B e s c h r e i b u n g

Die Erfindung betrifft ein Lagerelement zur Lagerung einer Nockenwelle im Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine, wobei das Lagerelement einen Lagerring einfasst, in dem die Nockenwelle drehbar gelagert ist, wobei das Lagerelement aus einem ersten Werkstoff gefertigt ist, dessen Ausdehnungskoeffizient größer als der Ausdehnungskoeffizient des zweiten Werkstoffes ist, aus dem der Lagerring besteht. Die Erfindung betrifft zudem ein System aus Lagerelement, Lagerring und Nockenwelle.

STAND DER TECHNIK

In Gleitlagern gelagerte Nockenwellen sind seit langer Zeit bekannt und bedürfen keiner besonders hohen konstruktiven Aufwendungen. Seitdem jedoch zum Zwecke der Gewichtsreduzierung immer mehr Teile von Brennkraftmaschinen aus besonders leichten Werkstoffen wie Aluminium oder auch Kunststoff gefertigt werden, muss ein besonderes Augenmerk auf die Übergänge zwischen den aus unterschiedlichen Materialien hergestellten Bauteilen gerichtet werden. Im Falle der Nockenwellen werden beispielsweise die Lagerelemente aus leichten Werkstoffen gebaut, während die Nockenwellen selber nach wie vor aus Stahllegierungen sind.

Bekanntermaßen haben die leichten Werkstoffe größere Ausdehnungskoeffizienten (Aluminium: Längenausdehungskoeffizient α = 23,1 ^* 10 ⁶ K ^"1 ) als Stahllegierungen, deren Längenausdehnungskoeffizienten etwa halb so groß sind. Dabei gilt für den Raumausdehnungskoeffizient γ sogar γ = 3 ^* α. Wegen dieser unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten einer Nockenwelle aus Stahl, die in einer Lagerung aus Aluminium gelagert ist, verändert sich das Lagerspiel bei sich erwärmendem Motor dahingehend, dass der Lagerspalt größer wird. Der sich vergrößernde Lagerspalt führt bei sich erwärmendem Motor zu einem entsprechend erhöhten Öldurchsatz. Dabei ist dieser Effekt unabhängig von der konstruktiven Ausgestaltung der Lagerung, insbesondere ob diese als Lagerbockmodul oder als konventionelle Lagerung im Zylinderkopf oder einem Leiterrahmen ausgebildet ist. Dabei macht es keinen Unterschied, ob die Lagergasse geteilt oder geschlossen ist.

Aus der DE 10 2012 007 334 A1 ist ein aus Kunststoff gefertigtes Nockenwellenmodul als Lagerträger bekannt, das um separate aus Stahl gefertigte Lagerringe herum gegossen oder gespritzt ist. Die Lagerringe finden jedoch in dem Kunststoff keinen ausreichenden Halt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein einfach aufgebautes und kostengünstig zu fertigendes Lagerelement vorzuschlagen, das bei geringem Gewicht und ausreichender Stabilität ein möglichst konstantes Lagerspiel zur Nockenwelle über den gesamten Temperaturbereich einer Brennkraftmaschine aufweist und damit den Öldurchsatz reduziert. Zudem ist es die Aufgabe, ein entsprechendes System aus Lagerelement und Nockenwelle vorzuschlagen.

Diese Aufgaben werden durch das Lagerelement nach Anspruch 1 und das System nach Anspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den jeweiligen Unteransprüchen beschrieben.

Entsprechend dem Wortlaut der Ansprüche macht sich die Erfindung die Eigenschaften einer Materialpaarung mithin die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der Werkstoffe, aus denen das Lagerelement und der Lagerring gefertigt sind, zu Nutze, um mit den unterschiedlichen Ausdehnungen die gegenseitige Verspannung zu unterstützen. Als besonders bevorzugte Materialpaarung bietet es sich dabei an, den Lagerring und die Nockenwelle aus einem Stahl oder einem Grauguss, insbesondere aus GJL, zu fertigen, während das den Lagerring einfassende Lagerelement aus einem leichteren Werkstoff, wie beispielsweise Aluminium oder einer Magnesiumlegierung, gefertigt ist. Um eine gleichmäßige Ausdehnung zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn der zweite Werkstoff, aus dem der Lagerring gefertigt ist, einen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der dem des Werkstoffes, aus dem die aufzunehmende Nockenwelle gefertigt ist, identisch ist.

Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung liegt dabei in der besonderen Konturierung der zwischen dem Lagerelement und dem Lagerring ausgebildeten Übergangsflächen. Dabei wird als Konturierung die Paarung der Kontur am Lagerring und der Gegenkontur am Lagerelement verstanden. Diese Konturierung weist erfindungsgemäß beiderseits Haltestrukturen auf, die den Zusammenhalt zwischen Lagerring und Lagerelement bewirken. Diese Haltestrukturen sind erfindungsgemäß derart konzipiert, dass sie den Effekt der unterschiedlichen Ausdehnung bei Erwärmung nutzen, um den gegenseitigen Eingriff noch weiter zu verstärken, statt ihn zu entkräften. Damit führt eine Ausdehnung zu einer immer stärkeren Verspannung der Haltestrukturen. Mit der erfindungsgemäßen Konturierung werden gewissermaßen eine verbesserte Anhaftung des eingesetzten Lagerrings und eine gezielte Kraftübertragung zwischen Lagerring und Lagerelement erreicht.

Das erfindungsgemäße System umfasst somit ein aus dem ersten Werkstoff gefertigtes Lagerelement, in dem ein aus einem zweiten Werkstoff gefertigter Lagerring mit Formschluss gehalten ist. Die in dem Lagerring drehbar gelagerte Nockenwelle ist ein weiterer Teil des Systems, wobei diese aus einem dritten Werkstoff gefertigt ist. Erfindungsgemäß ist der Ausdehnungskoeffizient des ersten Werkstoffes des Lagerelementes größer als die Ausdehnungskoeffizienten des zweiten Werkstoffes und des dritten Werkstoffes.

Erfindungsgemäß ist die Außenfläche des Lagerrings mit einer Kontur versehen, die mit einer auf der den Lagerring einfassenden Innenfläche des Lagerelementes ausgebildeten Gegenkontur in Formschluss ist, wobei die von Kontur und Gegenkontur gebildete Konturierung Haltestrukturen ausbildet, die sich bei Wärmeausdehnung gegeneinander verspannen. Dabei sind die Ausdehnungskoeffizienten des zweiten und des dritten Werkstoffes zumindest nahezu identisch.

Der Effekt des optimierten Halts und der günstigen Kraftübertragung kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Haltestrukturen Hinterschneidungen ausbilden, durch die unterschiedliche Materialausdehnungen gewissermaßen kompensiert werden. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die dadurch gebildete Konturierung aus der Außenfläche des Lagerrings als Struktur von Ausnehmungen ausgenommen ist und den Lagerring rotationssymmetrisch umgibt. Die am Lagerelement ausgebildete Gegenkontur greift dann entsprechend in die Ausnehmungen ein.

Alternativ oder kumulativ kann die Haltestruktur auch eine oder mehrere Verankerungen ausbilden, die in das jeweils andere Material hinein reichen. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn die Konturierung von der Außenfläche des Lagerrings sich nach Außen erstreckt, wobei sie sich damit über die Außenfläche erhebt und zumindest eine in das Lagerelement einreifende Verankerung ausbildet. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, Haltestrukturen aus sich in sowohl in axialer Richtung als auch in Umfangsrichtung ausbreitenden Verzahnungen vorzusehen, wobei die Oberflächen vorteilhafterweise durch einen mechanischen oder chemischen Prozess, beispielsweise durch Alfinieren, aufgerauht und damit vergrößert sein kann.

Allen diesen Ausführungsformen ist jedoch gemeinsam, dass die Außenfläche des Lagerrings mit einer Kontur versehen ist, die mit einer auf der den Lagerring einfassenden Innenfläche des Lagerelementes ausgebildeten Gegenkontur in Formschluss ist. Erfindungsgemäß ist die von Kontur und Gegenkontur gebildete Konturierung so beschaffen, dass sie die Haltestrukturen ausbildet, die sich bei Wärmeausdehnung gegeneinander verspannen.

Über diese Verspannung wird neben dem sich verbessernden Halt des Lagerringes in dem Lagerelement auch erreicht, dass sich der Lagerring bei Erwärmung nicht stärker weitet, als sich die darin gelagerte Nockenwelle ausdehnt. Mit dem gezielten Einsatz der unterschiedlichen Wärmeausdehnung des hybriden Werkstoffsystems der Lagerung, die den Gegenpart zur Nockenwelle bildet, wird somit auch ein konstantes Lagerspiel zwischen Nockenwelle und Lagerring und mithin ein konstant geringer Verbrauch an Schmieröl erreicht. Mit dem hybriden Werkstoffsystem lässt sich darüber hinaus ein einfaches Lagerelement von geringem Gewicht und dennoch ausreichender Stabilität kostengünstig realisieren.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die Nockenwellenlagerung insgesamt modular aufgebaut. Dazu ist es vorteilhaft, wenn der erfindungsgemäß konturierte Lagerring in einem als Lagerbock ausgebildeten Modul gehalten ist. Im Idealfall ist der Lagerring in den insbesondere aus Aluminium oder einer Magnesiumlegierung gefertigten Lagerbock durch Eingießen integriert.

Da ein Nockenwellenmodul meist zwei parallel verlaufende Nockenwellen aufweist, ist es weiterhin besonders vorteilhaft, wenn zwei Lagerringe zu einer gemeinsamen als Brückenelement ausgebildeten Verankerung in Form einer„Lagerbrille" verbunden sind. Die solchermaßen geformte Lagerbrille ist in einer vorteilhaften Ausführungsform in das Lagerelement eingegossen. Die erfindungsgemäße hybride Bauweise wird somit auf Doppellagerböcke angewendet. Der besondere Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass das Zahnflankenspiel temperaturunabhängig konstant bleibt, da der Werkstoff der Lagerbrille denselben Ausdehungskoeffizienten wie die auf den Nockenwellen aufsitzenden Zahnräder hat. Dadurch wird die Geräuschemission reduziert.

BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSBEISPIELE DER ERFINDUNG

Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Moduls wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert, hierin zeigt:

Figur 1 einen Lagerring mit Hinterschneidungen in einen Lagerbock eingespritzt, Figur 2 die Kraftübertragung vom Lagerbock auf den Lagerring, Figur 3 einen Lagerbock mit konturiertem Lagerring,

Figur 4 einen Lagerbock mit eingespritztem Lagerring aufweisend seitliche Ösen, Figur 5 einen Lagerbock mit eingespritztem Lagerring aufweisend eine Verankerung, Figur 6 einen in den Lagerbock eingespritzte Lagerbrille.

In Figur 1 a ist ein separater Lagerbock 1 gezeigt, der zusammen mit einem darin umspritzten oder umgossenen Lagerring 2 eine Lagerung für eine nicht gezeigte Nockenwelle im Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors bildet. Der Lagerbock 1 ist aus Aluminium gegossen und weist zwei Schraubenbohrungen 3 auf, mit denen er am Boden eines Nockenwellenmoduls befestigt wird. Ebenfalls zu erkennen ist ein Ölkanal 4 in Form einer Bohrung, der von Unten durch den Lagerbock 1 und den Lagerring 2 hindurch in das Gleitlager führt (s.a. Figur 1 b). Figur 1 b zeigt einen Schnitt durch den Lagerbock 1 aus Figur 1 a. Daraus ersichtlich ist die in den Außenmantel des Lagerringes 2 eingebrachte Kontur 5 mit zwei Hinterschneidungen 6, die von einer Erhebung mit M-artigem Profil gebildet werden. Das Material des Lagerbockes 1 greift hinter die Hinterschneidungen.

Figur 2a zeigt eine ähnliche Kombination aus Lagerbock 1 und eingegossenem Lagerring 2 in Schnittdarstellung. In diesem Fall ist die Konturierung eine Ausnehmung 6 mit Schwalbenschwanz-Profil, die aus dem Außenmantel des Lagerrings ausgenommen ist. Figur 2b zeigt das Schwalbenschwanz-Profil der Ausnehmung 6 im Detail. Zudem ist durch die Pfeile der Kraftfluss vom sich abkühlenden Lagerbock 1 auf den Lagerring 2 dargestellt. Ersichtlich geht dieser Kraftfluss in radialer Richtung nach Innen. Bei Erwärmung dehnt sich der aus Aluminium bestehende Lagerbock 1 stärker aus als der Lagerring 2 aus Stahl, so dass eine Spannung in axialer Richtung entsteht.

Die Figuren 3a und 3b zeigen eine Ausführungsvariante, bei der Haltestrukturen sich in axialer Richtung ausbreitende Ausnehmungen 7 und eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Nut 8 vorgesehen sind. Dabei sind die Oberflächen durch den Prozess des Alfinierens vergrößert, so dass sich eine bessere Anhaftung ergibt.

In Figur 4 ist eine Ausführungsform im aufgeschnittenen Zustand gezeigt, bei der die Haltestruktur des Lagerrings 2 mehrere Verankerungen ausbildet, die in das Material des Lagerbockes 1 hinein reichen und von diesem formschlüssig umgeben sind. Dabei dienen als Verankerungen zwei angeformte Ösen 9, die beidseitig in der Verschraubungsebene an den Lagerring 2 angeformt sind und die derart dimensioniert sind, dass die Bohrungen der Ösen 9 mit den seitlichen Schraubenbohrungen 3 fluchten. Wenn der Lagerbock vermittels in die Schraubenbohrungen 3 eingesteckter Schrauben auf dem Nockenwellenmodul verschraubt wird, durchgreifen die Schrauben auch die Ösen 9. Wie die Ausführungsform nach Figur 3 ist auch hier eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Nut 8 im Lagerring 2 vorgesehen, die zusätzliche Stabilität gibt. Ersichtlich hat auch diese Ausführungsform einen Ölkanal 4, der in den Lagerring 2 hinein führt.

Im Ausführungsbeispiel nach Figur 5 ist der Ölkanal 4 in die am Lagerring 2 angeformte und senkrecht nach unten ragende Verankerung 10 eingebracht. Dabei kann am oberen Ende des Lagerrings 2 eine weitere axial verlaufende Ausformung 1 1 vorgesehen, die vom Material des Lagerbockes hinterschnitten ist, wie in Fig. 5 dargestellt.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 6 werden zwei Lagerringe 2 über eine gemeinsame Verankerung in Form eines Brückenelementes 12 verbunden und bilden somit eine„Lagerbrille" 13 aus. Die solchermaßen geformte Lagerbrille ist wiederum in das Lagerelement 1 eingegossen. Bez u g s ze i c h e n l i s te Lagerbock

Lagerring

Schraubenbohrung

Ölkanal

Kontur

Hinterschneidungen

Ausnehmungen

Nut

Ösen

Verankerung

Ausformung

Brückenelement

Lagerbrille