DE10146334B4

DE10146334B4 - Kurbelwellenlager für einen Motorblock

Info

Publication number: DE10146334B4
Application number: DE10146334A
Authority: DE
Inventors: Gregory P. Birmingham Prior
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2000-09-21
Filing date: 2001-09-20
Publication date: 2005-01-20
Anticipated expiration: 2021-09-21
Also published as: DE10146334A1; US6308680B1

Abstract

Verbrennungsmotor mit:
einem Motorblock aus Aluminiumlegierung, der Kolben in Zylindern umfaßt und eine untere Seite mit einer oberen halbkreisförmigen Lagerfläche aufweist;
einer eisenhaltigen Kurbelwelle;
einem unteren Lagerträger. mit einer unteren halbkreisförmigen Lagerfläche, die die obere halbkreisförmige Lagerfläche in dem Motorblock ergänzt, um eine Kurbelwellenbohrung zu definieren und damit die eisenhaltige Kurbelwelle drehbar zu lagern, und wobei der untere Lagerträger vollständig aus einer Beryllium-Aluminium-Legierung besteht, die einen Wärmeausdehnungskoeffzienten aufweist, der mit dem der eisenhaltigen Kurbelwelle vergleichbar ist, um einen konsistenten Spielraum zwischen dem unteren Lagerträger und der Kurbelwelle während des Motorbetriebs zu unterstützen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft Lagerträger für ein Hauptlager in einem Verbrennungsmotor.
Hintergrund der Erfindung
Die Massenverringerung stellt ein Hauptziel bei der Motorkonstruktion dar. Daher ist es bekannt, bei bestimmten Motorkomponenten Eisen gegen Aluminium auszutauschen. Bei einem üblichen Beispiel können Kraftfahrzeugmotorblöcke vollständig aus Aluminium oder anderen Leichtmetalllegierungen hergestellt sein. Ein Nachteil bei derartigen Anwendungen ist, daß gewöhnlich verwendete Aluminiumlegierungen einen wesentlich höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) als Eisen aufweisen. Beispielsweise weist Gußeisen einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 12 × 10^–6/K auf, während 380 Aluminium einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 21 × 10^–6/K aufweist, was einen Faktor von nahezu 2 darstellt. Daher dehnen sich in dem Fall, wenn Aluminiumlagerkappen eine eisenhaltige Kurbelwelle tragen, die Aluminiumlagerkappen thermisch mit einer größeren Rate aus als die Kurbelwelle, wenn die Motorbetriebstemperatur ansteigt. Dies hat einen erhöhten Lagerzwischenraum und möglicherweise eine nicht akzeptable Lagerlebensdauer sowie Geräuscherzeugung zur Folge. Größere Bohrungszwischenräume erfordern Schmiersysteme mit größerer Kapazität, um eine Ölleckage an den Hauptlagern vorbei zu kompensieren und eine angemessene Ölfilmdicke auf den Lagern beizubehalten.
Ein zweiter Nachteil bei bestimmten Anwendungen ist, daß gewöhnlich verwendete Aluminiumlegierungen einen niedrigeren Elastizitätsmodul und eine niedrigere Festigkeit relativ zu eisenhaltigen Materialien aufweisen. Diese Verringerung kann die Lebensdauer gefährden, insbesondere bei hohen Lagerlasten, die typischerweise bei Anwendungen mit hohem Ausgang, mit Turbolader und bei Dieselanwendungen auftreten.

Eine Lösung für das Wärmeausdehnungsproblem, wie in der US 52 03 854 A beschrieben ist, besteht darin, ein Lagerträgergussstück aus Aluminium mit einem Eisenkern benachbart der Kurbelwellenbohrung herzustellen, um vergleichbare Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen der Kurbelwelle und der Lagerkappe vorzusehen. Es ist vorge- schlagen worden, daß der Lagerzwischenraum über den Bereich von Betriebstemperaturen nicht signifikant variiert und daher die Geräuscherzeugung verringert ist. Der Nachteil besteht darin, daß der Ersatz von Aluminium mit einem eisenhaltigen Einsatz einen Massennachteil für den Motor darstellt.

In der WO 95/006760 A1 wird eine Beryllium-Aluminium-Legierung mit hoher Festigkeit und einem Anteil von 60–70 Gew% Beryllium beschrieben, die zum Gießen geeignet ist.

Aus der GB 11 98 107 ist eine Beryllium-Aluminium-Legierung mit einem Anteil von 60–85 Gew% Beryllium bekannt.

Der Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Hauptlagerträger vorzusehen, der einen Wärmeausdehnungskoeffizienten vergleichbar mit der eisenhaltigen Kurbelwelle, die dieser trägt, aufweist, masseneffizienter als Aluminium ist und einen größeren Sicherheitsfaktor als ein eisenhaltiger eingesetzter Aluminiumträger infolge niedrigerer Spannungen aus einem höheren Elastizitätsmodul aufweist.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit einem Aluminiummotorblock, einer eisenhaltigen Kurbelwelle und Hauptlagerträgern, die insgesamt aus einer binären Legierung aus Beryllium und Aluminium bestehen. Die Beryllium-Aluminium-Legierung weist die folgenden Materialeigenschaften auf: niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient vergleichbar mit einer Eisenlegierung; hohe Festigkeit vergleichbar mit einer Eisenlegierung und niedrige Dichte im Vergleich zu Eisen und Aluminium.

Beispielsweise weist eine Beryllium-Aluminium-Legierung mit 62% Beryllium einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 14 × 10^–6/K auf, der mit einer Eisenlegierung vergleichbar ist. Diese Materialauswahl für die Lagerträger stellt sicher, daß eine engere Kurbelwellenbohrungstoleranz im Vergleich zu einem Motor, dessen Träger vollständig aus Aluminium oder einer anderen Leichtmetalllegierung bestehen, über den Motorbetriebstemperaturbereich beibehalten werden kann. Dies ist auf vergleichbare Wärmeausdehnungsraten der eisenhaltigen Kurbelwelle und der Beryllium-Aluminium-Lagerträger zurückzuführen, die in etwa halb so groß wie die von Aluminium sind. Eine engere Kurbelwellenbohrungstoleranz erhöht die Lagerlebensdauer, da diese eine verringerte Ölleckage und daher eine geringere Abnutzung der Lager zur Folge hat und/oder ermöglicht, daß eine kleinere effizientere Ölpumpe verwendet werden kann. Ferner kann eine engere Bohrungstoleranz die Geräuscherzeugung verringern.

Der Elastizitätsmodul von Beryllium-Aluminium beträgt 192 GPa verglichen zu 69 GPa für Aluminium oder 120 GPa für Eisen. Lagerträger mit höherer Festigkeit verringern Verformungen, die während des Motorbetriebs auftreten, und erhöhen daher die Lebensdauer des Teiles durch Verringerung von Spannungen infolge von Durchbiegung. Um gleichwertige Spannungen wie bei einem Eisen- oder Aluminiumlagerträger zu erzeugen, kann ein kleinerer Beryllium-Aluminium-Träger verwendet werden, wodurch die erforderliche Materialmenge verringert wird, da der überlegegende Elastizitätsmodul das kleinere Teil kompensiert. Zusätzlich kann der kleinere Träger ein verbessertes Giessen zur Folge haben, da das Muttermetall den Träger vollständiger umhüllt.

Die Dichte einer Legierung aus 62% Beryllium und Aluminium beträgt 2,10 g/cm³ im Vergleich zu 7,25 g/cm³ für Eisen oder sogar 2,71 g/cm³ für Aluminium. Die niedrige Dichte sieht daher Masseneinsparungen gegenüber einem eisenhaltigen eingesetzten Aluminiumträger oder sogar einem vollständig aus Aluminium bestehenden Träger vor.

Daher sehen Hauptlagerträger bestehend aus einer derartigen Beryllium-Aluminium-Legierung eine Kombination von niedriger Masse, hoher Festigkeit und hoher Abmessungsstabilität der Kurbelwellenbohrung vor. Die relativ hohen Kosten einer Beryllium-Aluminium-Legierung können ihren Gebrauch in der nächsten Zeit auf Hochleistungsanwendungen und Luxusanwendungen begrenzen, aber sie können bei Marktregulierungen durchaus eine erhöhte kommerzielle Anwendbarkeit finden.

Zeichnungskurzbeschreibung

1 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines Verbrennungsmotors.

2 ist eine Stirnansicht im Schnitt eines Verbrennungsmotors mit einer zweiten Konfiguration an Lagerträgern der vorliegenden Erfindung.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

1 zeigt eine auseinandergezogene Ansicht eines Verbrennungsmotors, der allgemein mit 10 gezeigt ist und einen Motorblock 12 umfaßt, der Kolben 14 in Zylindern 16 aufweist. Zylinderköpfe 18 passen mit der oberen Seite 20 des Motorblockes 20 zusammen, um die Zylinder 16 abzuschließen. Ein Kurbelgehäuse 22 ist an die unteren Seite 24 des Motorblockes 12 geschraubt, und eine Ölwanne 26 ist an der unteren Seite 28 des Kurbelgehäuses 22 befestigt. Ein Ölverteiler 29 ist zwischen dem Kurbelgehäuse 22 und der Ölwanne 26 angeordnet.

Eine Kurbelwelle 30 ist zwischen der unteren Seite 24 des Motorblockes 12 und dem Kurbelgehäuse 22 untergebracht und durch Lagerträger drehbar gelagert. Ein unterer Lagerträger 34 kann in der Form eines separaten unteren Einsatzes vorgesehen sein, der durch das Kurbelgehäuse 22 aufnehmbar ist, wie in 1 gezeigt ist, und mit dem Kurbelgehäuse einstückig gegossen sein kann. Alternativ dazu kann der untere Lagerträger 34 an die untere Seite des Motorblockes geschraubt sein, die ansonsten als eine Lagerkappe bekannt ist, die aber nicht gezeigt ist.

Der untere Lagerträger 34 umfasst eine untere halbkreisförmige Lagerfläche 36. Die untere Seite 24 des Motorblockes 12 umfaßt eine obere halbkreisförmige Lagerfläche 38, die die untere halbkreisförmige Lagerfläche 36 in dem unteren Lagerträger 34 ergänzt. Zusammen definieren die halbkreisförmigen Lagerflächen 36, 38 eine Kurbelwellenbohrung 40, in welcher obere und untere buchsenartige Lager 41 bzw. 42 die Kurbelwelle tragen.

Bezüglich der Materialauswahl wird der Motorblock 12 aus Massenwirtschaftlichkeitsgründen durch Druckguss aus einer gewöhnlichen Aluminiumlegierung, wie beispielsweise 380 Aluminium, hergestellt, während die Kurbelwelle 30 aus Gründen der Festigkeit aus einem eisenhaltigen Material besteht. Das 380 Aluminium ist hauptsächlich Aluminium mit den folgenden Elementen: 7,5–9,5% Silizium, 3,0–4,0% Kupfer, 3,0% Zink, maximal 1,3% Eisen, 0,35% Zinn, 0,5% Mangan, 0,5% Nickel, 0,1% Magnesium und 0,5% anderen.

Aus Massenwirtschaftlichkeitsgründen könnte der untere Lagerträger 34 auch 380 Aluminium sein, was aber einen erheblichen Unterschied bei den Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen 380 Aluminium mit etwa 21 × 10^–6/K und der eisenhaltigen Kurbelwelle mit etwa 12 × 10^–6/K zur Folge hat. Dieser Unterschied kann zu Lagerzwischenräumen außerhalb der Toleranz führen, wenn sich die Kurbelwelle und die Lagerträger mit unterschiedlichen Raten thermisch ausdehnen. Ein übermäßiger Lagerzwischenraum von dem Lagerträger, der von der Kurbelwelle weg zunimmt, kann zur Folge haben, daß der Ölfilm degeneriert wird, was einen Kontakt von Metall zu Metall zuläßt und die Lagerlebensdauer verringert.

Daher sieht die vorliegende Erfindung untere Lagerträger 34 vor, die vollständig aus einer Beryllium-Aluminium-Legierung bestehen, welche einen Wärmeausdehnungskoeffizienten vergleichbar mit dem der eisenhaltigen Kurbelwelle 30 aufweist. Der Gebrauch dieser Legierung verringert die Möglichkeit, daß der Kurbelwellenlagerzwischenraum über die Abmessungsspezifikation hinaus zunimmt, was seinerseits die Wirkung übermäßiger Geräuscherzeugung und übermäßigen Ölverbrauches und/oder die Wirkung auf die Lagerlebensdauer verringert. Ein nahezu konstanter Lagerzwischenraum kann über Betriebstemperaturen in dem Bereich von etwa –40°C bis 175°C beibehalten werden. Um den niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten zu erreichen, besteht die Beryllium-Aluminium-Legierung aus zumindest 40 Gew.-% Beryllium und vorzugsweise etwa 60–65 Gew.-% Beryllium, wobei Aluminium den Rest darstellt. Eine Beryllium-Aluminium-Legierung mit 40% Beryllium weist einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 16 × 10^–6/K auf und mit 62% Beryllium den Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 14 × 10^–6/K auf. Eine derartige Beryllium-Aluminium-Legierung ist von Brush Wellman Inc. erhältlich und mit der Handelsbezeichnung AlBeMet^® bezeichnet. AlBeMet^® 162 bezeichnet 62 Gew.-% Beryllium mit dem Rest Aluminium.

Der Elastizitätsmodul einer Beryllium-Aluminium-Legierung liegt im Bereich von etwa 150 bis 200 GPa, wobei 62% Beryllium einen Elastizitätsmodul von 192 GPa im Vergleich zu 69 GPa für Aluminium oder 120 GPa für Eisen aufweist. Lagerträger mit höherer Festigkeit verringern Verformungen, die während des Motorbetriebs auftreten, und erhöhen daher die Lebensdauer des Teiles durch die Verringerung von Spannungen infolge von Durchbiegung. Ein Lagerträger mit kleinerer Größe aus Beryllium-Aluminium kann infol ge des größeren Elastizitätsmoduls dazu verwendet werden, gleichwertige Spannungen wie bei einem Aluminium- oder Eisenträger zu erreichen.

Die Beryllium-Aluminium-Legierung sieht auch Masseneinsparungen gegenüber einem eisenhaltigen eingesetzten Aluminiumträger oder sogar einem insgesamt aus Aluminium bestehenden Träger vor. Die Dichte kann im Bereich von etwa 2,0 bis etwa 2,3 g/cm³ liegen, wobei 62% Beryllium einer Dichte von 2,10 g/cm³ im Vergleich zu 7,25 g/cm³ für Eisen oder sogar 2,71 g/cm³ für Aluminium aufweist.

Wie in 2 gezeigt ist, ist der untere Lagerträger 34 als Teil des Kurbelgehäuses 22 durch Eingießen des unteren Lagerträgers beim Giessen der Kurbelgehäuse integriert. Geschmolzenes Aluminium oder eine andere Leichtmetalllegierung, wie beispielsweise Magnesium, fließt um den Beryllium-Aluminium-Lagerträger 34 herum. Der Lagerträger 34 wird durch das schrumpfende Aluminium an der Stelle gehalten, wenn sich das Kurbelgehäuse 22 verfestigt, wodurch dazwischen eine mechanische Verbindung und eventuell eine metallurgische Verbindung zwischen dem Lagerträger und dem Kurbelgehäuse erzeugt wird. Eine derartige metallurgische Verbindung kann zwischen einem eisenhaltigen Lagerträger und einem Aluminiumkurbelgehäuse nicht erreicht werden und man ist stattdessen nur auf eine mechanische Verbindung angewiesen.

Anstelle des Bohrens der oberen Lagerfläche der Kurbelwellenbohrung direkt in den Motorblock 12 kann ein oberer Lagerträger 44 verwendet werden, wie in 2 gezeigt ist. Ähnlich den unteren Lagerträgern 34, die oben beschrieben sind, kann der obere Lagerträger 44 ein separater Lagereinsatz sein, der in dem Motorblock 12 angeordnet oder einstückig mit dem Block gegossen ist. Wenn ein oberer Lagerträger 44 verwendet wird, ist es vorzuziehen, diesen aus derselben Beryllium-Aluminium-Legierung zu formen, die für den unteren Lagerträger 34 verwendet wurde. Dieses sieht eine weitere Abmessungsstabilität der Kurbelwellenbohrung 40 vor. Es kann auch zur Festigkeit beitragen, aber die zusätzliche Festigkeit ist normalerweise nicht erforderlich, da die Kräfte der Verbrennung die Kurbelwelle abwärts drücken.

Zusammengefasst umfasst ein Verbrennungsmotor einen Motorblock aus Aluminiumlegierung, der Kolben in Zylindern umfasst und eine Unterseite aufweist, die eine obere halbkreisförmige Lagerfläche umfasst. Ein unterer Lagerträger weist eine untere halbkreisförmige Lagerfläche auf, die die obere halbkreisförmige Lagerfläche in dem Motorblock ergänzt, um eine Kurbelwellenbohrung zu definieren, die eine eisenhaltige Kurbelwelle drehbar lagert. Der untere Lagerträger ist aus einer einzelnen Beryllium-Aluminium-Legierung mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten hergestellt, der mit dem einer eisenhaltigen Kurbelwelle vergleichbar ist, um einen konsistenten Spielraum zwischen dem unteren Lagerträger und der Kurbelwelle zu unterstützen. Eine derartige Beryllium-Aluminium-Legierung kann aus etwa 60–65 Gew.-% Beryllium und dem Rest Aluminium bestehen.

Claims

Verbrennungsmotor mit: einem Motorblock aus Aluminiumlegierung, der Kolben in Zylindern umfaßt und eine untere Seite mit einer oberen halbkreisförmigen Lagerfläche aufweist; einer eisenhaltigen Kurbelwelle; einem unteren Lagerträger. mit einer unteren halbkreisförmigen Lagerfläche, die die obere halbkreisförmige Lagerfläche in dem Motorblock ergänzt, um eine Kurbelwellenbohrung zu definieren und damit die eisenhaltige Kurbelwelle drehbar zu lagern, und wobei der untere Lagerträger vollständig aus einer Beryllium-Aluminium-Legierung besteht, die einen Wärmeausdehnungskoeffzienten aufweist, der mit dem der eisenhaltigen Kurbelwelle vergleichbar ist, um einen konsistenten Spielraum zwischen dem unteren Lagerträger und der Kurbelwelle während des Motorbetriebs zu unterstützen.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei der untere Lagerträger aus Beryllium-Aluminium-Legierung aus zumindest 40 Gew.-% Beryllium besteht.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, wobei der untere Lagerträger aus Beryllium-Aluminium-Legierung aus etwa 60–65 Gew.-% Beryllium besteht und der Rest im Wesentlichen reines Aluminium ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, wobei der Lagerträger aus Beryllium-Aluminium-Legierung die folgenden Eigenschaften aufweist: (a) einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 13 bis 16 × 10^–6/K, (b) einen Modul von etwa 150 bis 200 GPa, und (c) eine Dichte von etwa 2,0 bis 2,3 g/cm³.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 3 mit einem Kurbelgehäuse, das an der Unterseite des Motorblockes befestigt ist, und wobei der untere Lagerträger einstückig mit dem Kurbelgehäuse gegossen ist.
Verbrennungsmotor mit: einem Motorblock aus Aluminiumlegierung, der Kolben in Zylindern umfaßt und eine untere Seite aufweist, die einen oberen Lagerträger mit einer oberen halbkreisförmigen Lagerfläche umfaßt; einer eisenhaltigen Kurbelwelle; einem unteren Lagerträger mit einer unteren halbkreisförmigen Lagerfläche, die die obere halbkreisförmige Lagerfläche in dem oberen Lagerträger ergänzt, um eine Kurbelwellenbohrung zu definieren und die eisenhaltige Kurbelwelle drehbar zu lagern, und wobei die oberen und unteren Lagerträger aus einer Beryllium-Aluminium-Legierung bestehen, die einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der mit dem einer eisenhaltigen Kurbelwelle vergleichbar ist, um einen konsistenten Spielraum zwischen den oberen und unteren Lagerträgern und der Kurbelwelle zu unterstützen.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 6, wobei die Lagerträger aus Beryllium-Aluminium-Legierung aus zumindest 40 Gew.-% Beryllium bestehen.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 7 mit einem Kurbelgehäuse, das an der unteren Seite des Motorblockes befestigt ist, und wobei der untere Lagerträger einstückig mit dem Kurbelgehäuse gegossen ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 8, wobei der obere Lagerträger einstückig mit dem Motorblock gegossen ist.