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Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung zur Lagerung einer Kurbelwelle.
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Eine solche Lageranordnung weist eine erste Lagerschale und eine zweite Lagerschale auf, die gemeinsam ein ringförmiges Lager bilden, wobei sich die zweite Lagerschale – in Umfangsrichtung gesehen – über einen Winkelbereich von 0° bis 180° erstreckt, und wobei sich die erste Lagerschale – ebenfalls in Umfangsrichtung gesehen – über einen Winkelbereich von 180° bis 360° erstreckt, sodass die Lagerschalen gemeinsam das ringförmige Lager entlang von dessen gesamtem Umfang, von 0° bis 360°, ausbilden.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2006 050 246 A1 ist es bekannt, bei einem Gleitlager der hier angesprochenen Art eine Mikrorillenstruktur über im Wesentlichen die gesamt axiale Breite und über im Wesentlichen die gesamte Umfangsfläche vorzusehen, wobei erste Rillen mit einer ersten geringen Tiefe von 1 bis 5 μm vorgesehen sind, und wobei der durch die ersten Rillen gebildeten Struktur zweite Rillen einer maximalen Tiefe von 4 bis 40 μm überlagert sind, wobei diese maximale Tiefe wenigstens 2 μm größer ist als die erste Tiefe der ersten Rillen, und wobei die Tiefe der zweiten Rillen in Umfangsrichtung variiert. Eine Ausgestaltung eines Gleitelements mit Vertiefungen ist auch aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2008 037 871 A1 bekannt. Die bekannten Ausgestaltungen sind insbesondere in Hinblick auf zukünftige Anforderungen in Zusammenhang mit der Verwendung von Leichtlaufölen, beispielsweise 0W30, mit einem Scherwert von 2,6 und geringer, sowie den zukünftig verstärkt eingesetzten elektrischen Starter-Generator-Maschinen, deren Kurbelwellenbeschleunigungswerte 10 mal höher sind als diejenigen herkömmlicher Anlasser, in Bezug auf eine sichere Schmierung und ausreichende Ölversorgung von Kurbelwelle und Lager verbesserungsfähig.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lageranordnung zur Lagerung einer Kurbelwelle zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem eine Lageranordnung gemäß Anspruch 1 geschaffen wird. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass jede der Lagerschalen einen Stahlgrundkörper sowie eine auf dem Stahlgrundkörper angeordnete Gleitschicht und eine auf der Gleitschicht angeordnete Polymerschicht aufweist. Somit ergibt sich eine zumindest dreischichtige Anordnung aus dem Stahlgrundkörper, der Gleitschicht und der Polymerschicht, die – in dieser Reihenfolge – übereinander angeordnet sind, wobei die Polymerschicht einem Reibpartner, insbesondere einer in den Lagerschalen gelagerten Kurbelwelle, zugewandt ist. In der Polymerschicht der zweiten Lagerschale ist eine erste Vertiefungsstruktur ausgebildet, die einen ersten, in Umfangsrichtung gesehen mittigen Strukturabschnitt mit einer porenförmigen Struktur aufweist. Dass der erste Strukturabschnitt in Umfangsrichtung gesehen mittig vorgesehen ist, bedeutet insbesondere, dass dieser – auf der oben definierten Winkelskala des ringförmigen Lagers – zwischen 30° und 150° angeordnet ist, was umgekehrt insbesondere bedeutet, dass der erste Strukturabschnitt insbesondere auf der zweiten Lagerschale nicht zwischen 0° und 30° und nicht zwischen 150° und 180° angeordnet ist.
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Die Vertiefungsstruktur weist außerdem einen zweiten Strukturabschnitt an einem ersten Umfangsende der zweiten Lagerschale, das heißt insbesondere zwischen 0° und 30°, und einen dritten Strukturabschnitt an einem zweiten Umfangsende der zweiten Lagerschale, das heißt insbesondere zwischen 150° und 180°, auf, wobei der zweite Strukturabschnitt und der dritte Strukturabschnitt eine Mehrzahl von Vertiefungen aufweisen, die jeweils von einem in Umfangsrichtung verlaufenden Ringkanal abzweigen. Vorzugsweise sind die Vertiefungen so vorgesehen, dass sie beidseitig von dem Ringkanal abzweigen. Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass der Ringkanal in axialer Richtung – das heißt senkrecht zur Umfangsrichtung – mittig angeordnet ist.
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Auf diese Weise kann eine möglichst gute Ölversorgung der Lageranordnung und auch der darin gelagerter Kurbelwelle sichergestellt werden, wobei insbesondere der Ringkanal eine geeignete Ölversorgung der höher belasteten Lagerbereiche, insbesondere des ersten Strukturabschnitts, gewährleisten kann. Die vorzugsweise beidseits des Ringkanals – vorzugsweise symmetrisch einander gegenüberliegend – angeordneten Vertiefungen könne dabei in Kombination mit dem Ringkanal als eine Art Drallkanalstruktur wirken, welche eine Rückölförderung entgegen der Kurbelwellendrehrichtung ermöglichen, was zu einem längeren Verbleib der Ölmenge in dem hauptsächlich belasteten Bereich führt und somit das Ausströmen des Öls aus dem Lagerspalt reduziert.
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Das ringförmige Lager der Lageranordnung kann bevorzugt als Hauptlager insbesondere an einem Lagerstuhl für eine Kurbelwelle ausgebildet ist, wobei die erste Lagerschale in diesem Fall eine obere Lagerschale des Hauptlagers ist, und wobei die zweite Lagerschale eine untere Lagerschale des Hauptlagers ist. Alternativ ist es bevorzugt vorgesehen, dass das ringförmige Lager als Pleuellager zur Lagerung eines Pleuels – insbesondere mit einem großen Pleuelauge – an einer Kurbelwelle ausgebildet ist, wobei die erste Lagerschale in diesem Fall eine untere Lagerschale des Pleuellagers ist, und wobei die zweite Lagerschale eine obere Lagerschale des Pleuellagers ist.
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Unter einer unteren Lagerschale wird hier eine Lagerschale der Lageranordnung verstanden, welche bei bestimmungsgemäßem Einbau an einer Brennkraftmaschine sowie bei bestimmungemäßer Lage der Brennkraftmaschine im Raum, die insbesondere bei einem Viertaktmotor typischerweise durch die geodätisch unten angeordnete Ölwanne vorgegeben ist, relativ zu der oberen Lagerschale geodätisch weiter unten angeordnet ist, wobei entsprechend unter einer oberen Lagerschale eine Lagerschale verstanden wird, die unter den vorgenannten Bedingungen relativ zu der unteren Lagerschale geodätisch weiter oben angeordnet ist. Da ein Arbeitshub der Brennkraftmaschine dann, wenn diese als Hubkolbenmotor, insbesondere als Viertakt-Hubkolbenmotor, ausgebildet ist, typischerweise vertikal nach unten erfolgt, ist im Fall eines Hauptlagers für die Kurbelwelle der in Umgangsrichtung gesehen mittige Bereich der unteren Lagerschale, wo in diesem Fall der erste Strukturabschnitt vorgesehen ist, mechanisch besonders stark belastet. Umgekehrt ist bei einem Pleuellager zur Lagerung eines Pleuels an der Kurbelwelle der entsprechende Bereich der oberen Lagerschale mechanisch besonders stark belastet. In diesen hochbelasteten Bereichen bewirkt die porenförmige Struktur jeweils eine sehr günstige, hydrodynamische Lagerung, wobei – wie bereits ausgeführt – die außerhalb des ersten Strukturabschnitts angeordneten Vertiefungen, welche jeweils von dem Ringkanal abzweigen, zu einer Rückölförderung entgegen der Kurbelwellendrehrichtung in den höchstbelasteten Bereich hinein führen und dort zu einem längeren Verbleib der Ölmenge beitragen.
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Es ist möglich, dass sich der Ringkanal entlang des gesamten Umfangs des ringförmigen Lagers oder zumindest entlang der gesamten Umfangslinie der zweiten Lagerschale erstreckt, das heißt insbesondere auch durch den ersten Strukturabschnitt hindurch. Alternativ ist es aber auch möglich, dass der Ringkanal in dem Bereich des ersten Strukturabschnitts nicht vorgesehen ist.
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Die Mehrzahl von Vertiefungen, die jeweils von dem Ringkanal abzweigen, sind besonders bevorzugt nicht im Bereich des ersten Strukturabschnitts vorgesehen, selbst wenn dort der Ringkanal verläuft.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Lagerschale in ihrer Polymerschicht eine zweite Vertiefungsstruktur aufweist, die ihrerseits eine Mehrzahl von Vertiefungen aufweist, welche jeweils von dem – in diesem Fall auch die erste Lagerschale durchsetzenden, in Umfangsrichtung verlaufenden Ringkanal abzweigen. Der Ringkanal ist auch in der ersten Lagerschale bevorzugt in axialer Richtung gesehen mittig an der Lagerschale angeordnet. Dabei verwirklichen sich die ölfördernden Eigenschaften der so ausgebildeten Drallkanalstruktur auch mit Bezug auf die erste Lagerschale.
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Es ist möglich, dass der Ringkanal – insbesondere in dem ersten Strukturabschnitt, wenn er in diesem verläuft – eine peristaltische Randstruktur aufweist, wobei sich in Umfangrichtung erstreckende, seitliche Wandungen des Ringkanals insbesondere wellenförmig ausgebildete sind.
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In der ersten Lagerschale ist vorzugsweise eine Ölzuführbohrung ausgebildet, die bevorzugt strömungstechnisch mit dem Ringkanal in Fluidverbindung ist. Über die Ölzuführbohrung kann dem Inneren der Lageranordnung Schmiermittel zugeführt und insbesondere von dort aus in den Ringkanal geleitet werden. Vorzugsweise ist die Ölzuführbohrung an der oberen Lagerschale mittig, das heißt insbesondere bei einem Winkel von 270° entlang des Umfangs des ringförmigen Lagers gesehen, angeordnet. Dies gilt vor allem für die obere Lagerschale eines Hauptlagers, während ein Pleuellager besonders bevorzugt über wenigstens eine in der Kurbelwelle vorgesehene Ölzuführbohrung mit Schmiermittel versorgt wird, so dass in diesem Fall die erste Lagerschale frei von einer Ölzuführbohrung sein kann.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vertiefungen des zweiten Strukturabschnitts, des dritten Strukturabschnitts und/oder der zweiten Vertiefungsstruktur sichelförmig, rautenförmig und/oder krähenfußförmig, das heißt insbesondere – vorzugsweise unter Berücksichtigung des Ringkanals – Y-förmig, ausgebildet sind. Es ist auch möglich, dass die Vertiefungen einzeln viertelkreisförmig ausgebildet sind, wobei einander gegenüberliegend beidseitig des Ringkanals angeordnete Vertiefungen gemeinsam eine Halbkreisform ausbilden können. Die hier spezifisch genannten Formen stellen in besonders günstiger Weise eine Drallkanalstruktur bereit, die zu einer effizienten Rückölförderung in den höchstbelasteten Bereich beitragen können. Auch eine Fischgrätenstruktur ist für die Vertiefungen des zweiten Strukturabschnitts, des dritten Strukturabschnitts und/oder der zweiten Vertiefungsstruktur möglich.
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Es zeigt sich, dass die Biegebewegung der Kurbelwelle im Betrieb der Brennkraftmaschine durch die verschiedenen Zündzeitpunkte der verschiedenen Brennräume in der Brennkraftmaschine dynamisch überlagert ist. Dies führt zu einem zusätzlichen dynamischen Pumpeffekt, der auch dynamischer Kapillarsog genannt wird. Die Drallkanalstruktur – insbesondere auch in der ersten Lagerschale – bewirkt dabei verlängerte Drucköl-Fließwege. In der zweiten Lagerschale ist die Polymerschicht bevorzugt in dem ersten Strukturabschnitt partiell punktförmig vertieft, was sich günstig mit Blick auf den dynamischen Kapillarsog über die dynamische Querbiegung der Kurbelwelle unter dem jeweilig anstehenden Zünddruck auswirkt.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Gleitschicht von wenigstens einer der Lagerschalen eine dritte Vertiefungsstruktur aufweist. Bei wenigstens einer der Lagerschalen ist also nicht nur die Polymerschicht, sondern auch die darunter angeordnete Gleitschicht mit einer Vertiefungsstruktur versehen. Diese dritte Vertiefungsstruktur kann bei der Galvanisierung oder einer Plattierung des Stahlgrundkörpers unter Bildung der Gleitschicht mit eingebracht werden, wobei sie insbesondere bei der Ausführung der Plattierung mit hineingerollt oder konturgewalzt werden kann.
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Insbesondere weist/weisen die zweite Lagerschale und/oder die erste Lagerschale den Stahlgrundkörper auf, der eine Stahlblechausführung aufweist. Darüber befindet sich eine plattierte oder galvanisch aufgebrachte Gleitschicht. Die vertieften Netz- und Oberflächenkonturen oder -strukturen werden beim galvanischen Beschichten vorteilhaft gleich mit eingebracht. Bei der plattierten Ausführung wird in einem zusätzlichen Umformschritt das Oberflächenprofil hineingerollt oder konturgewalzt. Möglich sind auch Oberflächenvertiefungen, die mit einer zusätzlichen mechanischen Bearbeitung jedoch aufwändig herstellbar sind. Die dritte Vertiefungsstruktur dient ebenfalls bevorzugt der Schmierölführung und Druckölpolsterung. Durch eine vernetzte Oberflächenstruktur kann in der axialen Mittenlage der Lagerschalen ein bis zu 360° reichender Ölversorgungskanal angelegt werden, der nachhaltig die höher belasteten Bereiche zwischen 30° und 150° besser mit unter Druck stehendem Schmiermittel versorgt.
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Der Stahlgrundkörper weist vorzugsweise eine – in radialer Richtung gemessene – Stärke von ungefähr 1,5 mm auf. Die Dicke der Gleitschicht beträgt bevorzugt ungefähr 0,3 mm. Die Dicke der Polymerschicht beträgt bevorzugt ungefähr 0,01 mm.
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Während die Strukturierung der Polymerschicht bevorzugt eine Tiefe von bis zu ungefähr 10 μm aufweist, weist die dritte Vertiefungsstruktur in der Gleitschicht bevorzugt eine Tiefe von bis zu 0,2 mm, vorzugsweise von 0,1 mm bis 0,15 mm, auf.
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Im Übrigen kann die dritte Vertiefungsstruktur in der Gleitschicht in analoger Weise zu der ersten und/oder zweiten Vertiefungsstruktur der Polymerschicht der zweiten Lagerschale und/oder der ersten Lagerschale ausgebildet sein. Insbesondere ist es möglich, dass die dritte Vertiefungsstruktur ebenfalls einen Ringkanal mit vorzugsweise beidseitig abzweigenden Vertiefungen, aufweist. Es ist möglich, dass die dritte Vertiefungsstruktur keinen zu dem ersten Strukturabschnitt analogen Strukturabschnitt aufweist, sondern vielmehr vollständig – insbesondere entlang eines gesamten Umfangs des ringförmigen Lagers – durch den Ringkanal mit den vorzugsweise beidseitig abzweigenden Vertiefungen gebildet ist.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Polymerschicht mittels Siebdruck auf der Gleitschicht erzeugt ist. Dies stellt eine ebenso einfache wie günstige Weise dar, die Polymerschicht auf die Gleitschicht aufzubringen.
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Alternativ ist bevorzugt vorgesehen, dass die Polymerschicht durch eine Folienbeschichtung auf der Gleitschicht erzeugt ist. Diese Art der Aufbringung der Polymerschicht ist ganz besonders kostengünstig, weil im Endlosverfahren mehrere Kilometer Folienband erzeugt werden können, wobei dann die einzelnen Lagerschalen mittels Folienabschnitten gummiert und/oder beschichtet werden können. Das Beschichtungsverfahren gestaltet sich daher auch besonders einfach. Die für die Folienbeschichtung vorgesehene Folie, vorzugsweise eine Polymerfolie, kann vor ihrer Aufbringung beschichtet und/oder gummiert werden. Sie ist vorzugsweise in einer Trennebene mit einer Klebeschicht, die auch als Aktivatorschicht ausgebildet sein kann, versehen, wobei die Aktivatorschicht bevorzugt bei einem Wärmeeintrag auf der Gleitschicht aushärtet. Es ist möglich, dass die für die Folienbeschichtung vorgesehene Folie selbst bereits aus einem Polymer besteht, insbesondere aus einem Flouropolymer, das eine höhere Hitzebeständigkeit aufweist. Es ist aber auch möglich, dass ein derartiges Polymer auf die Folie aufgebracht wird/ist.
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Die Folie trägt insbesondere die partielle Konturierung der Polymerschicht, das heißt die erste oder zweite Vertiefungsstruktur.
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Betrachtet man einen Querschnitt durch die Folie, kann diese – von einer Seite aus gesehen, welche auf die Gleitschicht aufgebracht wird in dieser Reihenfolge – eine Trägerschutzfolie aufweisen, die insbesondere zum Aufbringen der Folie auf die Gleitschicht entfernt werden kann, wobei sodann eine Aktivatorschicht mit einer Dicke von 0,2 μm bis 0,4 μm folgt, die vorzugsweise bei thermischer Aktivierung auf der Gleitschicht aushärtet. Darauf folgt vorzugsweise eine Polymernetzstruktur mit einer Dicke von ungefähr 10 μm. Diese umfasst insbesondere die Vertiefungsstruktur. Darauf kann eine vorzugsweise 0,1 μm dicke Antihaftschicht folgen. Darüber kann wiederum eine Trägerschutzfolie angeordnet sein, die vor einer Verwendung der Lageranordnung abgezogen wird.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass auf der Gleitschicht – insbesondere im Bereich der Ölzuführbohrung – ein Mehrkammersystem aus einem elastomeren Material – vorzugsweise mittels Tintenstrahldruck – aufgebracht ist. Im Tintenstrahldruck können insbesondere dreidimensionale Konturen im Bereich von Beschichtungshöhen von 4 μm bis 8 μm erzeugt werden, die mehrschichtig und mehrkammerartig insbesondere zur Sicherstellung der Durchdringung und Grundölversorgung sowie am Außenrand der Lagerschalen auf die Gleitschicht als Öldruck-Pufferspeicher wirken können. Das vorzugsweise lippenförmige, elastomere Mehrkammersystem stützt den Öldruck im Schmierspalt und wirkt einem pulsierenden oder abnehmenden Öldruck entgegen, wenn die Brennkraftmaschine stoppt.
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Gewöhnliche, geregelte Öldruckpumpen in Flügelzellenanordnung haben einen verzögerten Öldruckaufbau. Mit den neuen, integrierten Starter-Generatoren kommt es zu einem zehnfach erhöhten Beschleunigungsverlauf, da der Elektromotor steile Drehmomentkurven aufweist und die Brennkraftmaschine hochreißt. Mit dem elastomeren Mehrkammersystem kann ein Restöldruck zwischen den Membranlippen erhalten bleiben, welche sich dem zu langsamen Öldruckaufbau der Ölpumpe beim Start-Hochreißen durch den integrierten Startergenerator mit gewaltiger Drehwinkelbeschleunigung entgegenstellt. Der Schmierspaltdruck bleibt somit im Schmierspalt temporär erhalten.
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Die Kammern des Mehrkammersystems können insbesondere radial um die Ölzuführbohrung herum angeordnet sein, wobei insbesondere zwischen den Kammern Membranlippen zur Abgrenzung der einzelnen Kammern angeordnet sein können. Es kann so quasi um die Ölzuführbohrung in der ersten Lagerschale herum eine insbesondere kreisringförmige, ovale oder elliptische, konzentrische Kammeranordnung verschiedener Kammern gebildet werden, die durch Membranlippen voneinander getrennt sind.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Lageranordnung eine Kurbelwelle aufweist, die an einer mit dem ringförmigen Lager zusammenwirkenden Lagerfläche mit einer Mikrostruktur versehen ist. Die Ölversorgung kann dabei weiter verbessert werden, indem auch der andere Reibungspartner, nämlich die Kurbelwelle, mit einer solchen Mikrostruktur versehen wird.
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Die Mikrostruktur an der Lagerfläche der Kurbelwelle ist vorzugsweise kreuzförmig oder bogenförmig ausgebildet. Dies dient – wie bereits in Zusammenhang mit den von dem Ringkanal abzweigenden Vertiefungen erläutert – insbesondere der Erzeugung eines Dralls zur Ölförderung.
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Die Mikrostruktur wird an der Kurbelwelle vorzugsweise analog zur Erzeugung eines Kreuzhubes beim Fertighonen erzeugt, wodurch das Ölrückhaltevolumen erhöht wird, woraus sich ein nur geringer Mischreibungsanteil ergibt. An der Drallstruktur ist dabei vorteilhaft, dass die Vorzugsdrehrichtung der Kurbelwelle immer gleich ist, wobei von einer Rückförderungswirkung des Dralls auszugehen ist. Hierzu kann insbesondere ein Schrägeinstich auf der Lagerfläche der Kurbelwelle vorgesehen sein. Mit einer Pendelhubdrehbewegung, welche ein Rundfinishband voraussetzt, kann eine einseitige oder eine Wechseldrallstruktur auf der Kurbelwelle erzeugt werden. Das Rundfinishband wird bevorzugt im Wechselstichverfahren, analog der Kreuznadelung in einer Nähmaschine, pendelförmig mit verschiedenen Wechselgeschwindigkeiten über die gehärteten Lagerstellen der Kurbelwelle bewegt. Hierbei wird die Kurbelwelle zusätzlich in ihrer Längsachse kaskadenförmig im niederfrequenten Bereich bewegt, um geringe Rundheitstoleranzen zu erzeugen. Ein großes Ölrückhaltevolumen kann insbesondere einem Schmierölmangel vorbeugen oder diesen beseitigen.
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Insbesondere kann nach dem Superfinishen der Lagerfläche der Kurbelwelle eine Kreuzstruktur erzeugt werden, die insbesondere einem hohen Ölrückhaltevolumen dient. Ebenfalls kann nach dem Superfinishen eine bogenförmige Drallstruktur erzeugt werden, die insbesondere einer Ölförderung dient.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Lageranordnung zur Lagerung einer Kurbelwelle;
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2 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausgestaltung der Lageranordnung gemäß 1;
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3 eine Detailansicht des Ausführungsbeispiels der Lageranordnung gemäß 1 oder 2;
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4 alternative Ausgestaltungen einer Kurbelwelle zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Lageranordnung, und
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5 eine Detailansicht einer weiteren alternativen Ausgestaltung der Lageranordnung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Lageranordnung 1 zur Lagerung einer Kurbelwelle in verschiedenen Ansichten. Dabei ist in 1a) dargestellt, dass die Lageranordnung 1 eine erste, hier obere Lagerschale 3 sowie eine zweite, hier untere Lagerschale 5 aufweist, wobei die obere Lagerschale 3 und die untere Lagerschale 5 gemeinsam ein ringförmiges Lager 7 bilden, das hier als Hauptlager für die Kurbelwelle ausgebildet ist. Dabei ist das ringförmige Lager 7 als Detail in 1b) näher dargestellt, wobei in Zusammenhang mit dieser Darstellung auch eine im Folgenden verwendete Winkelskala zur Beschreibung des Lagers 7 – beispielsweise in Zylinderkoordinaten – verwendet wird. Dabei erstreckt sich eine innere Umfangsfläche und damit Lagerfläche 9 des Lagers 7 entlang eines gesamten Umfangs desselben, nämlich von 0° bis 360°, wobei sich die untere Lagerschale 5 hier auf dieser Winkelskala von 0° bis 180° erstreckt, wobei sich die obere Lagerschale 3 von 180° bis 360° erstreckt.
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Alternativ kann das ringförmige Lager 7 auch als Pleuellager zur Lagerung eines Pleuels an der Kurbelwelle ausgebildet sein. In diesem Fall sind die erste und die zweite Lagerschale 3, 5 bevorzugt in Hinblick auf ihre Anordnung als obere und untere Lagerschale getauscht.
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Mit Bezug auf 1a) weist jede der Lagerschalen 3, 5 einen Stahlgrundkörper 11 sowie eine auf dem Stahlgrundkörper 11 angeordnete Gleitschicht 13 und eine auf der Gleitschicht angeordnete Polymerschicht 15 auf. Die einzelnen Schichten sind dabei – in radialer Richtung gesehen – in der angegebenen Reihenfolge übereinander angeordnet, wobei die Polymerschicht 15 einem Reibungspartner des ringförmigen Lagers 7, insbesondere der Oberfläche einer Kurbelwelle, zugewandt ist.
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In 1a) ist außerdem dargestellt, dass die obere Lagerschale 3 bevorzugt eine Ölzuführbohrung 17 aufweist, durch welche dem ringförmigen Lager 7 ein Schmiermittel zuführbar ist. Dieses wird im Betrieb der Lageranordnung 1 vorzugsweise ausgehend von der Ölzuführbohrung 17 entlang der Lagerfläche 9 verteilt. Dient die Lageranordnung 1 der Lagerung eines Pleuels an der Kurbelwelle, wird das ringförmige Lager 7 bevorzugt über die Kurbelwelle mit Schmiermittel versorgt. In diesem Fall kann die Ölzuführbohrung 17 entfallen.
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In 1a) ist außerdem noch dargestellt, dass die obere Lagerschale 3 und die untere Lagerschale 5 bevorzugt mechanisch miteinander verbunden werden, insbesondere mittels hierfür geeigneter Verbindungsmittel 19, besonders bevorzugt durch Verschrauben.
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In 1b) ist wiederum angedeutet, dass sich ein hauptsächlich belasteter Bereich des Lagers 7 insbesondere von 30° bis 150° auf der dort dargestellten Winkelskala erstreckt, insbesondere weil die während eines Arbeitstakts einer Brennkraftmaschine, bei welcher die Lageranordnung 1 verwendet wird, auftretenden Kräfte im Wesentlichen vertikal nach unten wirken.
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In 1b) ist außerdem schematisch durch einen Pfeil P eine Umdrehungsrichtung einer in dem Lager 7 bestimmungsgemäß anzuordnenden Kurbelwelle dargestellt. Dabei wird die Lageranordnung 1 bevorzugt bei Brennkraftmaschinen eingesetzt, bei welchen die Kurbelwelle stets im gleichen Drehsinn rotiert, was die Ausgestaltung einer definierten Drallkanalstruktur an dem Lager 7 zum Zwecke einer Ölrückförderung oder eines verbesserten Rückhalts für das Schmiermittel in das/in dem Lager 7 ermöglicht. Dabei kann insbesondere ausgeschlossen werden, dass die Struktur bei einer Umkehrung der Drehrichtung der Kurbelwelle Schmiermittel aus dem Lager 7 herausfordert.
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Die Lageranordnung 1 wird besonders bevorzugt eingesetzt bei Brennkraftmaschinen, die in Kraftfahrzeugen, insbesondere Personenkraftwagen, Lastkraftwagen oder Nutzfahrzeugen, zu deren Antrieb eingesetzt werden. Insbesondere bei solchen Brennkraftmaschinen wird typischerweise eine festgelegte Drehrichtung für die Kurbelwelle definiert, die während einer Lebensdauer der Brennkraftmaschine nicht mehr geändert wird.
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1c) zeigt eine quasi in die Bildebene abgerollte Draufsicht auf die Polymerschicht 15 der unteren Lagerschale 5. Dabei wird deutlich, dass in dieser Polymerschicht 15 eine erste Vertiefungsstruktur 21 ausgebildet ist, die einen – in Umfangsrichtung gesehen mittigen – ersten Strukturabschnitt 23 aufweist, der sich hier insbesondere in dem mechanisch höchst belasteten Bereich von 30° bis 150° erstreckt, wobei der erste Strukturabschnitt 23 eine porenförmige Struktur 25 aufweist. Die erste Vertiefungsstruktur 21 weist außerdem einen zweiten Strukturabschnitt 27 an einem ersten Umfangsende, hier nämlich zwischen 0° und 30°, sowie einen dritten Strukturabschnitt 29 an einem zweiten Umfangsende, hier nämlich zwischen 150° und 180°, auf. Dabei weisen der zweite Strukturabschnitt 27 und der dritte Strukturabschnitt 29 jeweils eine Mehrzahl von Vertiefungen 31 auf, die jeweils von einem in Umfangsrichtung verlaufenden Ringkanal 33 abzweigen. Der Ringkanal 33 ist insbesondere in axialer Richtung, das heißt senkrecht zur Umfangrichtung gesehen, mittig angeordnet. Er durchsetzt hier die Polymerschicht 15 der unteren Lagerschale 5 entlang von deren gesamter Umfangslinie, das heißt, dass er auch in dem ersten Strukturabschnitt 23 ausgebildet ist, wobei dort allerdings die Vertiefungen 31 nicht vorhanden sind. Vielmehr weist dort der Ringkanal 33 peristaltisch ausgestaltete Seitenwandungen 35 auf, die in Form von Wellenlinien verlaufen.
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Über den Ringkanal 33, der sich – wie noch erläutert wird – bevorzugt bis zu der Ölzuführbohrung 17 erstreckt, kann die gesamte Lagerfläche 9 mit Schmiermittel versorgt werden. Die porenförmige Struktur 25 in dem ersten Strukturabschnitt 23 stellt ein insbesondere für den höchstbelasteten Bereich zwischen 30° und 150° des Lagers 7 geeignetes, hydrodynamisches Lager bereit, indem sie insbesondere eine Ölrückhaltestruktur bildet. Die Vertiefungen 31 bilden eine Drallkanalstruktur, welche einer effizienten Rückölförderung in das Lager 7 und insbesondere in den höchstbelasteten Bereich zwischen 30° und 150° dient, sodass das Schmiermittel sehr effizient dort gehalten und gegebenenfalls auch dorthin zurückgefördert werden kann. Hierfür ist die Geometrie der Vertiefungen 31 bevorzugt abgestimmt auf die in 1b) angedeutete Umdrehungsrichtung der Kurbelwelle.
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In 1d) ist eine quasi in die Zeichnungsebene abgerollte Draufsicht auf die Polymerschicht 15 der oberen Lagerschale 3 dargestellt. Dabei zeigt sich, dass diese Polymerschicht 15 eine zweite Vertiefungsstruktur 37 aufweist, die wiederum ihrerseits eine Mehrzahl von Vertiefungen 31 aufweist, die von dem auch in der oberen Lagerschale 3 vorgesehenen, in Umfangsrichtung verlaufenden Ringkanal 33 abzweigen. Dabei sind hier die Vertiefungen 31 sowie insgesamt die zweite Vertiefungsstruktur 37 analog ausgebildet zu der Ausgestaltung des zweiten Strukturabschnitts 27 und des dritten Strukturabschnitts 29 in der unteren Lagerschale 5.
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In 1d) ist auch die Mündung der Ölzuführbohrung 17 in die Lagerfläche 9 zu erkennen. Dabei ist hier noch ein Verteilungskanal 39 vorgesehen, der quasi dem Ringkanal 33 überlagert ist und dazu dient, dass Schmiermittel effizient in Umfangsrichtung gesehen von der Mündung der Ölzuführbohrung weg und in den Ringkanal 33 zu leiten. Die Vertiefungen 31 sind dabei auch auf Höhe des Verteilungskanals 39 vorgesehen.
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Anhand der Darstellungen in den 1c) und 1d) zeigt sich, dass die Vertiefungen 31 bevorzugt sichelförmig ausgestaltet sind, wobei hier insbesondere zwei sich jeweils entlang des Ringkanals 33 gegenüberliegende Vertiefungen 31 gemeinsam einen Halbkreisbogen ausbilden. Alternativ ist es auch möglich, dass die Vertiefungen 31 rautenförmig ausgebildet sind.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer alternativen Ausgestaltung der Lageranordnung 1. Bei dieser Ausgestaltung sind die Vertiefungen 31 bevorzugt krähenfußförmig oder Y-förmig ausgebildet. Sie sind dabei vorzugsweise auch durch den Ringkanal 33 miteinander verbunden. Es ist aber auch möglich, dass der Ringkanal 33 bei dieser Ausgestaltung unterbrochen ausgebildet und nur durch die in 2 horizontal orientierten Basisabschnitte der Y-förmigen Vertiefungen 31 gebildet wird.
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Bevorzugt weist die Gleitschicht 13 bei wenigstens einer der Lagerschalen 3, 5, vorzugsweise bei beiden Lagerschalen 3, 5, eine dritte Vertiefungsstruktur auf, die vorzugsweise so ausgestaltet ist, wie dies für die erste Vertiefungsstruktur 21 oder die zweite Vertiefungsstruktur 37, besonders bevorzugt wie dies für die zweite Vertiefungsstruktur 37 erläutert wurde.
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Die Polymerschicht 15 ist bevorzugt mittels Siebdruck oder durch Folienbeschichtung auf die Gleitschicht 13 aufgebracht.
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In 3 ist dargestellt, dass vorzugsweise zumindest auf der Gleitschicht 13 der oberen Lagerschale 3 – insbesondere im Bereich der Ölzuführbohrung 17 – ein Mehrkammersystem 41 aus einem elastischen Material, insbesondere aus einem Elastomer, angeordnet ist. Das Mehrkammersystem 41 ist besonders bevorzugt mittels Tintenstrahldruck auf die Gleitschicht 13 aufgebracht. Das Mehrkammersystem 41 bildet hier verschiedene Kammern 41.1, 41.2, 41.3, 41.4, 41.5, welche quasi konzentrisch um die Ölzuführbohrung 17 angeordnet sind, wobei die einzelnen Kammern 41.1, 41.2, 41.3, 41.4, 41.5 durch Membranlippen 43 voneinander getrennt sind. Das Mehrkammersystem 41 wirkt insbesondere als Öldruck-Pufferspeicher, wobei der Öldruck in dem Schmierspalt durch die elastomeren Membranlippen 43 gestützt wird.
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In 4 sind schematisch zwei alternative Ausgestaltungen einer Lagerfläche 45 einer Kurbelwelle 47 dargestellt, wobei die Lagerfläche 45 der Kurbelwelle 47 bestimmungsgemäß mit dem ringförmigen Lager 7, insbesondere mit dessen Lagerfläche 9 zusammenwirkt. Dabei ist die Lagerfläche 45 der Kurbelwelle 47 mit einer Mikrostruktur 49 versehen, die gemäß der Ausgestaltung, welche in 4a) dargestellt ist, bevorzugt kreuzförmig ausgebildet ist, wobei die Mikrostruktur 49 gemäß der bei 4b) dargestellten Ausgestaltung bevorzugt bogenförmig ausgebildet ist. Die Mikrostruktur 49 dient ebenfalls einem effizienten Ölrückhalt sowie vorzugsweise einer Ölrückförderung im Bereich des ringförmigen Lagers 7.
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5 zeigt schematisch eine weitere alternative Ausgestaltung der Lageranordnung 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern jeweils auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. In diesem Fall ist der Ringkanal 33 nicht durchgängig ausgebildet, sondern nur in den zweiten und dritten Strukturabschnitten 27, 29 vorgesehen. Die Vertiefungen 31 sind hier als erste Vertiefungen 31.1 und als zweite Vertiefungen 31.2 in den zweiten und dritten Strukturabschnitten 27, 29 spiegelbildlich zueinander ausgebildet.
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In dem ersten Strukturabschnitt 23 ist ein höchstbelasteter, elliptischer oder ovaler Belastungsbereich 51 gekennzeichnet, in dem sich im Betrieb der Lageranordnung 1 ein Druckberg ausbildet. Seitlich des Belastungsbereichs 51 sind zwei minderbelastete Bereiche 53 gekennzeichnet, die im Betrieb geringer belastet sind als der höchstbelastete Belastungsbereich 51.
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Die porenförmige Struktur 25 weist in den minderbelasteten Bereichen 53 Poren oder napfförmige Strukturelemente mit größerem Durchmesser auf als in dem Belastungsbereich 51. Insbesondere beträgt der Durchmesser der Poren oder napfförmigen Strukturelemente in dem Belastungsbereich 51 bevorzugt weniger als 0,1 mm, vorzugsweise weniger als 0,05 mm, vorzugsweise von mindestens 2 μm bis höchstens 5 μm, wobei der Durchmesser der Poren oder napfförmigen Strukturelemente in den minderbelasteten Bereichen 53 bevorzugt von mindestens 0,6 mm bis höchstens 1,2 mm beträgt.
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Insgesamt zeigt sich, dass mit der hier beschriebenen Lageranordnung 1 für die Kurbelwelle 47 eine möglichst gute Ölversorgung des durch die Kurbelwelle 47 und das ringförmige Lager 7 gebildeten Reibungspaares gewährleistet werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006050246 A1 [0003]
- DE 102008037871 A1 [0003]
