Gleitlagers

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fertigung einer balligen Gleitfläche eines Gleitlagers , insbesondere für ein geschmiertes Metalllager .

Hintergrund der Erfindung

Die Gleitflächenbearbeitung von Lagerschalen erfolgt durch Ausbohren der Lagerschalen. Hierbei dreht sich eine

Bohrspindel und bewegt sich mit einem Vorschub in axialer Richtung der zu bearbeitenden Lagerschale . Das Ausbohren erfolgt beispielsweise mit einer Bohrspindel, in deren

Spindelkopf zwei um 180 ⁰ gegenüberliegende Schneidpatronen eingesetzt sind .

Durch die exakt geradlinig ausgeführte Vorschubbewegung der Bohrspindel entsteht eine ebenso exakt geradlinig bearbeitete Oberflächengeometrie der Gleitfläche an der Gleitlagerschale .

Eine solche Lagerschale 1' ist in Figur 1 gezeigt. Die profilfreie Gleitfläche ist mit 2' bezeichnet, und die beiden Teilflächen an den Randbereichen der Lagerschale 1' sind mit 3' bezeichnet. Ein Querschnitt durch die herkömmliche, profilfreie Lagerschale (entlang der in Figur 1 dargestellten Strichpunktlinie) ist in Figur 2 gezeigt. Die Gleitfläche 2' ist entlang der axialen Richtung der Lagerschale eben.

Speziell in Verbrennungsmotoren treten infolge sehr hoher Belastungen Festkörperkontakte zwischen Gleitlagerschale und der Welle auf . Die Kontaktbereiche befinden sich dabei zumeist in den äußeren Bereichen der Gleitlagerschale (in axialer Richtung der Gleitlagerschale gesehen) . Innerhalb der Kontaktzone entstehen zum Teil sehr hohe MiSchreibungsdrücke (Mischreibungsdruck = Ölgeschmierter Festkörperkontakt ) , welche einen außerordentlich hohen Verschleiß und

Materialermüdung im Bereich der Kontaktzone zur Folge haben können. Eine Ursache für Verschleiß der Gleitfläche am Lager und der dari gelagerten Welle liegt in einer minimalen

Durchbiegung oder Verkippung der Welle unter Belastung . Dabei treten Lasten in Form von hydrodynamischen und

Mischreibungsdrücken auf . Handel es sich bei dem Lager um ein hoch beanspruchtes Pleuel- oder Kauptlager in

Verbrennungsmotoren, wirken sich diese Belastungen de Welle auf das Lager letztendlich nachteilig auf die Lebensdauer des Motors aus . Besonders problematisch kann hierbei der

Mi Schreibungsanteil sein, falls dieser bestimmte Werkstoff spezifische Grenzwerte überschreitet . Bei der Mischreibung kommt es dabei zu direktem Kontakt der Tribopartner , d.h. der Lagermetalloberfläche bzw. der Gleitfläche und dem

Lagerzapfen bzw. der Welle. Als Folge der zu großen

MiSchreibungsdrücke treten örtlich hohe thermische Lasten auf , welche zu Lagermetallbrüchen, hohem Verschleiß oder zum Fressen des Gleitlagers und schließlich zum Totalausfall des Motors führen können .

Die Mischreibungsgebiete befinden sich in der Regel im

Randbereich der Gleitfläche , d.h. ab Innenfase bis wenige Millimeter in Richtung Lagermitte . In Umfangsrichtung können sich die Mischreibungsgebiete über den kompletten Umfang oder auch nur über Teilbereiche des Umfangs erstrecken . Zumeist befinden sich die Mischreibungsgebiete im Scheitelbereich, sofern es sich um eine gerade geteilte Lageranordnung

handelt . Ursache für ausgeprägte MiSchreibungskontakte können die oben erwähnte Schiefstellung oder örtliche Durchbiegung der Lagerzapfen sein . Auch eine nicht optimale Verteilung der Steif igkeit des Gleitlagergehäuses kann hierzu beitragen . Eine mögliche Lösung zur Reduzierung und Entlastung der genannten ischreibungsgebiete ist die Fertigung einer balligen Form der Gleitfläche in Breitenrichtung, wie es in der Figur 3 gezeigt ist. Dabei ist die Wanddicke in

Breitenrichtung der Lagerschale nicht konstant . Die ballige Oberfläche kann sich dabei nur auf die Randbereiche 21' oder über die gesamte Breite der Gleitlagerschale erstrecken.

Durch die Verringerung der Wanddicke an den Randbereichen 21 ^x wird der Festkörperkontakt zwischen Lager und Welle

verringert oder gar verhindert, wenn die Welle sich unter Belastung biegt oder schiefstellt . Eine vergleichbare Lösung ist in der DE 102 08 118 AI beschrieben.

Zur Herstellung einer balligen Gleitfläche kann eine

sogenannte Piezo-Bohrspindel verwendet werden . Hierbei wird die radiale Lage der Drehmeißel während des Bohrvorgangs kontrolliert variiert . Beim Bohren der Gleitfläche in den Randbereichen ist hierbei die Drehmeißellänge , d.h. der

Durchmesser des Schneidkreises größer als in den übrigen Bereichen, wodurch die gewünschte ballige Gleitfläche erzeugt wird . Ein dafür geeignetes Werkzeug ist in der

DE 10 2010 031 606 AI beschrieben.

Eine weitere Methode zur Herstellung einer balligen

Gleitfläche ist die Nutzung von beschichteten Bohrgesenken . Hierbei werden die Bohrgeserike in bestimmten Bereichen wenige μνη beschichtet . Die zu bohrenden Gleitlager werden dann so in den Bohrgesenken elastisch verspannt , dass die

Gleitlageroberfläche eine konkave Form einnimmt , sodass in den Randbereichen beim Bohren mehr Material entfernt wird als in der Mitte des Lagers . Die gebohrten und entspannten Lager verfügen dann über die gewünschte , ballige

Lagermetalloberfläche .

Kurze Beschreibung der Erfindung Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues Konzept zur Fertigung einer balligen Gleitfläche eines

Gleitlagers , das vorzugsweise geschmiert ist , anzugeben .

Die Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst . Vorteilhafte Ausgestaltungen folgen aus den ünteransprüchen, der allgemeinen Beschreibung der Erfindung sowie der

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen .

Ausgangspunkt ist eine im Querschnit halbkreisförmige

Lagerschale , deren Gleitfläche in der axialen Richtung der Lagerschale eben ist . Hierbei ist es nicht notwendig, dass die Lagerschale einen exakten Halbkreis beschreibt . Vielmehr kommt es darauf an, dass die Lagerschale in Umfangsrichtung offen ist und Lagerschalenenden mit sich j eweils dort

befindlichen Teilflächen aufweist . Zunächst wird die

Lagerschale gespreizt , sodass sich die Lagerschalenenden auseinander bewegen . Durch eine solche Verformung der

Lagerschale in Breitenrichtung tritt eine antiklastische Biegung auf , d.h. es entsteht eine konkave Form der

Gleitfläche entlang der axialen Richtung . Dadurch treten die Randbereiche der Gleitfläche in axialer Richtung nach innen hervor. Im Scheitel der Lagerschale ist die Amplitude der antiklastischen Biegung am größten und nimmt in beiden

Umfangsrichtungen ab . Es kann sein, dass bei etwa 60 bis 70 Grad beidseitig aus dem Scheitel heraus nahezu keine

Verformung mehr erkennbar ist, d.h. dort ist die Gleitfläche in axialer Richtung im Wesentlichen eben . Nach dem

Spreizschritt wird in einem weiteren Verfahrensschritt zumindest ein Teil der aufgrund der konkaven Wölbung radial nach innen vorstehenden Randbereiche der Gleitfläche

entfernt .

Das vorgeschlagene Verfahren nutzt keine hochpreisigen Piezo- Bohrspindeln oder aufwendig beschichtete Bohraufnahmen .

Daraus folgt eine erhebliche Kostenersparnis . Im Falle einer gerade geteilten Lageranordnung , wird das ballige Gleitflächenprofil nur in dem benötigten Scheitelbereich erzeugt .

Vorzugsweise erfolgt das Entfernen der radial vorstehenden Randbereiche bei gespreizter Lagerschale durch Ausbohren. Hierbei kann vorteilhafterweise dieselbe Bohrspindel wie bei einem etwaig vorangegangenen ersten Bohrvorgang zum Ausbohren der Gleitfläche verwendet werden . Über den Anstellwinkel der Bohrspindel kann die Umfangslänge der balligen Oberfläche eingestellt werden . Analog kann das Anstellen der Bohrspindel auch bereits für die Fertigung einer veränderlichen Wanddicke über den Umfang der Lagerschale ( sogenannte Wand II ) beim konventionellen Bohren genutzt werden .

Vorzugsweise wird die Lagerschale in eine Bohraufnahme mit nicht kreisrundem Querschnitt , noch bevorzugter von

elliptischem Querschnitt eingespannt . Der horizontale und maximale Durchmesser der Ellipse , oder genauer der halben Ellipse , entspricht dabei dem maximal möglichen Spreizmaß der Lagerschale . Als Folge der Verspannung des Lagers in der Bohraufnähme schmiegt sich die Lagerschale mit seinem

Außendurchmesser an die vorzugsweise elliptische Kontur der Bohraufnähme an . Dadurch verformt sich das Gleitlager in Breitenrichtung und die Randbereiche treten in radialer

Richtung hervor . Über die Klemmkraft des Gleitlagers kann die Amplitude der Gleitfläche , d.h. die Balligkeit eingestellt werden . Hierbei gilt , ein kleine Klemmkraf hat eine große Balligkeit zur Folge , wohingegen eine große Klemmkraft eine kleine Balligkeit zur Folge hat. Die verwendete Bohraufnahme kann für verschiedene Breiten des Gleitlagers verwendet werde . Dieser Vorteil kommt auch dann zum Tragen, we n innerhalb einer FertigungsCharge die Gleitlagerbreite

schwankt .

Vorzugsweise erfolgt das Einspannen der Lagerschale in die Bohraufnähme dadu ch, dass auf die Teilflächen eine

Verspannkraft in tangentialer Richtung der Lagerschale aufgebracht wird . Die VerSpannkräfte betragen dann vorzugsweise etwa zwischen 5 % bis 90 % , noch bevorzugter 10 % bis 50 % der üblichen Klemmkräfte in der Bohraufnahme bei einem etwaigen vorangegangenen ersten Bohrvorgang zum Ausbohren des Innendurchmessers der Lagerschale .

Wie bereits angedeute , wird die Lagerschale vorzugsweise vor dem Spreizschritt in einem ersten Bohrvorgang bearbeitet , um die Gleitfläche auszubohren, gegebenenfalls zu strukturieren und/oder gegebenenfalls mit Freilegungsbereichen zu versehen . Unter einem Freilegungsbereich versteht man einen Bereich an den Lagerschalenenden, in dem die Wandstärke der Lagerschale im Vergleich zur Wandstärke der restlichen Lagerschale reduziert ist . Auf diese Weise kann der Verschleiß einer in der Lagerschale laufenden Welle aufgrund von Ungenauigkeiten an den Verbindungsstellen der beiden ein Lager bildenden Lagerschalen verringert werden . Da die Endbereiche mit dem vorliegenden Ver ahren zur Herstellung der Balligkeit im Wesentlichen unberührt bleiben, wird die Geometrie der

Freilegungsbereiche mit dem vorliegenden Verfahren nicht verändert . Auch eine etwaige vorangegangene Strukturierung , etwa eine Riilenstruktur der Gleitfläche bleibt im

Wesentlichen erhalten, da. im Unterschied zu herkömmlichen Fertigungstechniken die Gleitfläche gemäß der Erfindung kein umlaufend konstantes balliges Profil erhält , sondern nur auf einer bestimmten, wohl definierten Umfangslänge , vorzugsweise symmetrisch zum Scheitel des Gleitlagers , und ferner der Materialabtrag bei der Herstellung der balligen Oberfläche vorzugsweise nur an den Rändern der Lagerschale erfolgt .

Vorzugsweise wird für den ersten Bohrvorgang und das

Entfernen von Randbereichen zur Hersteilung der Balligkeit dieselbe Spindel verwendet. Damit können Kosten gespart und der Verfahrensaufwand reduziert werden .

Vorzugsweise erfolgt der erste Bohrvorgang i einer

Bohraufnahme , in der die Lagerschale eingeklemmt wird . Das Einklemmen in die Bohraufnahme erfolgt mit einer Klemmkraft, die beispielsweise der Kraft entspricht , mit der die

Lagerschale mit einem Druck auf die Teilflächen von oben in die Bohraufnahme gedrückt wird .

Gemäß einer alternativen Ausführungsform können das Ausbohren der Lagerschale und die Herstellung der Balligkeit

gleichzeitig ausgeführt werden . In diesem Fall wird nicht zwischen dem oben beschriebenen ersten Bohrvorgang und dem Bohrvorgang zur Herstellung der Balligkeit unterschieden. Es ist möglich, die Wanddicke, die Freilegungsbereiche und die Bailigkeit bei einem nicht kreisrund, vorzugsweise elliptisch verspannten Lager gleichzeitig in einem Arbeitsgang zu bohren . Auf diese Weise können der Arbeitsaufwand und die Kosten zur Herstellung des Gleitlagers weiter reduziert werden .

Wenn das Spreizen der Lagerschale mittels Verspannkräf en erfolgt , die auf die Teilflächen der Lagerschale wirken, so betragen diese Verspannkräfte für ein optimales Ergebnis vorzugsweise 5 % bis 90 % , noch bevorzugter 10 % bis 50 % der Klemmkräfte beim ersten Bohrvorgang.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt eine Lagerschaie mit einer geradlinig

gearbeiteten, profilfreien Gleitfläche .

Figur 2 zeigt den Querschnitt durch eine Lagerschale gemäß der Figur 1.

Figur 3 zeigt den Querschnitt durch eine Lagerschale mit einem an den Randbereichen abgerundeten Gleitflächenprofil .

Figur 4 zeigt eine Bohraufnahme mit eingelegter Lagerschale . Figur 5 zeigt eine Bohraufnahme mit eingelegter und verspannter Lagerschale .

Figur 6 zeigt den Querschnitt A-A der Figur 5.

Figur 7 zeigt das Ausbohren der verspannten Lagerschale .

Figur 8 zeigt den Querschnitt A-A der Figur 7.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Die Figur 4 zeigt eine Bohraufnähme 10 mit einem elliptischen Profil 11 , in die zunächst eine kreisrunde Lagerschale 1 eingelegt wird. Die Enden 2 der Lagerschale 1 stehen im

Querschnitt der Lagerschale 1 etwas über die Bohraufnahme 10 hervor . Dies ist mit einer gestrichelten Linie verdeutlicht . Die Teilflächen der Lagerschale 1 , die in den

SchnittdarStellungen der Figuren 4 , 5 und. 7 nicht gezeigt sind, sind die Schnittflächen an den Enden 2 der Lagerschale 1. Mit Aufbringen einer Kraft F auf die Teilflächen der

Lagerschale 1 verformt sich die Lagerschale 1, wobei sich diese mit ihrem Außendurchmesser an die elliptische Kontur 11 der Bohraufnahme 10 anlegt . Das geht aus der Figur 5 hervor . Im Bereich des Scheitelpunkts 3 tritt dadurch entlang der axialen Erstreckung der Lagerschale 1, d.h. in der Richtung die senkrecht auf der Papierebene steht , eine Wölbung auf, die in Figur 6, d.h. dem Schnitt A-A der Figur 5 dargestellt ist . Die vormals in Breitenrichtung ebene Gleitfläche

verformt sich. Es tritt eine antiklastische Biegung auf , wodurch eine konkave Form der Gleitfläche in Breitenrichtung bewirkt wird . Die Randbereiche 4 der Lagerschale 1 treten in radialer Richtung nach innen , in der Figur 6 nach oben hervor .

In einem nachfolgenden Schritt wird die Lagerschale 1 in diesem Zustand ausgebohrt , sodass zumindest ein Teil de nach innen vorstehenden Randbereiche abgetragen wird . Das Abtragen der Randbereiche kann mittels der gleichen Bohrspindel erfolgen, die bei einem ersten Bohrvorgang zum Ausbohren des Innendurchmessers der Lagerschale 1 verwendet wird. Die entfernten Materialmengen betragen hierbei nur einen

Bruchteil des ersten Bohrvorgangs . Die auftretenden

Bohrmeißelkräfte sind daher als entsprechend gering

einzuschätzen . Nach beendetem Bohrvorgang und Entnahme des Gleitlagers bzw. der Lagerschale 1 aus der Bohraufnahme 10 enthäl t die entspannte Lagerschale 1 dann eine ballige

Gleitfläche . Das Ausbohren zur Herstellung der Bailigkeit mittels einer Bohrspindel 20 geht aus der Figur 7 und dem Schnitt A-A der Figur 8 hervor . Das durch das Ausbohren entfernte Material an den Rändern der Gleitlagerschale 1 ist mit dem Bezugszeichen 5 in Figur 8 bezeichnet .

Alternativ können das Ausbohren der Lagerschale und die

Herstellung der Balligkei t gleichzeitig , d.h. in ein und derselben Bohraufnahme und in nur einem Bohrvorgang erfolgen . Es ist hierbei möglich, die Wanddicke, die

Freilegungsbereiche und die Balligkeit bei einem elliptisch verspannten Lager gleichzeitig zu bohren .

Das oben beschriebene neue Bohrverfahren erlaubt verschiedene Möglichkeiten, um die Umfangslänge und die Amplitude der balligen Gleitfläche zu variieren. Beispielsweise kann über den Anstellwinkel der Bohrspindel die Umfangslänge der balligen Oberfläche eingestellt werden. Analog wird das

Anstellen der Bohrspindel auch bereits für die Fertigung einer Wand II beim konventione11en Bohren genutzt . Ferner kann über die Klemmkraft des Gleitlagers in der Bohraufnahme die Amplitude de balligen Gleitfläche eingestellt werden, d.h. kleine Klemmkraft gleich große Balligkeit und große Klemmkraft gleich kleine Balligkeit .