DE102013203842A1

DE102013203842A1 - Lageranordnung

Info

Publication number: DE102013203842A1
Application number: DE201310203842
Authority: DE
Inventors: Michael Kreisig; Falk Schneider
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2013-03-06
Filing date: 2013-03-06
Publication date: 2014-09-11
Also published as: US20140251257A1; JP2014173727A; US9790987B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung (2) einer Nockenwelle (3) in einer Brennkraftmaschine (1) mit einem Lagerring (4), der zwischen zwei Funktionselementen (5) der Nockenwelle (3) angeordnet ist und der sich über axiale Stirnseiten (8) gegenüber den Funktionselementen (5) abstützt, wobei zumindest die axialen Stirnseiten (8) des Lagerrings (4) und/oder damit in Gleitkontakt stehende Seiten (9) der Funktionselemente eine Polymerbeschichtung (10) aufweisen. Hierdurch kann eine bauraumreduzierte, leichtgängige und kostengünstige Lagerung der Nockenwelle (3) erreicht werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lageranordnung einer Nockenwelle in einer Brennkraftmaschine mit einem Lagerring.
Aus der WO 2010/066396 A1 ist beispielsweise eine Lageranordnung mit einem Polymer-beschichteten Gleitlager bekannt, wobei die Polymerbeschichtung einerseits die Lagerung erleichtert und dadurch Energie einsparen soll und andererseits dazu beitragen soll, die Lageranordnung insgesamt kostengünstiger ausbilden zu können.
Aus der EP 2 078 829 B1 ist eine Lageranordnung einer Nockenwelle in einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei zur erleichterten Lagerung sowohl eine Axiallagerung als auch eine Radiallagerung als Wälzlager ausgebildet sind.
Aus der EP 2 065 603 B1 ist eine Lageranordnung mit Wälzlagern zur erleichterten Lagerung bekannt.
Wälzlager werden generell als reibungsarm betrachtet, da diese unabhängig von Ölviskositäten sind und dadurch auch bei Start-Stopp-Bedingungen eine konstant niedrige Reibung erreicht werden kann. Mit Gleitlagern ist dies nicht in allen Betriebszuständen sicherzustellen. Zudem ist hier ein hoher Öldruck bzw. ein hoher Ölverbrauch erforderlich, der wiederum eine große Pumpenleistung benötigt. Wälzlager, insbesondere Kugellager, weisen jedoch den Nachteil auf, dass diese einen vergleichsweise großen Bauraum erfordern, was insbesondere in modernen Motorräumen oft nicht realisierbar ist. Als einzige Lösung hierfür können beispielsweise direkt auf einer Nockenwelle laufende Wälzkörper mit fest in einem Zylinderkopf montierten Lageraußenringen betrachtet werden, die einen in Radialrichtung vergleichsweise kleinen Bauraumbedarf, aufweisen. Ist demgegenüber auch ein Axiallager als Wälzlager ausgebildet, benötigt dies radial einen größeren Bauraum, da hier auch ein Lagerinnenring benötigt wird und zudem die abzustützenden Kräfte eine bestimmte Wälzkörpergröße erforderlich machen. Der Verzicht auf den hierfür erforderlichen Lagerinnenring würde zwar einerseits etwas Bauraum sparen, andererseits jedoch eine aufwendige Bearbeitung der Nockenwelle erfordern, was wiederum teuer ist.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für eine Lageranordnung eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die eine Radiallagerung sowie eine Axiallagerung bei vergleichsweise kleinem Bauraum ermöglicht.
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, zur Lagerung einer Nockenwelle in einer Brennkraftmaschine einen Lagerring einzusetzen, der zwischen zwei Funktionselementen der Nockenwelle angeordnet ist, und sich gleichzeitig über axiale Stirnseiten gegenüber diesen Funktionselementen abstützt, wobei zur erleichterten Lagerung zumindest die axialen Stirnseiten des Lagerrings und/oder damit in Gleitkontakt stehende Seiten der Funktionselemente eine Polymerbeschichtung aufweisen. Hierdurch ist ein vergleichsweise klein bauendes Axiallager für die Nockenwelle möglich, welches aufgrund der erfindungsgemäß vorgesehenen Polymerbeschichtung zudem auch bei Start-Stopp-Bedingungen eine konstant niedrige Reibung ermöglicht und zwar insbesondere unabhängig von den Ölviskositäten. Zur erleichterten Radiallagerung der Nockenwelle kann der Lagerring auch ein radiales Gleitlager für die Nockenwelle bilden, wodurch ein besonders kleiner Bauraum erreicht werden kann, oder aber es können zwischen dem Lagerring und der Nockenwelle Wälzkörper, beispielsweise Rollenkörper, angeordnet werden, wodurch das Radiallager als Wälzlager ausgebildet ist. Mit der erfindungsgemäßen Lageranordnung lässt sich somit ein einerseits kostengünstiges und andererseits zugleich klein bauendes aber extrem leichtgängiges Lager erreichen, was insbesondere im modernen Kraftfahrzeug und hier besonders für die Lagerung der Nockenwelle, von entscheidendem Vorteil ist.
Zweckmäßig weist der Lagerring einen doppel-T-förmigen Querschnitt mit seitlichen Schultern auf, wobei zwischen dem Lagerring und der Nockenwelle Wälzkörper, beispielsweise Rollenkörper, angeordnet sind. Der doppel-T-förmige Querschnitt ermöglicht dabei einerseits eine Führung der zwischen dem Lagerring und der Nockenwelle angeordneten Wälzkörper und zugleich eine Fixierung des Lagerrings an einem Zylinderkopf, wozu der Lagerring mit seinen Schultern einen entsprechenden Abschnitt am Zylinderkopf umgreift. An den axialen Stirnseiten des Lagerrings besitzt dieser vorzugsweise die im vorherigen Absatz genannte Polymerbeschichtung, worüber die leichtgängige Gleitlagerung gegenüber den benachbarten Funktionselementen, beispielsweise einem Antriebsrad und einem Nocken, erzielt werden kann.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist der Lagerring als Gleitlager ausgebildet und gleitet auf der Oberfläche der Nockenwelle, wobei in diesem Fall der Lagerring an seiner Außenseite eine umlaufende Ölnut aufweist und zusätzliche radiale Öldurchlassöffnungen besitzt. Hierdurch kann die Ölnut und damit der Lagerring über den Zylinderkopf mit Öl versorgt werden, wodurch die Gleitlagerung insbesondere der Nockenwelle im Lagerring, deutlich verbessert werden kann, so dass mit dem erfindungsgemäßen Lagerring selbst schwierig handzuhabende Start-Stopp-Bedingungen leicht zu handeln sind.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung besitzt die Polymerbeschichtung metallische Partikel und/oder Polytetrafluorethylen (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 Komponenten beziehen.
Dabei zeigen, jeweils schematisch,
1 eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Lageranordnung,
2 eine Detaildarstellung des Bereichs X,
3 eine Schnittdarstellung entlang der Schnittebene A-A,
4 eine Ansicht wie in 1, jedoch bei einem anderes ausgestalteten Lagerring.
Entsprechend der 1, weist eine Brennkraftmaschine 1 eine erfindungsgemäße Lageranordnung 2 für eine Nockenwelle 3 auf, wobei die Lageranordnung 2 einen Lagerring 4 besitzt, der zwischen zwei Funktionselementen 5 der Nockenwelle 3 angeordnet ist. Die Funktionselemente 5 können dabei beispielsweise als Nocken 6, als Antriebsrad, als Montagehilfe, als Zahnrad, als Geberrad oder als Anschlag 7 ausgebildet sein. Wie den 1, 2 und 4 dabei zu entnehmen ist, stützt sich der Lagerring 4 über seine axiale Stirnseiten 8 gegenüber den Funktionselementen 5 ab, wobei zur erleichterten Lagerung und insbesondere auch zur Realisierung von sogenannten Start-Stopp-Strategien, zumindest die axialen Stirnseiten 8 des Lagerrings 4 und/oder damit in Gleitkontakt stehende Seiten 9 der Funktionselemente 5 eine Polymerbeschichtung 10 aufweisen.
Betrachtet man die 1 und 2, so kann man erkennen, dass der Lagerring 4 einen doppel-T-förmigen Querschnitt, üblicherweise auch I-Querschnitt genannt, mit seitlichen Schultern 11 aufweist, wobei zwischen dem Lagerring 4 einerseits und der Nockenwelle 3 andererseits Wälzkörper 12, beispielsweise Rollenkörper, angeordnet sind. Über diese Wälzkörper 12 kann eine Radialrollenlagerung erzielt werden, wodurch eine besonders leichtgängige radiale Lagerung der Nockenwelle 3 ermöglicht wird. Die Wälzkörper 12 können dabei als Rollenkörper oder als Nadeln ausgebildet sein und direkt auf der Oberfläche der Nockenwelle 3 laufen: dabei können seitliche Schultern 11 des Lagerrings 4 in radialer Richtung nur in Richtung des Zylinderkopfes 15, das heißt nach außen, ausgebildet sein und führen dadurch die Wälzkörper 12 nicht. In 1 würde dies einfach bedeuten, dass die T-förmigen Schultern 11 lediglich als L-förmige Schultern 11 ausgebildet sind und nach radial außen abstehen.
Die Polymerbeschichtung 10 kann beispielsweise Polyimid, Acrylat, Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Epoxidharz aufweisen, wobei selbstverständlich auch die Einarbeitung von metallischen Partikeln und/oder Polytetrafluorethylen-Partikeln denkbar ist, die dann in einer bevorzugten Konzentration von 1 bis 15 Vol.-% vorliegen.
Mit dem erfindungsgemäßen axialen Gleitlager kann ein axialer Bauraumbedarf deutlich reduziert werden. Soll zudem zusätzlich auch der radial erforderliche Bauraum reduziert werden, kann der Lagerring 4 generell als Gleitlager ausgebildet sein und auf der Oberfläche der Nockenwelle 3 gleiten, wobei dann der Lagerring 4 an seiner Außenseite eine umlaufende Ölnut 13 aufweist und zusätzlich radiale Öldurchlassöffnungen 14 besitzt (vgl. 4). In diesem Fall kann der Lagerring 4 über einen Zylinderkopf 15 mit Öl versorgt werden. Die Oberfläche der Nockenwelle 3 kann dabei im Gleit-/Kontaktbereich polymerbeschichtet sein und/oder der Lagerring 4 kann an seiner Innenseite polymerbeschichtet sein, insbesondere ein derartige Polymerbeschichtung 10 aufweisen.
Betrachtet man die 1 und 2, so kann man erkennen, dass der Lagerring 4 mit seinen beiden Schultern 11 einen Teil des Zylinderkopfs 15 umgreift und dadurch an diesem fixiert ist. Der Lagerring 4 kann beispielsweise aus Metall ausgebildet sein. Vorzugsweise ist der Lagerring 4 zwischen einem Antriebsrad und dem ersten Nocken 6 angeordnet, wobei der Lagerring 4 üblicherweise mit einem Axialspiel a von 30–50 µm zum Funktionselement 5 angeordnet ist. Alternativ zu einem Umgreifen des Teils des Zylinderkopfs 15 mittels der Schultern 11 können selbstverständlich auch separate Befestigungsmittel oder aber im Lagerring 4 integrierte und in entsprechende Ausformungen am Zylinderkopf 15 greifende Befestigungsmittel genutzt werden. Die Funktionselemente 5 sind üblicherweise fest mit der Nockenwelle 3 verbunden, beispielsweise thermisch mit dieser gefügt.
Betrachtet man noch die 3, so kann man erkennen, dass der Lagerring 4 an seinen Stirnseiten 8 Ölzuführungsnuten 16 aufweist, die die tribologische Berührungszone zwischen Lagerring 4 und Funktionselement 5 mit einem Ölfilm versorgt, der die Gleitlagerung zusätzlich erleichtert.
Mit der erfindungsgemäßen Lageranordnung 2 kann nicht nur ein Bauraum sparendes Lagern der Nockenwelle 3 erreicht werden, sondern zugleich auch eine vergleichsweise kostengünstige Lageranordnung 2, die auch ohne aufwendige Rollenlagerung aufgrund der tribologisch optimierten Polymerbeschichtung 10 Start-Stopp-Strategien mit Gleitlagern ermöglicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2010/066396 A1 [0002]
EP 2078829 B1 [0003]
EP 2065603 B1 [0004]

Claims

Lageranordnung (2) einer Nockenwelle (3) in einer Brennkraftmaschine (1) mit einem Lagerring (4), der zwischen zwei Funktionselementen (5) der Nockenwelle (3) angeordnet ist und der sich über axiale Stirnseiten (8) gegenüber den Funktionselementen (5) abstützt, wobei zumindest die axialen Stirnseiten (8) des Lagerrings (4) und/oder damit in Gleitkontakt stehende Seiten (9) der Funktionselemente eine Polymerbeschichtung (10) aufweisen.
Lageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerring (4) einen doppel-T-förmigen Querschnitt mit seitlichen Schultern (11) aufweist, wobei zwischen dem Lagerring (4) und der Nockenwelle (3) Wälzkörper (12) angeordnet sind.
Lageranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper (12) als Nadeln ausgebildet sind und direkt auf der Oberfläche der Nockenwelle (3) laufen, wobei seitliche Schultern (11) des Lagerrings (4) in radialer Richtung nur in Richtung des Zylinderkopfes (15) ausgebildet sind und die Wälzkörper (12) somit nicht führen.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, – dass die Polymerbeschichtung (10) Polyimid, Acrylat, Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Epoxidharz aufweist, und/oder – dass die Polymerbeschichtung (10) metallische Partikel und/oder Polytetrafluorethylen-Partikel in einer Konzentration von 1–15 Vol.-% aufweist.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, – dass das Funktionselement (5) als Nocken (6), Anschlag (7), Antriebsrad, Montagehilfe, Zahnrad oder als Geberrad ausgebildet ist, und/oder – dass der Lagerring (4) zwischen einem Antriebsrad und dem ersten Nocken angeordnet ist.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerring (4) mit einem Axialspiel (a) von 30–50µm zum Funktionselement (5) angeordnet ist.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerring (4) als Gleitlager ausgebildet ist und auf der Oberfläche der Nockenwelle (3) gleitet, wobei der Lagerring (4) an seiner Außenseite eine umlaufende Ölnut (13) aufweist und zusätzlich radiale Öldurchlassöffnungen (14) aufweist und wobei die Oberfläche der Nockenwelle (3) im Gleitbereich polymerbeschichtet ist und/oder der Lagerring (4) an seiner Innenseite polymerbeschichtet ist, insbesondere ein derartige Polymerbeschichtung 10 aufweist.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerring (4) an seinen Stirnseiten (8) Ölzuführungsnuten (16) aufweist.
Brennkraftmaschine (1) mit einer Lageranordnung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerring (4) mit seinen Schultern (11) an einem Zylinderkopf (15) befestigt ist.