch- messer der Lagerbohrung verringert werden, was entweder eine Erhöhung der Festigkeitswerte oder bei gleicher Festigkeit eine Verringerung der Masse mit sich bringt.
Die Laufschicht der Welle oder Achse kann aus den bekannten, auf den jeweiligen Einsatzfall abgestimmten Lagerwerkstoffen bestehen. Besonders vorteilhafte Verhältnisse ergeben sich allerdings, wenn die Laufschicht der
Achse oder Welle aus einem physikalisch im Vakuum aufgebrachten Grund- werkstoff mit fein verteilten Einlagerungen gebildet wird, deren Härte geringer als die des Grundwerkstoffes der Laufschicht ist. Mit einer solchen Laufschicht, wie sie für hoch belastbare Gleitlager bekannt ist (AT-B-389 356), können besonders vorteilhafte Gleitbedingungen geschaffen werden, insbesondere wenn der Grundwerkstoff der Laufschicht in Stengelform mit einer zur Lauf¬ fläche senkrechten Vorzugsrichtung kristallisiert ist. Durch die stengeiförmigen, senkrecht auf die Lauffläche ausgerichteten Kristallite wird die Abriebfestigkeit und die Druckfestigkeit der Laufschicht erhöht, ohne deren Härte zu beein¬ flussen, die durch die weicheren Einlagerungen und die kristalliten Größen des Grundwerkstoffes der Laufschicht mitbestimmt wird.
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Lagerung für eine umlaufende Welle in einem schematischen Axialschnitt,
Fig. 2 diese Lagerung im Schnitt nach der Linie ll-ll der Fig. 1 ,
Fig. 3 eine Anlenkvorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Lagerung in einem schematischen Axialschnitt und Fig. 4 die Anlenkvorrichtung im Schnitt nach der Linie IV-IV der Fig. 3.
Gemäß den Fig. 1 und 2 wird eine umlaufende Welle 1 , beispielsweise eine Nockenwelle, in Lagerbohrungen 2 von Lagern 3 gehalten. Aufgrund einer radialen Hauptlast, die in bezug auf die Lager 3 in einem ortsfesten Winkelbe¬ reich auf die Welle 1 wirkt, wie dies in der Fig. 1 durch den Pfeil 4 angedeutet ist, werden die Lagerbohrungen 2 lediglich in einem der Hauptlast diametral gegenüberliegenden Umfangsbereich belastet, was durch das aus Übersicht¬ lichkeitsgründen stark übertriebene Lagerspiel in der Zeichnung veranschaulicht wird. Diese einseitige Belastung der Lagerbohrungen 2 würde insbesondere bei einer unvollständigen Schmierfilmausbildung zu einem hohen Verschleiß von die Lagerbohrungen 2 auskleidenden Laufschichten führen. Um einen solchen einseitigen Verschleiß der Laufschichten zu vermeiden, ohne die Gleitbedin¬ gungen nachteilig zu beeinflussen, wird die Laufschicht 5 aus einem weicheren Lagerwerkstoff nicht den Lagerbohrungen 2, sondern der Welle 1 zugeordnet. Die Drehung der Welle 1 innerhalb der Lagerbohrungen 2 bringt trotz der vor¬ gegebenen Hauptlastrichtung eine gleichmäßige Abnützung der Laufschicht 5 über den vollen Wellenumfang mit sich, was die Standzeit solcher Lagerungen erheblich vergrößert. Der Verschleiß der durch die Lagerbohrungen 2 gebilde¬ ten Gegenlaufflächen bleibt ja aufgrund des härteren Werkstoffs und des Zusammenwirkens dieses härteren Werkstoffes mit dem weicheren Gleitla¬ gerwerkstoff der Laufschicht 5 gering. Die Anordnung der Laufschicht 5 auf der Welle 1 bringt darüber hinaus Vorteile hinsichtlich der Wärmebelastung dieser Laufschicht mit sich, weil wegen der Wellendrehung die Laufschicht außerhalb der Belastungszone abkühlen kann, was der Lebensdauer des Gleitlagerwerk¬ stoffes dieser Laufschicht 5 zugute kommt.
Ein weiterer Vorteil der mit einer Laufschicht 5 versehenen Welle 1 besteht darin, daß die Lager 3 ohne die sonst üblichen Lagerbuchsen oder Lager- schalen ausgeführt werden können, weil die Lagerbohrungen 2 durch einfache Bohrungen im Grundwerkstoff der Lager 3 gebildet werden. Mit dem Fortfall von Lagerbuchsen oder Gleitschalen werden nicht nur die mit dem Einpressen dieser Buchsen bzw. dem Einbau der Schalen verbundenen Schwierigkeiten vermieden, sondern zusätzlich günstigere Konstruktionsverhältnisse geschaf¬ fen. Die Bohrungen im Grundwerkstoff der Lager 3 können ja um die Dicke der Buchsen bzw. Schalen auf den eigentlichen Durchmesser der Lagerbohrungen 2 verringert werden, was entweder eine höhere Festigkeit ergibt oder bei gleicher Festigkeit eine Massenverringerung erlaubt.
Nach dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 und 4 wird ein begrenzt verschwenk¬ barer Konstruktionsteil 6, beispielsweise die Pleuelstange einer Brennkraft¬ maschine, auf einer in zwei Lageraugen 2a drehbar gehaltenen Anlenkachse 1 a gelagert, die im Falle der Brennkraftmaschine durch den im Kolben gehalte- nen Kolbenbolzen gebildet wird. Bei einer Kraftübertragung vom Kolben auf die Pleuelstange in Längsrichtung der Pleuelstange ergibt sich eine einseitige Belastung der Lagerbohrung 2 der Pleuelstange und der Lageraugen 2a der Anlenklager 3. Das durch die Lagerbohrung 2 gebildete Pleuelauge wird folglich in einem durch den begrenzten Schwenkwinkel der Pleuelstange bestimmten Umfangsbereich belastet, während es im übrigen Umfangsbereich weitgehend unbelastet bleibt. Ähnliche Verhältnisse treten im Bereich der Lageraugen 2a zur Halterung der Anlenkachse 1a auf. Um trotz der einseitigen Belastungen der die Anlenkachse 1 a aufnehmenden Lagerstellen einen gleich¬ mäßigen Verschleiß der eingesetzten Laufschicht 5 aus einem entsprechend weichen Gleitlagerwerkstoff zu ermöglichen, wird diese Laufschicht 5 wiederum der Anlenkachse 1 a zugeordnet, die sowohl in der Lagerbohrung 2 als auch in den Lageraugen 2a der Anlenklager 3 frei drehbar gehalten ist und sich auf¬ grund der auftretenden Belastungen über den Schwenkbereich des Konstruk¬ tionsteils 6 hinaus um ihre Achse dreht. Die Drehung der Anlenkachse 1 a gegenüber der Hauptlast bedingt eine gleichmäßige Abnützung der Laufschicht
5 über den gesamten Achsumfang, was die Standzeit einer solchen Anlenkung erheblich vergrößert. Die auf einen bestimmten Umfangsbereich beschränkte
Belastung der Anlenklager 1 a bzw. der Lagerbohrung 2 des Konstruktionsteiles
6 wird durch den härteren Werkstoff dieser Gegenlaufflächen berücksichtigt.
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die dargestellten Ausführungs- beispiele beschränkt. So könnte die Laufschicht 5 der Welle 1 bzw. der Achse 1 a jeweils auf den axialen Bereich der einzelnen Lagerstellen beschränkt sein. Außerdem wäre es möglich, die Lagerbohrung 2 bzw. die Lageraugen 2a trotz der geschilderten Vorteile mit Lagerbuchsen bzw. Lagerschalen zu versehen, die dann allerdings keine Laufschicht aus einem Gleitlagerwerkstoff aufweisen dürfen, sondern im Vergleich mit der Laufschicht 5 der Welle 1 bzw. der Achse 1 a eine entsprechend härtere Gegenlauffläche bilden müssen.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Lagerung für eine Welle (1) oder Achse (1a), deren radiale Hauptlast in einem bezüglich einer die Welle (1) oder Achse (1a) aufnehmenden Lagerboh¬ rung (2) ortsfesten Winkelbereich liegt, wobei im Bereich der Lagerstelle eine Laufschicht (5) aus einem Gleitlagerwerkstoff mit einer härteren Gegenlauf- fläche zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (1) oder Achse (1a) die Laufschicht (5) aus einem gegenüber der Gegenlauffläche der Lager¬ bohrung (2) weicheren Lagerwerkstoff aufweist.
2. Lagerung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (1a) als in Lageraugen (2a) gehaltene Anlenkachse für einen begrenzt ver¬ schwenkbaren Konstruktionsteil (6) ausgebildet ist, der von der Anlenkachse (1a) in wenigstens einer Lagerbohrung (2) durchsetzt wird, und daß die in den Lageraugen (2a) und in der Lagerbohrung (2) frei drehbare Anlenkachse (1 a) im Bereich der Lagerbohrung (2) und/oder der Lageraugen (2a) den weicheren Lagerwerkstoff aufweist.
3. Lagerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenlaufflächen der Lagerbohrung (2) bzw. der Lageraugen (2a) durch den Grundwerkstoff der Lagerstellen gebildet sind.
4. Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschicht (5) der Welle (1 ) oder Achse (1 a) aus einem physikalisch im Vakuum aufgebrachten Grundwerkstoff mit fein verteilten Einlagerungen besteht, deren Härte geringer als die des Grundwerkstoffes der Laufschicht (5) ist.
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