DE102010051680A1

DE102010051680A1 - Lagereinrichtung, insbesondere Lagerbock, für eine Kurbelwelle

Info

Publication number: DE102010051680A1
Application number: DE201010051680
Authority: DE
Inventors: Alexander Grauer; Hansjörg Finkbeiner; Christian Elsner; Rainer Joos; Claudia Kohler; Bernd Schietinger
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-11-17
Filing date: 2010-11-17
Publication date: 2012-05-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lagereinrichtung, insbesondere Lagerbock, für eine Kurbelwelle einer Hubkolbenmaschine, welche zumindest eine Lagerstelle zur Lagerung der Kurbelwelle aufweist, und welche det ist, die Lagereinrichtung zumindest bereichsweise aus einem Stahl ausgebildet ist, welcher im Wesentlichen zumindest an der/den Lagerstelle (n) einen Kohlenstoffgehalt in einem Bereich von einschließlich 0,5 Gew.-% bis einschließlich 0,9 Gew.-% aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lagereinrichtung, insbesondere einen Lagerbock, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Aus dem Serienbau von Kraftwagen sind derartige Lagereinrichtungen für eine Kurbelwelle einer Hubkolbenmaschine bekannt. Sie werden beispielsweise aus Eisengusswerkstoffen hergestellt und stellen Lagerstellen bereit, um die Kurbelwelle zu lagern. Es hat sich gezeigt, dass eine Hubkolbenmaschine mit einer solchen Lagereinrichtung Reibungsverluste aufweist, welche insbesondere aus der Gleitlagerung der Kurbelwelle an der entsprechenden Lagereinrichtung resultieren. Diese Reibverluste führen zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lagereinrichtung, insbesondere einen Lagerbock, für eine Kurbelwelle einer Hubkolbenmaschine bereitzustellen, welche eine verbesserte Lagerung der Kurbelwelle, bevorzugt eine Wälzlagerung der Kurbelwelle ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Lagereinrichtung, insbesondere einen Lagerbock, für eine Kurbelwelle einer Hubkolbenmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung betrifft eine Lagereinrichtung, insbesondere einen Lagerbock, für eine Kurbelwelle einer Hubkolbenmaschine, welche zumindest eine Lagerstelle zur Lagerung der Kurbelwelle aufweist, und welche zumindest im Wesentlichen aus einem Stahl ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Lagereinrichtung zumindest bereichsweise aus einem Stahl ausgebildet ist, welcher im Wesentlichen einen Kohlenstoffgehalt in einem Bereich von einschließlich 0,5 Gewichtsprozent (Gew.-%) bis einschließlich 0,9 Gew.-% aufweist.
Eine Möglichkeit ist auch die Verwendung eines Stahles bei dem zumindest im Bereich der späteren Lagerstelle der lokale Kohlenstoffgehalt durch einen Aufkohlungsprozess auf einen Wert zwischen einschließlich 0,5 Gew.-% und einschließlich 0,9 Gew.-% eingestellt wurde. Der Kohlenstoffgehalt von 0,5 Gew.-% bis einschließlich 0,9 Gew.-% an den Lagerstellen ist somit durch einen Aufkohlungsprozess der Lagereinrichtung aus einem Stahl mit einem Grundkohlenstoffgehalt von kleiner 0,5 Gew.-% eingestellt.
Ein besonders geeigneter Stahl, ist der Stahl mit der Bezeichnung C56E2, welcher hinsichtlich der Wälzbeständigkeit sehr günstige Eigenschaften aufweist.
Der Kohlenstoffgehalt im Bereich der späteren Lagerstelle(n) ermöglicht ein zumindest örtliches Härten der Lagereinrichtung, so dass diese in den gehärteten Bereichen besonders hohe Ermüdungsbeständigkeit und damit besonders gute Eigenschaften zur Lagerung aufweist.
So ist in einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass der Stahl mit dem Kohlenstoffgehalt in dem genannten Bereich zumindest an der Lagerstelle der Lagereinrichtung vorgesehen ist. Dabei weist die Lagereinrichtung beispielsweise zumindest einen aus dem Stahl ausgebildeten Innenumfangsabschnitt, insbesondere eine Bohrung, auf, welcher als die Lagerstelle zur Lagerung der Kurbelwelle ausgebildet ist, wobei die Lagerstelle als Laufbahn für Wälzkörper, insbesondere zumindest im Wesentlichen zylindrische Wälzkörper, und insbesondere kreiszylindrische Wälzkörper, ausgebildet ist. Die Wälzkörper können aber auch im Wesentlichen auch kugel- oder kegelförmig ausgebildet sein. Der Stahl mit dem genannten Kohlenstoffgehalt führt dazu, dass die aus dem Stahl gebildete Lagerstelle besonders gut gehärtet und somit an der Lagerstelle eine hohe Oberflächenhärte und günstige Druckeigenspannungen ausgebildet werden können, die eine sehr gute, dauerhafte und effiziente Lagerung der Kurbelwelle an der Lagerstelle ermöglichen.
Die Lagereinrichtung kann somit selbst über den besagten Innenumfangsabschnitt als Außenkörper, insbesondere als Außenring, eines Wälzlagers fungieren, wodurch die Kurbelwelle besonders reibungs- und verlustarm zu lagern ist. Dies führt dazu, dass die Hubkolbenmaschine besonders geringe innere Reibungsverluste aufweist, was zu einem geringen Kraftstoffverbrauch und damit zu geringen CO₂-Emissionen führt.
Des Weiteren weist die erfindungsgemäße Lagereinrichtung und damit die gesamte Hubkolbenmaschine einen sehr geringen Bauraumbedarf auf, da Außenkörper zur Darstellung von Wälzlagern für die Kurbelwelle entfallen können. Dies hält auch die Teileanzahl in einem geringen Rahmen, woraus geringe Kosten für die Hubkolbenmaschine resultieren. Darüber hinaus geht mit der geringen Teileanzahl ein geringeres Gewicht einher, was den Kraftstoffverbrauch und die CO₂-Emissionen der Hubkolbenmaschine weiterhin gering hält.
Im Rahmen der Erfindung ist es möglich, die Lagereinrichtung aus einem Stahl auszubilden, der ohne Behandlungsverfahren der Lagereinrichtung oder dergleichen bereits einen Kohlstoffgehalt in dem Bereich von einschließlich 0,5 Gew.-% bis einschließlich 0,9 Gew.-% aufweist. Bei einem solchen Stahl handelt es sich beispielsweise um einen Stahl mit der Bezeichnung C53G (früher Cf53) oder vorzugsweise um einen Stahl mit der Bezeichnung C56E2, welcher hinsichtlich einer Wälzbeständigkeit sehr günstige Eigenschaften aufweist. Ebenso ist es möglich, andere Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt in dem Bereich von einschließlich 0,5 Gew.-% bis einschließlich 0,9 Gew.-% einzusetzen.
Vorteilhafterweise weist der Stahl, aus welchem die erfindungsgemäße Lagereinrichtung ausgebildet ist, einen Gehalt an Schwefel von maximal 0,015 Gew.-% und/oder einen Gehalt an Phosphor von maximal 0,025 Gew.-% auf. Mit anderen Worten ist der Stahl arm an Störelementen wie Schwefel und Phosphor. Er weist somit eine sehr hohe Reinheit auf, woraus optimale Wälzeigenschaften des Stahls resultieren.
Des Weiteren ist es möglich, durch ein Wärmebehandlungsverfahren der Lagereinrichtung, beispielsweise durch Aufkohlen, den Kohlenstoffgehalt zumindest in Oberflächennähe der Lagerstelle bzw. der Lagerstellen in dem genannten Bereich von einschließlich 0,5 Gew.-% bis einschließlich 0,9 Gew.-% einzustellen. In diesem Zusammenhang ist vorstellbar, dass der verwendete Stahl im Kernbereich auch einen Kohlenstoffgehalt von weniger als 0,5 Gew.-% ausweisen kann. Dabei wird beispielsweise lediglich eine Randschicht des Stahls bzw. der Lagereinrichtung mit Kohlenstoff angereichet, wodurch die Lagereinrichtung bzw. ihr Stahl in diesem Bereich gut härtbar ist und dort die günstigen Lagerungseigenschaften eingestellt werden können.
Als eine mögliche Legierungsvariante des Stahls, aus welchem die erfindungsgemäße Lagereinrichtung ausgebildet ist, wird vorgeschlagen, den Stahl mit dem Kohlenstoffgehalt in dem Bereich von einschließlich 0,5 Gew.-% bis einschließlich 0,9 Gew.-% zu verwenden, welcher zusätzlich als Legierungselemente Vanadium, Titan, Niob, Bor und/oder Stickstoff aufweist, um somit den Stahl gezielt zu modifizieren. Die genannten Legierungselemente können dabei entweder einzeln oder in Kombination zugesetzt sein. Vorzugsweise ist der Anteil dieser Elemente in der Summe kleiner als 1,5 Gew.-%. Durch diese Legierungsvariante weist die Lagereinrichtung zumindest in dem Bereich, in denen die genannte Legierungsvariante eingesetzt wird, eine sehr gute Wälzlagerungsneigung auf, um somit als Laufbahn für Wälzkörper zu fungieren. Ferner ermöglicht insbesondere die genannte Legierungsvariante eine besonders kostengünstige Herstellung der Lagereinrichtung, welche beispielsweise geschmiedet, gehärtet, gecrackt und nachbearbeitet wird. Die genannte Legierungsvariante und damit die Herstellung der Lagereinrichtung trägt diesen Herstellungsschritten in ausgewogener Weise Rechnung, um die Kosten der Lagereinrichtung damit mit der gesamten Hubkolbenmaschine gering zu halten.
Bedingt insbesondere durch den relativ hohen Kohlenstoffgehalt der Lagereinrichtung, insbesondere der Lagerstelle bzw. den Lagerstellen, wird durch ein Härteverfahren, durch welches die Lageeinrichtung zumindest bereichsweise gehärtet wird, vorteilhafterweise eine Oberflächenhärte von mindestens 55 HRC (Rockwellhärte) eingestellt. Dadurch kann ein besonders günstiger Kontaktbereich zu den Wälzkörpern hergestellt werden, welcher eine reibungsarme und langlebige Lagerung der Kurbelwelle an der Lagereinrichtung ermöglicht. Des Weiteren wird bevorzugt eine Randhärtetiefe, insbesondere eine Randhärtetiefe Rht480HV1 ausgebildet, welche insbesondere im Mittel mindestens 0,3 mm beträgt. Auch dies stellt einen besonders günstigen Kontaktbereich zu den Wälzkörpern bereit. Des Weiteren werden bei einer derartigen Randschichthärtung Druckeigenspannungen an oberflächennahen Zonen erreicht, die sich hinsichtlich betriebsbedingter Pressung positiv auf eine hohe Lebensdauer auswirken.

Claims

Lagereinrichtung, insbesondere Lagerbock, für eine Kurbelwelle einer Hubkolbenmaschine, welche zumindest eine Lagerstelle zur Lagerung der Kurbelwelle aufweist, und welche zumindest im Wesentlichen aus einem Stahl ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagereinrichtung zumindest bereichsweise aus einem Stahl ausgebildet ist, welcher im Wesentlichen einen Kohlenstoffgehalt in einem Bereich von einschließlich 0,5 Gew.-% bis einschließlich 0,9 Gew.-% aufweist.
Lagereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stahl mit der Bezeichnung C56E2 verwendet wird.
Lagereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoffgehalt von 0,5 Gew.-% bis einschließlich 0,9 Gew.-% an den Lagerstellen durch einen lokalen Aufkohlungsprozess der Lagereinrichtung aus einem Stahl mit einem Grundkohlenstoffgehalt von kleiner 0,5 Gew.-% eingestellt ist.
Lagereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl als Legierungselemente Vanadium, Titan, Niob, Bor und/oder Stickstoff mit einzeln oder in Kombination bis zu einem Gesamtgehalt von zumindest im Wesentlichen 1,5 Gew.-% aufweist und/oder einen Gehalt an Schwefel von maximal 0,015 Gew.-% und/oder einen Gehalt an Phosphor von maximal 0,025 Gew.-% aufweist.
Lagereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl zumindest an der Lagerstelle der Lagereinrichtung vorgesehen ist.
Lagereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagereinrichtung zumindest einen aus dem Stahl ausgebildeten Innenumfangsabschnitt, insbesondere eine Bohrung, aufweist, welcher als die Lagerstelle zur Lagerung der Kurbelwelle ausgebildet ist, wobei die Lagerstelle als Laufbahn für Wälzkörper, insbesondere im Wesentlichen zylindrische, kugelförmige oder kegelförmige Wälzkörper ausgebildet ist.
Lagereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagereinrichtung vollständig oder zumindest bereichsweise, insbesondere zumindest an der Lagerstelle, durch ein Härteverfahren lokal oder vollständig gehärtet ist.
Lagereinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagereinrichtung durch Randschichthärten, Laserhärten, Elektronenstrahlhärten, Induktionshärten und/oder im Ofen gehärtet ist.
Lagereinrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagereinrichtung zumindest bereichsweise angelassen sein kann.
Lagereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagereinrichtung zumindest bereichsweise, insbesondere an der Lagerstelle, eine Oberflächenhärte von mindestens 55 HRC aufweist und/oder eine Randhärtetiefe Rht480HV1 aufweist, welche im Mittel mindestens 0,3 mm beträgt.