DE102013213615A1

DE102013213615A1 - Vorrichtung

Info

Publication number: DE102013213615A1
Application number: DE102013213615.3A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Rose; Falk Schneider
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2013-07-11
Filing date: 2013-07-11
Publication date: 2015-01-15

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) mit einem Gehäuse (2) und einer darin drehbar gelagerten und ölgeschmierten Welle (3). Erfindungswesentlich ist dabei, dass das Gehäuse (2) zumindest teilweise mit einer oleophoben Beschichtung (11) und die Welle (3) zumindest teilweise mit einer oleophilen Beschichtung (12) versehen sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem Gehäuse und einer darin drehbar gelagerten und ölgeschmierten Welle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus der DE 43 36 920 A1 bekannt. Beschrieben ist dabei ein Ventiltrieb mit einem aus einem leichten Metall, vorzugsweise aus Aluminium oder einer Magnesiumlegierung hergestellten Stößel. Die Außenfläche des Stößels ist zum Herabsetzen der während des Betriebs auftretenden Reibung mit einem Festschmierstoff imprägniert. Der Ventiltrieb enthält des Weiteren eine Nockenwelle mit Nocken, wobei die Verschleiß-/Lagerflächen der Nocken zum weiteren Herabsetzen der während des Betriebes auftretenden Reibung ebenfalls mit einem Festschmierstoff imprägniert sind.
Aus der WO 209/015855 A1 ist ein Wälzlager mit einer an seiner Innenfläche angeordneten Öl abweisenden, d.h. oleophoben, Beschichtung bekannt. Diese oleophobe Beschichtung soll dafür sorgen, dass weniger von dem zur Schmierung eingesetzten Schmierfett an den Außenflächen haften bleibt und dadurch vermehrt in den dynamischen Reibkontakt eingebracht werden kann.
Aus der DE 10 2010 019 953 A1 ist ein Wälzkörper mit einer Mantelfläche und zumindest einer Nut bekannt. In dieser Nut ist eine Einlage aus einem elastischen Material eingelassen, um ein verbessertes Betriebsverhalten zu erreichen.
Aus der US 5,239,951 A ist ein Rollenstößel mit einer oleophilen Beschichtung bekannt, um eine vergleichsweise schnelle Bildung eines Schmiermittelfilms bewirken zu können.
Insbesondere moderne Brennkraftmaschinen besitzen zum leichtgängigen Betrieb eine Ölschmierung entsprechender Lagerstellen, beispielsweise Lagerstellen von Nocken- oder Kurbelwellen, wobei das Öl diesen Lagerstellen zur Schmierung ständig zugeführt wird. Durch die Drehbewegung der Wellen wird das Öl jedoch wieder aus den Lagerstellen entfernt und in ein die Welle umgebendes Gehäuse gespritzt. Ist eine genügend große Ölmenge an die Gehäusewandung angespritzt, so fließt diese durch die Schwerkraft zurück zu einem Ölsumpf. In ungünstigen Fällen haftet somit ein Großteil des Ölvolumens "nutzlos" an den Gehäusewänden, wo es funktional nicht benötigt wird. Dies bedeutet eine vergleichsweise hohe, schwere und unnötige Menge an Schmierstoff, beispielsweise Öl, die nicht nur im System vorgehalten, sondern auch durch eine entsprechende Pumpe im Kreis gepumpt werden muss.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die insbesondere wirtschaftlicher betrieben werden kann.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine Vorrichtung mit einem Gehäuse und einer darin drehbar gelagerten und ölgeschmierten Welle in Bereiche aufzuteilen, in welchen eine Schmierung erforderlich ist und in Bereiche, in welchen keine Schmierung erforderlich ist und somit auch kein Öl vorhanden sein muss. Der letzte Bereich betrifft beispielsweise ein Gehäuse, wogegen der Bereich mit gewünschter Schmierung beispielsweise eine Lagerstelle der Welle ist. Erfindungsgemäß wird deshalb das Gehäuse zumindest teilweise mit einer oleophoben, d.h. ölabweisenden Beschichtung und die Welle zumindest teilweise mit einer oleophilen, d.h. ölanhaftenden, Beschichtung versehen. Hierdurch kann erreicht werden, dass das zur Schmierung erforderliche Öl nicht mehr nutzlos an Innenwänden des Gehäuses hängt, sondern aufgrund der dort angebrachten oleophoben Beschichtung vergleichsweise rasch in einen Ölsumpf abfließt und von dort erneut zu den zu schmierenden Stellen gefördert werden kann. Durch das Bereitstellen von oleophoben und oleophilen Bereichen kann die Gesamtmenge an vorzuhaltendem Öl deutlich gesenkt werden. Dies führt zu einer verkleinerten Ölwanne und zu kürzeren Aufwärmzeiten des Motors, was insbesondere bei Kurzstrecken Verbrauchsvorteile mit sich bringt. Zudem kann auch der Förderaufwand gesenkt werden, wodurch beispielsweise der Einsatz kleinerer Ölpumpen ermöglicht wird. Mit der Erfindung ist es somit erstmals möglich, das zur Schmierung der Welle erforderliche Öl konzentriert an die dafür vorgesehenen Stellen, beispielsweise Lagerstellen, zu leiten und den "nutzlos" im Gehäuse anhaftenden Ölanteil deutlich zu reduzieren.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung sind das Gehäuse als Kurbelgehäuse und die Welle als Kurbelwelle ausgebildet, oder aber das Gehäuse ist als Zylinderkopf und die Welle als Nockenwelle ausgebildet. Selbstverständlich ist auch denkbar, dass das Gehäuse als Getriebegehäuse und die Welle als Getriebewelle ausgebildet sind. Bereits diese – nicht abschließende – Aufzählung lässt erahnen, dass die erfindungsgemäße Idee, nämlich oleophile und oleophobe Beschichtungen im Bereich von Vorrichtungen, beispielsweise im Bereich von Motoren oder Getrieben, vorzusehen, auf eine Vielzahl technischer Anwendungen übertragbar ist, insbesondere auf solche, bei welchen das Ölvolumen gesenkt und eine konzentrierte Schmierung bewirkt werden soll. Die erfindungsgemäße Idee ist dabei in einer Vielzahl von Anwendungen denkbar und ermöglicht in allen diesen Anwendungen einen besonders wirtschaftlichen Betrieb.
Zweckmäßig sind eine Lagerstelle für die Welle im Gehäuse und/oder ein Lagerbereich an der Welle mit der oleophilen Beschichtung beschichtet. Insbesondere im Bereich der Lagerstelle der Welle ist eine ölanhaftende Wirkung von großem Vorteil, da hierdurch der Schmiereffekt verbessert, Verschleiß und Reibung reduziert und die Leichtgängigkeit der Welle gewährleistet werden können. Somit ist es besonders vorteilhaft, die Lagerstelle bzw. einen entsprechenden Lagerbereich an der Welle mit einer solchen oleophilen Beschichtung zu versehen.
Zusätzlich oder alternativ ist es auch denkbar, dass auf der Welle ein Funktionsbauteil angeordnet ist, das ebenfalls zumindest teilweise mit einer oleophilen Beschichtung versehen ist. Ein solches Funktionsbauteil kann beispielsweise ein Nocken oder ein Zahnrad sein. Hierdurch ist eine Ölkonzentration, beispielsweise im Bereich eines Ventiltriebs, d.h. einem Zusammenwirken zwischen Nocken und einem nachgeordneten Stößel, oder im Bereich von ineinandergreifenden Zahnrädern denkbar. Am Zahnrad ist darüber hinaus denkbar, dass beispielsweise lediglich die Zähne desselben mit einer oleophilen Beschichtung versehen sind, wogegen die Stirnseiten mit einer oleophoben Beschichtung versehen sind. In gleicher Weise ist dies auch bei einem als Nocken ausgebildeten Funktionsbauteil vorstellbar, so dass beispielsweise die Nockenlauf-/mantelfläche mit einer solchen oleophilen Beschichtung und die Nockenstirnseiten mit einer solchen oleophoben Beschichtung versehen sind. Auch hierdurch ist eine Konzentration des Schmiereffekts effektiv möglich.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung weist die Welle sowohl Bereiche mit oleophober Beschichtung als auch Bereiche mit oleophiler Beschichtung auf, wobei die Welle insbesondere im Lagerbereich mit der oleophilen Beschichtung und benachbart dazu mit der oleophoben Beschichtung versehen ist. Hierdurch ist wiederum eine Konzentration des für die Schmierung der Welle erforderlichen Öls auf die eigentlichen Lagerbereiche bzw. Lagerstellen möglich, wodurch das Gesamtölvolumen reduziert und der Aufwand dieses im Kreis zu fördern, ebenfalls minimiert werden können.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung weist die oleophile Beschichtung Hartkeramikmaterialien, wie beispielsweise Chromoxid, Aluminiumoxid, Wolframcarbid oder amorphen Kohlenstoff, auf. Eine Beschichtung mit amorphem Kohlenstoff kann als sogenannte DLC-Beschichtung (diamond like carbon) ausgeführt sein und sorgt für eine Anhaftung des Öls und somit eine Konzentration auf die mit Öl zu schmierenden Bereiche.
Im Gegensatz dazu kann die oleophobe Beschichtung Fluorcarbonverbindungen aufweisen, deren Oberflächenspannung größer ist als die von Öl und dadurch ein vergleichsweise geringes bzw. gar kein Anhaften von Öl ermöglicht. Trifft somit Öl auf eine derartige oleophobe Beschichtung, so fließt es von dort vergleichsweise schnell ab, da es nicht anhaften kann.
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 Bauteile beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch
1 eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung in der Art eines Getriebes,
2 eine Darstellung wie in 1, jedoch bei einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung, insbesondere mit einer Nockenwelle.
Entsprechend den 1 und 2 weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 ein Gehäuse 2 sowie eine darin drehbar gelagerte und ölgeschmierte Welle 3 auf. Gemäß der 1 sind das Gehäuse 2 beispielsweise als Getriebegehäuse 4 und die beiden Wellen 3 als Getriebewellen 4 ausgebildet, wobei auf den jeweiligen Getriebewellen 5 miteinander in Eingriff stehende Zahnräder 6 angeordnet sind. Demgegenüber sind das Gehäuse 2 gemäß der 2 als Zylinderkopf 7 und die Welle 3 als Nockenwelle 8 ausgebildet. Rein theoretisch ist auch denkbar, dass die gemäß der 2 dargestellte Vorrichtung 1 ein als Kurbelgehäuse 9 ausgebildetes Gehäuse 2 sowie eine als Kurbelwelle 10 ausgebildete Welle 3 umfasst.
Allen gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen ist dabei gemein, dass das Gehäuse 2, d.h. also auch das Getriebegehäuse 4, der Zylinderkopf 7 bzw. das Kurbelgehäuse 9, zumindest teilweise mit einer oleophoben Beschichtung 11 und die Welle 3, d.h. beispielsweise die Getriebewelle 5, die Nockenwelle 8 bzw. die Kurbelwelle 10, zumindest teilweise mit einer oleophilen Beschichtung 12 versehen sind. Besonders die Lagerstellen 14 der Welle 3 im Gehäuse 2 sind dabei üblicherweise mit einer derartigen oleophilen Beschichtung 12 versehen, um eine möglichst große Ölanhaftung in diesem Bereich konzentrieren und damit die Lagerung verbessern zu können. In Bereichen, in welchen eine Ölanhaftung eher nicht erwünscht ist, da hierdurch ein vergleichsweise großes und an sich nutzloses Ölvolumen generiert wird, ist die oleophobe Beschichtung 11 vorgesehen, die ein Anhaften des Öls verhindert und eine schnelle Rückführung desselben, beispielsweise in einen Ölsumpf 13 (vgl. 1) begünstigt.
In beiden Figuren ist dabei die oleophile Beschichtung 12 mit kleinen Strichen dargestellt, wogegen die oleophobe Beschichtung 11 mit kleinen Quadraten zeichnerisch dargestellt ist. Die oleophile Beschichtung 12 im Bereich der Lagerstelle 14 kann dabei am Gehäuse 2 und/oder an der Welle 3 vorgesehen werden.
Betrachtet man die 1 und 2, so kann man erkennen, dass auf der Welle 3 ein Funktionsbauteil 15 angeordnet ist, welches gemäß der 1 als Zahnrad 6 und gemäß der 2 als Nocken 16 ausgebildet ist. Diese Funktionsbauteile 15 können ebenfalls zumindest teilweise mit der oleophilen Beschichtung 12 versehen werden, insbesondere im Bereich einer Nockenlauffläche, d.h. einer Nockenmantelfläche, oder im Bereich von Zähnen, sofern das Funktionsbauteil 15 als Zahnrad 6 ausgebildet ist. Hierdurch ist ein vergleichsweise leichtgängiger, da optimal geschmierter Betrieb durch die oleophile Beschichtung 12 möglich.
Betrachtet man die Wellen 3, 5 gemäß der 1 bzw. die Wellen 3, 8, 10 gemäß der 2, so kann man erkennen, dass die jeweilige Welle sowohl Bereiche mit oleophober Beschichtung 11 als auch Bereiche mit oleophiler Beschichtung 12 besitzt. Im Bereich der Lagerstelle 14 bzw. dem Lagerbereich 14 ist dabei auf der Welle 3, 5, 8, 10 die oleophile Beschichtung 12 aufgebracht, wogegen in dazu benachbarten Bereichen auf der Welle 3, 5, 8, 10 die oleophobe Beschichtung 11 angeordnet ist. Hierdurch wird nicht nur im Gehäuse 2, sondern auch im Bereich der Welle 3 die ölanhaftende Wirkung auf die tatsächlich mit Öl zu schmierenden Stellen konzentriert und dadurch das "nutzlose" Ölvolumen an anderen Stellen reduziert.
Betrachtet man die 1, so kann man erkennen, dass die oleophobe Beschichtung 11 zumindest zum überwiegenden Teil oberhalb des Ölspiegels 17 im Gehäuse 2 angeordnet ist.
Generell kann die oleophile Beschichtung 12 Hartkeramikmaterialien, wie beispielsweise Chromoxid, Aluminiumoxid, Wolframcarbid oder amorphen Kohlenstoff (DLC) aufweisen, wogegen die oleophobe Beschichtung Fluorcarbonverbindungen besitzen kann, deren Oberflächenspannung größer ist als die von Öl und dadurch ein Anhaften von Öl verhindert.
Generell kann mit der erfindungsgemäßen Idee das zum Schmieren von Wellen 3 in Gehäusen 2 vorgesehene Öl hinsichtlich seines Volumens deutlich reduziert werden, da bisherige Bereiche im Gehäuse 2, in denen Öl nutzlos anhaftete, und zumindest teilweise mit der oleophoben Beschichtung 11 versehen werden und dadurch ihre ölanhaftende Wirkung verlieren. Durch die Kombination von oleophober Beschichtung 11 und oleophiler Beschichtung 12 kann das Öl auf die tatsächlich zu schmierenden Stellen konzentriert werden, so dass insgesamt weniger Öl benötigt wird, was Rohstoffe und Gewicht spart. Hierdurch ist auch der Einsatz kleinerer und damit nicht nur leichterer, sondern auch kostengünstiger Ölpumpen denkbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4336920 A1 [0002]
WO 209/015855 A1 [0003]
DE 102010019953 A1 [0004]
US 5239951 A [0005]

Claims

Vorrichtung (1) mit einem Gehäuse (2) und einer darin drehbar gelagerten und ölgeschmierten Welle (3), dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) zumindest teilweise mit einer oleophoben Beschichtung (11) und die Welle (3) zumindest teilweise mit einer oleophilen Beschichtung (12) versehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass das Gehäuse (2) als Kurbelgehäuse (9) und die Welle (3) als Kurbelwelle (10) ausgebildet sind, oder – dass das Gehäuse (2) als Zylinderkopf (7) und die Welle (3) als Nockenwelle (8) ausgebildet sind, oder – dass das Gehäuse (2) als Getriebegehäuse (4) und die Welle (3) als Getriebewelle (5) ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lagerstelle (14) für die Welle (3) im Gehäuse (2) und/oder ein Lagerbereich an der Welle (3) mit der oleophilen Beschichtung (12) beschichtet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Welle (3) ein Funktionsbauteil (15) angeordnet ist, das ebenfalls zumindest teilweise mit einer solchen oleophilen Beschichtung (12) versehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionsbauteil (15) ein Nocken (16) oder ein Zahnrad (6) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (3) Bereiche mit oleophober Beschichtung (11) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (3) im Bereich der Lagerstelle (14) mit der oleophilen Beschichtung (12) und benachbart dazu mit der oleophoben Beschichtung (11) versehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die oleophobe Beschichtung (11) zumindest zum überwiegenden Teil oberhalb eines Ölspiegels (17) im Gehäuse (2) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die oleophile Beschichtung (12) Hartkeramikmaterialien, wie Chromoxid, Aluminiumoxid, Wolframcarbid, oder amorphen Kohlenstoff (DLC) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die oleophobe Beschichtung (11) Fluorcarbonverbindungen aufweist, deren Oberflächenspannung größer ist als die von Öl.