AT400613B - Gleitlager - Google Patents

Description

AT 400 613 B

Die Erfindung betrifft ein Gleitlager für Brennkraftmaschinen, mit einer Stützschicht und mindestens einer Gleitschicht, mit einer eine Welle lagernden Innenfläche, wobei ein Ölfilm zwischen der Gleitschicht und der Welle vorliegt. Zu den wichtigsten Eigenschaften technisch fortschrittlicher Brennkraftmaschinen gehört die Eignung 5 für extrem schwere Betriebsbedingungen. Hierfür wurden Gleitlager konstruiert, um unter hydrodynamischen Bedingungen zu arbeiten, d.h. unter Bedingungen, bei denen eine minimale Dicke eines Ölfilms zwischen der umlaufenden Welle und der jeweiligen Kontaktfläche des Lagers vorhanden ist, um so ein glattes Laufen und freies Kreisen der Welle ohne direkten Kontakt zwischen den genannten Teilen vorzusehen. Dabei ist es, insbesondere wenn hohe mechanische Lasten auf das Lager wirken, welche z.B. 70 das Resultat eines hohen Verbrennungsdrucks in der Verbrennungskammer und von Trägheitskräften zufolge einer hohen Drehzahl der Maschine sind, nicht immer möglich, die genannte minimale Ölfilmdicke zwischen der Welle und dem Lager beizubehalten, wobei das Lager, wenn der Ölfilm abreißt, zufolge der übermäßigen Abnutzung seiner Gleitschicht frühzeitig ausfallen und in extremen Fällen auch die Welle beschädigt werden kann. 75 Wegen dieser Unzulänglichkeiten ist es üblich, die Schichten eines Gleitlagers mit zumindest einer weichen Phase, durch Hinzugabe von Elementen, wie Pb, Sn, Cd, Bi und dergl., zu versehen, die in Notbetriebssituationen wirkt, z.B. wenn der Spitzen-Ölfilmdruck (POFP - peak oil film pressure) höher ist als die hiefür angegebenen Grenzen, oder wenn die minimale Ölfilmdicke (MOFT - minimum oil film thickness) niedriger ist als der jeweilige Grenzwert, oder wenn beide dieser Fälle auftreten. Die Hinzufügung der 20 genannten Elemente reicht jedoch nicht aus, um den Kontakt zwischen der Welle und dem Gleitlager zu verbessern, und um überdies im Schmieröl vorhandene Unreinheiten aufzunehmen. Eine andere Lösung für dieses Problem wurde im Vorsehen einer höheren Lastaufnahmekapazität durch Füllen von Nuten, die in Umfangsrichtung der Gleitlagerschicht vorgesehen sind, mit weicherem Material gesehen. Diese Maßnahme bewirkt, daß das Lager höheren Lasten widerstehen und Unreinheiten 25 in höherem Ausmaß aufnehmen kann. Es wurden verschiedene Arten von Konstruktionen hierfür vorgeschlagen, vgl. z.B. die US-A-4 400 099 und die BR-A- PI 8602877. Wenngleich diese Lösung technisch annehmbar ist, steht sie doch im Widerspruch zu der Anforderung, die Herstellungskosten von Brennkraftmaschinen zu reduzieren. Ein anderer, weit verbreiteter Vorschlag zur Lösung des genannten Problems betrifft die Vergrößerung 30 des Lagerinnenflächen-Radius in Bereichen, wo die Wahrscheinlichkeit für ein Abreißen des Ölfilms größer ist, und wo demgemäß die Flächenabnutzung größer sein kann, d.h. nahe der Trennlinie zwischen der oberen und unteren Halbschale. Hierfür wird eine Öltasche in diesem Bereich vorgesehen, wodurch ein Sicherheitsbereich erhalten wird, und derartige Lösungen sind z.B. in der US-A-3 625 580 und US-A-4 311 349 geoffenbart. Wenngleich dieser Vorschlag noch eher als die davor erwähnten Vorschläge akzeptabel 35 erscheint, bleiben doch die übrigen Bereiche der Lagerinnenfläche im zentralen Abschnitt des Lagers, die weiter abliegen von den Öltaschen, ungeschützt. Im einzelnen offenbart die genannte US-A-3 625 580 ein Kurbelzapfenlager, das mit zwei Halbschalen aufgebaut ist, weiche in den Bereichen benachbart ihren aneinanderstoßenden, achsparalieten Kanten exzentrische Innenflächen definieren, so daß im zusammengesetzten Zustand zwei Schmiertaschen erhalten 40 werden, die je aus zwei exzentrischen, für sich im Querschnitt kreisförmigen Teilbereichen bestehen. Auf diese Weise sollen Annäherungen und Fehlausrichtungen der Lagerhalbschalen in einem Ausmaß entsprechend jenem bei einem exzentrischen Lager von vergleichbarer Größe und im wesentlichen niedrigerem Belastungsvermögen aufgenommen werden können. Ein offenes Problem ist jedoch weiterhin, wie eine Ölfilmdicke wiederhergestellt werden könnte, oder wie Spitzen des Öldrucks gemindert werden könnten. 45 Aus der EP-A1-199 906 ist ein Kreuzkopfzapfenlager bekannt, bei dem im Lagergehäuse im Bereich der Pleuelstange eine Lagerschale (Halbschale) eingesetzt ist, in der zwei oder mehrere Schmiertaschen vorgesehen sind, um so einen zusammenhängenden "Druckberg" mit geringerer maximaler Amplitude anstatt mehrerer, eine größere Amplitude aufweisenden Druckspitzen (siehe Fig.3b) zu erhalten. Ein Problem ist hier weiterhin, wie die mögliche Abnutzung von in der Kraftfahrzeugtechnik zu verwendenden, so hoch beanspruchbaren hydrodynamischen Gleitlagern reduziert werden könnte. In der US-A-4 307 921 ist ebenfalls ein Pleuelstangen-Lager mit zwei Lagerschalen gezeigt, die je benachbart einer Längskante, sich gezeigt, daß das Vorsehen derartiger Vertiefungen jene Schäden zumindest mindert, die am Lager und an der Welle zufolge der oben angegebenen Erscheinungen verursacht werden können. Dies wird nachstehend noch näher erläutert werden. 55 Erfindungsgemäß ist ferner auch von zusätzlichem Vorteil, wenn die radiale Tiefe und die Umfangserstreckung der Vertiefung als Funktion der relativen Differenz zwischen der minimalen Ölfilmdicke und der für das Lager in einem gegebenen kritischen Bereich der Innenfläche erforderlichen Dicke berechnet sind. Eine günstige Dimensionierung des Gleitlagers wird dabei erzielt, wenn die maximale radiale Tiefe der l;lK ! 'i^ τίΓ iiT-· ·· ·'·:; Vf φ -Üh; :.·ί^ !Ι·3. «, Äi ' 4*ι ώ! :·!ίί:

.ψ\ :·Ηί-ϊ ; Μ r;::iä : .:¾

2

AT 400 613 B

Vertiefung gegeben ist durch die Beziehung E = K · (1 ' e~s), 5 mit S — (hmin “ hcgic^'hcaig für die relative Dickendifferenz, wobei io K ein Korrekturfaktor und e die Basis des natürlichen Logarithmus ist.

Vorteilhafterweise ist hier weiters vorgesehen, daß die Umfangserstreckung der Vertiefung begrenzt ist durch die Beziehung 75 r = (R/2) + E, wobei r der Abstand zwischen jedem Ende der Vertiefung an der Innenfläche und der Mitte des inneren Radius des Lagers ist, dessen Verlängerung die Vertiefung in zwei gleiche Teile teilt.

Dabei hat es sich weiters als besonders zweckmäßig erwiesen, wenn die Vertiefung in an sich 20 bekannter Weise eine maximale Tiefe in der Mitte ihrer Umfangserstreckung hat und von dort zu den gegenüberliegenden Enden in der Tiefe abnimmt.

Eine baulich einfache Ausführungsform der Vertiefung wird dadurch erreicht, daß der Boden wie an sich bekannt im Querschnitt kreisrund geformt ist, wobei es zusätzlich von Vorteil ist, wenn der Krümmungsradius des Bodens der Vertiefung der Abstand zwischen den gegenüberliegenden Enden der Vertiefung und 25 der Mitte des inneren Radius des Lagers ist, dessen Verlängerung die Vertiefung in die zwei gleichen Teile teilt.

Hinsichtlich der Ausbildung des Gleitlagers in Achsrichtung ist es vorteilhaft, wenn die Vertiefung einen rund geformten Längsschnitt hat. Für den Aufbau des Gleitlagers ist es auch günstig, wenn zwischen der Stützschicht und der, 30 Gleitschicht eine Zwischenschicht angebracht ist, die hauptsächlich aus Aluminium, Blei oder einem anderen Antifriktionsmaterial besteht. Vorzugsweise besteht die Gleitschicht aus einer Bronzelegierung.

Die Erfindung wird nun nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung noch weiter erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Lageranordnung aus zwei Lagerschalen und mit einer Welle, in einer Ausbildung gemäß dem Stand 35 der Technik, wobei die Verteilung des Ölfilmdrucks schematisch veranschaulicht ist; Fig. 2 in einer entsprechenden Querschnittsdarstellung eine Lageranordnung mit einer zur Reduzierung des Öldrucks vorgesehenen Vertiefung gemäß einem Aspekt der Erfindung, wobei ebenfalls ein Ölfilm-Druckprofil veranschaulicht ist; und Fig, 3 in einer entsprechenden Querschnittsdarsteilung eine Lageranordnung mit einer Vertiefung, um die Ölfilmdicke wiederherzustellen, in einer Anordnung in im wesentlichen axialer 40 Ausrichtung, gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung.

In den Zeichnungsfiguren ist das jeweilige Gleitlager allgemein mit 10 bezeichnet, wobei eine Trennlinie P-P einen oberen Lagerteil 10s von einem unteren Teil lOi trennt, und wobei jeder Lagerteil, d.h. jede Halbschale hievon, eine äußere Schicht oder Stützschicht 11, im allgemeinen aus Stahl, gegebenenfalls eine Zwischenschicht 12 aus einer Aluminiumlegierung, Bleiiegierung oder einem anderen geeigneten 45 Material, und eine innere Gleitschicht 13 aufweist, welche aus einer Cu-Sn-Pb-Legierung hergestellt sein kann. Bei den dargestellten Ausführungen ist die Trennlinie P-P um einige Grad relativ zur Horizontalen geneigt.

Das Lager 10 dient zur Lagerung einer umlaufenden Welle 20, wobei dazwischen ein Ölfilm 30 vorliegt um im Betrieb möglichst optimale hydrodynamische Bedingungen sicherzustellen. Zufolge einer möglichen 50 Überlast, die durch die Welle 20 auf die innere Fläche 13a aufgebracht wird, kann die minimale Ölfilmdicke (MOFT) und,oder der Spitzenölfilmdruck (POFP) den Konstruktionsspezifikationen nicht entsprechen, wodurch eine möglicherweise schwer mangelhafte Lagerschmierung oder ein Verlust der Lagerschmierung zufolge Ölmangels oder eines übermäßigen Drucks bewirkt werden kann, der bestimmte Bereiche der Lagerinnenfläche 13a überbelastet. Wenn der Öldruck übermäßig ansteigt, hat die Öldruckverteilung 55 beispielsweise die Form der in Fig. 1 gezeigten mit Pfeilen im Bereich D1 angegebenen Kurve. Diese Überbelastung zufolge eines zu hohen Öldrucks führt dazu, daß das Lager zufolge einer Verformung der Innenfläche 13a als Resultat einer übermäßigen Abnutzung frühzeitig ausfällt, was letztlich auch zu einer Beschädigung der Welle 20 führen kann. 3

AT 400 613 B

Um das Problem einer nachteiligen Ölfilmdruckverteilung wie gemäß Fig. 1 zu überwinden, kann die Innenfläche 13a des Lagers 10 durch maschinelles Einarbeiten oder irgendeine andere geeignete Technik mit einer Umfangsvertiefung oder Nut 15 zumindest in einem Bereich ihrer axialen Länge versehen werden. Im Beispiel von Fig. 1 zeigt die Druckverteilung des Ölfilms nur eine ausgeprägte Verformung, die durch die Linie DA angegeben ist. Um diese Verformung zu eliminieren, wird die erwähnte Umfangsvertiefung 15 in einer axialen Ausrichtung im Bereich der Innenfläche 13a, wo die Verformung erfolgt, vorgesehen. Es sei erwähnt, daß die Bestimmung jener Bereiche, wo die Lagerinnenfläche 13a mehr einer frühzeitigen Abnutzung zufolge eines übermäßigen Ölfilmdrucks unterliegt, durch mathematische Simulationen erhalten wird.

Im Beispiel von Fig. 1 wurde gefunden, daß sich der Bereich, der einer frühzeitigen Abnutzung zufolge einer ungleichmäßigen Ölfilmdruckverteilung unterworfen ist, im unteren Teil lOi des Lager 10 befindet, und zwar mehr im einzelnen in dem Bereich, der von der Ebene umfaßt wird, welche einen Winkel ß1 mit der Teiiebene P-P des Lagers 10 bildet. Das Vorsehen der Vertiefung 15 längs der Innenfläche 13a des Lagers 10 an der Stelle, die mit der Ungleichmäßigkeit der Ölfilmverteilung zusammenfällt, wie in Fig. 2 angegeben, eliminiert die Deformation, vgl. insbesondere auch die in Fig. 2 veranschaulichte Druckverteilung D2.

In Fig. 3 ist dagegen die Anbringung einer Vertiefung 16 zur Erhöhung der Ölfilmdicke veranschaulicht, und zwar an einer anderen winkelmäßigen Stelle längs der Innenfläche 13a des Lagers 10, wobei im einzelnen diese Vertiefung 16 in einem Bereich angeordnet ist, der um 45' nach hinten ("stromaufwärts") bezüglich der Wellendrehrichtung, d.h. entgegen der Wellendrehrichtung, versetzt ist, und zwar gegenüber dem Bereich, der durch mathematische Simulation als möglicherweise kritisch bezüglich eines Fehlers in der Ölfilmdicke bestimmt worden ist. Der Ort der Vertiefung 16 sollte weiters durch aufeinanderfolgende mathematische Wechselwirkungen eingestellt werden, um noch genauere Resultate zu erzielen. Bei der Dimensionierung der Vertiefung 16 zur Wiederherstellung der Ölfilmdicke sind drei Variable zu betrachten: E - die maximale Tiefe der Vertiefung 16, gemessen von der Innenfläche 13a des Lagers 10, α - der Winkel (gemessen in Winkelgrad) des Umfangsbereiches, über den sich die Vertiefung 16 erstreckt, eine dritte Variable, die in der Zeichnung nicht veranschaulicht ist, und die sich auf die axiale Erstreckungsgröße der Vertiefung bezieht und entsprechend der spezifischen Konstruktion variiert, wobei sich die Vertiefung über die gesamte Länge oder nur einen Teil der Länge der Innenfläche 13a erstrecken kann.

Die Dimensionierung der Vertiefung 16 erfolgt gemäß den folgenden Beziehungen:

a) r = R/2 + E b) E = K · (1 - e-s) C) S — (hmin ” hca|c)/hca|c

d) hmax = hcalc "* E wobei r der geometrische Radius ist, dessen Größe gleich der Hälfte des inneren Radius R des Lagers 10 plus der maximalen Tiefe E der Vertiefung 16 ist, und K ein Korrekturfaktor für die Tiefe E ist, der in einem inversen Verhältnis zur Härte des Materials der Gleitschicht 13 des Lagers 10 variiert, wobei der Wert für K umso kleiner ist, je größer die Härte des Lagermateriais ist, und wobei der Wert von K immer höher ist als oder zumindest gleich ist der relativen Ölfilmdicke S; vorzugsweise liegt K zwischen 5 und 10 (5 5 K £ 10); E die maximale Tiefe der Vertiefung 16, gemessen ausgehend von der Innenfläche 13a des Lagers 10, ist e die Basis des natürlichen (Neper'schen) Logarithmus ist: S die relative Differenz zwischen dem theoretischen Wert der minimalen Ölfilmdicke MOFT (hroin) für den Ölfilm 30 und dem durch mathematische Simulationen erhaltenen Dickenwert ist, der als der tatsächliche Wert für den Ölfilm 30 angesehen wird (hcaic), und zwar zu einem bestimmten Moment der Umdrehung der Welle 20: hmax die maximale Ölfilmdicke hinsichtlich der Vertiefung 16 ist.

Sobald bekannt ist, daß in der Position ß2 = +45* die Dicke hcaic des Ölfilmes 30 kleiner ist als hmin (z.B. sei hmin = 2,0 um und hcaic = 0,5 um), ist es mit Hilfe der Beziehung c von oben möglich, die relative Dickendifferenz S zwischen den genannten Werten wie folgt zu bestimmten. S = (2,0 - 0,5)/0,5 - S = 3,0

Somit ergibt sich dann der Wert für die Tiefe E der Vertiefung 16, die in der Fläche des Lagers einzuarbeiten ist, wobei der Wert von K beispielsweise mit K = 5 angegeben sei. Die Vertiefung 16 ist 4

Claims (10)

1. AT 400 613 B dabei in einer Ausrichtung vorzusehen, in der sie mit der Ebene zusammenfällt, die den Winkel £2 mit der Trennlinie P-P definiert: E = K · (1,0-e"s) E * 5 · (1,0 -e'3) um E = 5 · (1,0-0,0498) um E = 4,75 um Hieraus ergibt sich wiederum mit r = (R/2) + E je nach Größe des Lagerdurchmessers der Wert für die Abmessung r. In der Folge kann man hieraus auch den Winkel a für die Erstreckung der Vertiefung in ümfangsrichtung ermitteln. Demgemäß kann im beschriebenen Fall der Vertiefung 16 für die Wiederherstellung der Ölfilmdicke die maximale Tiefe E und die Erstreckung bzw. der Bereich a als Funktion des minimalen theoretischen Werts von hmin für das Lager und von hca,c, der durch mathematische Simulationen erhalten wird, erhalten werden. In den bevorzugten Ausführungsformen gemäß Fig. 2 und 3 haben die Vertiefungen 15 und 16 im Schnitt eine kreisbogenförmige Gestalt. Es kann jedoch in anderen Fällen zur Öldruckminderung oder Ölfilmdickenerhöhung möglich oder sogar ratsam sein, andere Formen für die Vertiefung vorzusehen, wie etwa eine dreieckige, quadratische, mehreckige, und zwar regelmäßig oder unregelmäßig, wobei immer auf die Grenzen der maximalen Tiefe E und des Winkelbereichs, wie für jeden Fall erforderlich, zu achten ist. Patentansprüche 1. Gleitlager für Brennkraftmaschinen, mit einer Stützschicht und mindestens einer Gleitschicht, mit einer eine Welle lagernden Innenfläche, wobei ein Ölfilm zwischen der Gleitschicht und der Welle vorliegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche (13a) in an sich bekannter Weise mit zumindest einer Vertiefung (15; 16) versehen ist, die sich zumindest über einen wesentlichen Teil der axialen Länge erstreckt, und daß die Vertiefung (15; 16) in einem Bereich der Innenfläche (13a) des Lagers (10) angeordnet ist, der einem Ölfilmdruck (POFP) größer als ein hiefür berechneter Maximalwert ausgesetzt ist, und/oder bis zu 45* stromaufwärts bezüglich der Drehrichtung der Welle (20) in einem Bereich der Innenfläche (13a) angeordnet ist, wo die minimale Ölfilmdicke (MOFT) geringer ist als ein hiefür vorausberechneter Wert, wobei die Vertiefung (15; 16) entsprechend Konstruktion und Betriebseigenschaften des Lagers (10) eine maximale radiale Tiefe (E) und eine Umfangserstreckung (<*) hat, welche definiert sind, um den Öldruck und die Ölfilmdicke innerhalb von im voraus für das Lager (10) festgelegten Grenzen zu halten.
2. 2. Gleitlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Tiefe (E) und die Umfangserstreckung (a) der Vertiefung (16) als Funktion der relativen Differenz (S) zwischen der minimalen Ölfilmdicke (hmin) und der für das Lager (10) in einem gegebenen kritischen Bereich der Innenfläche (13a) erforderlichen Dicke (hcaic) berechnet sind.
3. 3. Gleitlager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale radiale Tiefe (E) der Vertiefung (16) gegeben ist durch die Beziehung E = K * (1 - e"s), S = (hmin " hcaic)/hca|c für die relative Dickendifferenz, wobei K ein Korrekturfaktor und e die Basis des natürlichen Logarithmus ist. 5 AT 400 613 B
4. 4. Gleitlager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangserstreckung (a) der Vertiefung begrenzt ist durch die Beziehung r = (R/2) + E, wobei r der Abstand zwischen jedem Ende der Vertiefung (16) an der Innenfläche (13a) und der Mitte des inneren Radius (R) des Lagers (10) ist, dessen Verlängerung die Vertiefung (16) in zwei gleiche Teile teilt.
5. 5. Gleitlager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung (16) in an sich bekannter Weise eine maximale Tiefe (E) in der Mitte ihrer Umfangserstreckung hat und von dort zu den gegentiberliegenden Enden in der Tiefe abnimmt.
6. 6. Gleitlager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden wie an sich bekannt im Querschnitt kreisrund geformt ist.
7. 7. Gleitlager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius des Bodens der Vertiefung (16) der Abstand (r) zwischen den gegenrnberliegenden Enden der Vertiefung (16) und der Mitte des inneren Radius (R) des Lagers (10) ist, dessen Verlängerung die Vertiefung (16) in die zwei gleichen Teile teilt.
8. 8. Gleitlager nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung (16) einen rund geformten Längsschnitt hat.
9. 9. Gleitlager nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Stützschicht (11) und der Gleitschicht (13) eine Zwischenschicht (12) angebracht ist, die hauptsächlich aus Aluminium, Blei oder einem anderen Antifriktionsmaterial besteht.
10. 10. Gleitlager nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitschicht (13) aus einer Bronzelegierung besteht. Hiezu 3 Blatt Zeichnungen 6