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Die
Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des
Oberbegriffs des Anspruches 1.
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Aus
der
DE 42 07 991 A1 ist
eine Zweitakt-Brennkraftmaschine bekannt, bei der der Triebwerksraum
von der Ölwanne
getrennt ist. Um ein Übertreten
von Schmieröl
aus den Hauptlagern in den Triebwerksraum zu verhindern, ist auf
den Lagerzapfen zwischen dem Hauptlager der Kurbelwelle und der
Kurbelwange eine Labyrinthdichtung vorgesehen. Auf diese Weise gelangt
aus dem Hauptlager austretendes Schmieröl direkt in die Ölwanne.
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Aus
der
DE 199 23 739
A1 und der
DE
199 23 740 A1 ist jeweils eine Gleitlagereinheit für eine Kurbelwelle
einer Brennkraftmaschine bekannt, bei der ein Austreten des Schmieröls aus dem
Hauptlager in das Kurbelgehäuse
durch eine axiale Dichteinrichtung zwischen der Lagerschale beziehungsweise dem
Gehäuse
und der Kurbelwange der Kurbelwelle verhindert werden soll.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine verbesserte Abdichtung der Gleitlager
der Hauptlager der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine bereit zu
stellen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit einer Kurbelwelle
und mindestens einem Hauptlager mit den Merkmalen des Anspruches 1
gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit
einem Kurbelgehäuse
insbesondere aus einer Leichtmetalllegierung, das einen Lagerstuhl
aufweist zur Lagerung einer Kurbelwelle, die von einem Lagerdeckel
gehalten wird, und um deren Hauptlagerzapfen eine mehrteilige Gleitlagerschale
angeordnet ist, zeichnet sich dadurch aus, dass im Lagerstuhl, im
Lagerdeckel und/oder im Hubzapfen ein Abdichtring angeordnet ist.
Der Abdichtring ist in unmittelbarer Nähe zu den Gleitlagerschalen
angeordnet und umfasst den Hubzapfen der Kurbelwelle radial zumindest
teilweise. Der Abdichtring kann auch direkt in den Gleitlagerschalen
angeordnet sein und beispielsweise als vormontierte Baugruppe in
den Lagerstuhl und Lagerdeckel eingesetzt werden.
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Eine
Brennkraftmaschine ist hohen Temperaturschwankungen unterworfen.
Ein Kurbelgehäuse einer
Brennkraftmaschine aus einer Leichtmetalllegierung dehnt sich bei
Erwärmung
stärker
aus als beispielsweise eine Kurbelwelle aus Stahl. Durch diese stärkere Wärmedehnung
vergrößert sich
bei Erwärmung
das Lagerspiel zwischen der Kurbelwelle und dem Hauptlagerstuhl,
der üblicherweise
mit dem Kurbelgehäuse
zusammen aus Leichtmetall gegossen ist. Oft ist der Lagerdeckel,
der die Kurbelwelle im Hauptlagerstuhl drehbeweglich hält, ebenfalls
aus Leichtmetall hergestellt, wodurch sich bei Erwärmung das
Lagerspiel im Kurbelwellenhauptlager nochmals vergrößert.
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Da
bei sehr tiefen Temperaturen beim Kaltstart der Brennkraftmaschine
ein ausreichender Schmierspalt vorhanden sein muss, wird bei Erwärmung der
Brennkraftmaschine der Schmierspalt zwangsläufig größer und erreicht unter Umständen ein
Maß, das
für die
Schmierung der Kurbelwellenlagerung gefährlich ist. Bei einem zu großen Schmierspalt
tritt das Schmiermittel seitlich aus dem Lager aus und es kann sich
kein tragfähiger
Schmierfilm bilden, so dass es zu Lagerschäden kommen kann. Eine Vergrößerung der
Schmiermittelzufuhr zum Lager, um ausreichend Schmiermittel im Schmierspalt
zur Verfügung
zu haben, ist mit einer erhöhten
Leistungsaufnahme der Schmiermittelpumpe verbunden. Am besten ist
es, bei thermisch bedingtem vergrößertem Lagerspiel die Gleitlager
seitlich abzudichten, um dadurch den Schmiermittelabfluss zu verhindern
oder zumindest stark zu verringern und um jederzeit eine ausreichende
Schmiermittelmenge innerhalb des Gleitlagers zu Verfügung zu
haben. Dies geschieht durch einen Abdichtring, der um den Hubzapfen
radial dichtend angeordnet ist. Dieser Abdichtring ist entweder
im Lagerstuhl, im Lagerdeckel, auf beiden Teilen oder in den Lagerschalen
befestigt. Der Abdichtring kann ebenfalls im Hubzapfen angeordnet
sein.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Abdichtring in einer Nut
im Lagerstuhl und/oder im Lagerdeckel angeordnet. Auf diese Weise
kann der Abdichtring in ähnlicher
Weise wie ein Kolbenring mit einer leichten Vorspannung um den Hauptlagerzapfen
der Kurbelwelle angeordnet werden und den Spalt zwischen dem drehenden
Hauptlagerzapfen und den feststehenden Bauteilen überbrücken und abdichten.
Der Abdichtring ist um den Hauptlagerzapfen und in der Nut frei
drehbar angeordnet. Eine Nut ist relativ einfach und kostengünstig im
Lagerstuhl und/oder im Lagerdeckel zum Beispiel durch Ausdrehen
oder Fräsen
im Zuge der Hauptlagerbearbeitung herzustellen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Abdichtring
einen Wärmeausdehnungskoeffizienten
auf, der höchstens
so groß ist
wie der Wärmeausdehnungskoeffizient
der Kurbelwelle. Auf diese Weise bleibt der Abstand zwischen dem Abdichtring
und der Kurbelwelle bei verschiedenen Temperaturen immer gleich.
Im Idealfall ist dieser Abstand nahezu null und die beiden Bauteile
gleiten über
einen Schmierfilm dichtend aneinander. Bei einer Stahlkurbelwelle
ist der Abdichtring aufgrund der Forderung nach einem gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
und wegen einer einfachen und kostengünstigen Herstellung ebenfalls
aus Stahl oder Grauguss.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Abdichtring in einer Nut
im Grundzapfen angeordnet. Ebenso wie der Abdichtring im Lagerstuhl
oder Lagerdeckel gelagert sein kann, ist es möglich, den Abdichtring im Grundzapfen
zu lagern. Um eine Schwächung
des Grundzapfens zu vermeiden, ist es vorteilhaft, die Nut nur mit
einer geringen Tiefe auszuführen oder
dadurch eine Nut auf dem Grundzapfen zu erzeugen, dass zwei Ringe
mit geringem Abstand um den Grundzapfen angeordnet sind, wobei durch
den Abstand eine Nut gebildet wird. Bei einer Lagerung des Abdichtringes
in einer Nut im Grundzapfen gleitet der Abdichtring mit kleinstmöglichen
Abstand über eine
Dichtfläche
im Lagerstuhl und im Lagerdeckel oder über eine Fläche der Lagerschalen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Abdichtring
einen Wärmeausdehnungskoeffizienten
auf, der mindestens so groß ist wie
der Wärmeausdehnungskoeffizient
des Lagerstuhls und/oder des Lagerdeckels. Auf diese weise wird
zuverlässig
verhindert, dass der kleine Spalt zwischen dem Abdichtring einerseits
und dem Lagerstuhl und dem Lagerdeckel andererseits sich bei Erwärmung der
Brennkraftmaschine nicht vergrößert und
dadurch ein unwirtschaftlich hoher Schmiermitteldurchsatz entsteht.
Bei einer Ausführung
des Abdichtringes aus dem gleichen Werkstoff wie der Lagerstuhl
oder der Lagerdeckel, wie beispielsweise einer Leichtmetalllegierung,
ist auf einfache Weise ein gleicher Wärmeausdehnungskoeffizient gegeben.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist. der Abdichtring
jeweils in einer Nut im Grundzapfen, Lagerstuhl und Lagerdeckel
angeordnet. Bei einer derartigen Anordnung erfolgt die Abdichtung über den
Abdichtring in axialer Richtung an den seitlichen Wänden der
jeweiligen Nuten.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Abdichtring halbkreisförmig und
einstückig
in einer Nut im Lagerstuhl angeordnet. Eine vereinfachte Ausführung der
Erfindung ist bei einem Kurbelgehäuse mit Lagerstuhl aus einer
Leichtmetalllegierung in Verbindung mit einem Lagerdeckel aus einem
Eisenwerkstoff, wie beispielsweise Grauguss oder Stahl, in der Form
möglich,
dass nur im Lagerstuhl eine Nut mit einem Abdichtring vorgesehen ist.
Da der Lagerdeckel sich ähnlich
wie die Kurbelwelle ausdehnt, ist im diesem Falle am Lagerdeckel keine
Abdichtvorrichtung notwendig. Das Einlegen eines halbkreisförmigen Abdichtringes
in eine Nut im Lagerstuhl oder der oberen Lagerschale ist eine einfache
und kostengünstige
Möglichkeit,
einen hohen Schmiermitteldurchsatz durch die Hauptlager bei wärmebedingtem
Lagerspiel zu vermeiden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung besteht der Abdichtring
aus einem metallischen Torus mit annähernd rechteckigem Querschnitt.
Eine gute Abdichtung wird ähnlich
wie bei Kolbenringen dadurch erzielt, dass der Abdichtring einen
annähernd
rechteckigen Querschnitt aufweist. Die Kontaktfläche zwischen Abdichtring und
Hauptlagerzapfen der Kurbelwelle kann parallel, leicht geneigt oder ballig ausgeführt sein,
um bei minimaler Reibung eine gute Abdichtung zu erzielen. Die drei
Begrenzungsflächen
des Abdichtringes, die ganz beziehungsweise teilweise in der Nut
im Lagerstuhl und/oder im Lagerdeckel oder in den Lagerschalen eingesenkt
sind, stehen zur jeweiligen Nachbarfläche senkrecht und bilden mit
der Kontaktfläche
im Querschnitt durch den Abdichtring ungefähr ein Rechteck.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung besteht der Abdichtring
aus einer Stützstruktur und
einer abdichtenden Kunststoffkante. In diesem Falle ist die Stützstruktur
beispielsweise aus Stahl oder einem anderen Werkstoff mit einem
Wärmeausdehnungskoeffizienten
wie Stahl hergestellt und ist in einer Nut im Lagerstuhl und/oder
Lagerdeckel oder den Lagerschalen angeordnet. Die abdichtende Kunststoffkante
ist fest mit der Stützstruktur
beispielsweise durch Anvulkanisieren oder Anspritzen des Kunststoffes
verbunden und dichtet ähnlich
wie ein Radialwellendichtring gegen den Hauptlagerzapfen ab.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der metallische Abdichtring
in einem Kunststoffbett in der Nut angeordnet. Der metallische Abdichtring
kann in die mit Kunststoff gefüllte
Nut geklebt, einvulkanisiert oder nur eingesteckt sein und wird
von dem Kunststoff gehalten. Bei einer Erwärmung der Brennkraftmaschine
bzw. der Lagerung der Kurbelwelle dehnt sich der Kunststoff in der
Nut stärker
aus, als die umgebenden Metallbauteile wie Lagerstuhl, Lagerdeckel
oder Hauptlagerzapfen. Durch diese Wärmedehnung wird der Abdichtring
aus der Nut und gegen das gegenüberliegende
Bauteil gedrückt.
Auf diese Weise wird mit zunehmender Erwärmung ein ungefähr gleichbleibender
Dichtspalt zwischen der Welle einerseits und dem Lagerstuhl und
Lagerdeckel andererseits erreicht und der Schmiermitteldurchfluss
wird nicht erhöht.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung besteht der Abdichtring
aus mehreren über
den Umfang verteilten Teilabschnitten. Ein über den Umfang geteilter Abdichtring
lässt sich
einfach durch Einstecken der Teilabschnitte in die Nut herstellen. So
ist es beispielweise möglich,
den Abdichtring in zwei Teilabschnitte zu jeweils 180° Umfang um
den Hauptlagerzapfen zu teilen. Es ist auch möglich, den gesamten Umfang
in eine beliebige Zahl von Teilabschnitten zu teilen. Beim Aufteilen
in zwei gleiche Teilabschnitte hat man den Vorteil weniger Einzelteile,
einer wenig aufwändigen
Montage und der Abdichtring ist nur an zwei Stoßfugen unterbrochen. Vorteilhafterweise
wird bei der Aufteilung des Abdichtringes in zwei Teilabschnitte
jeweils ein Teilabschnitt in einer Nut des Lagerstuhles und ein
zweiter Teilabschnitt in einer Nut des Lagerdeckels oder in den
Nuten einer oberen und unteren Lagerschale angeordnet. Das ermöglicht eine
gewisse Vormontage des Abdichtringes außerhalb der Brennkraftmaschine.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Abdichtring
an Enden seiner Teilabschnitte in tangentialer Richtung elastische
Elemente auf. Mittels elastischer Elemente zum Beispiel in Form
von federnden Enden oder einer an den Enden verdickten Kunststoffkante
lässt sich
die Lücke
an den Stoßfugen
zwischen zwei Teilabschnitten des Abdichtringes überbrücken und somit eine Dichtfunktion über den
gesamten Umfang erreichen.
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Weitere
Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung
sowie den Zeichnungen. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 einen
erfindungsgemäßen Abdichtring in
einem Lagerstuhl und Lagerdeckel in einem Längsschnitt,
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2 einen
erfindungsgemäßen Abdichtring in
einem Lagerstuhl und einem Lagerdeckel in einem Querschnitt,
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3 einen
erfindungsgemäßen Abdichtring in
einem Lagerstuhl in einem Längsschnitt,
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4 einen
erfindungsgemäßen Abdichtring in
einem Lagerstuhl in einem Querschnitt,
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5 einen
erfindungsgemäßen Abdichtring mit
einem Kunststoffbett in der Nut in einem Lagerstuhl und einem Lagerdeckel
in einem Längsschnitt,
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6 einen
erfindungsgemäßen Abdichtring in
einer Nut im Hauptlagerzapfen in einem Längsschnitt und
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7 einen
erfindungsgemäßen Abdichtring in
einem Kunststoffbett in einer Nut im Hauptlagerzapfen in einem Längsschnitt.
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In 1 ist
schematisch ein Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Abdichtring 1 gezeigt,
wobei dieser in einem Lagerstuhl 2 und einem Lagerdeckel 3 eingesetzt
ist. Ein Hauptlagerzapfen 4 einer nicht näher gezeigten
Kurbelwelle ist gestrichelt dargestellt. Der Hauptlagerzapfen 4 stellt
zusammen mit dem Lagerstuhl 2 und dem Lagerdeckel 3 ein Hauptlager 5 einer
nicht näher
gezeigten Brennkraftmaschine dar. Im Lagerstuhl 2 ist eine
Bohrung 6 zur Schmiermittelzufuhr in den Schmierspalt 7 vorgesehen.
Der Schmierspalt 7 wird durch den Lagerstuhl 2, den
Lagerdeckel 3 und den Hauptlagerzapfen 4 gebildet.
Jeweils eine Gleitlagerschale ist fest im Lagerstuhl 2 und
Lagerdeckel 3 angeordnet und in dieser und den anderen
Figuren nicht als separates Bauteil eingezeichnet. Um den übermäßigen und
vorzeitigen Abfluss von Schmiermittel aus dem Schmierspalt 7 zu
verhindern, ist beiderseits des das eigentliche Gleitlager bildenden
Schmierspaltes 7 ein Abdichtring 1 vorgesehen.
Der Abdichtring 1 ist in einer Nut 10 im Lagerstuhl 2 und
Lagerdeckel 3 angeordnet.
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Die
Kurbelwelle und damit der Hauptlagerzapfen 4 ist im Allgemeinen
aus Stahl hergestellt. Wenn zugleich der Lagerstuhl 2 und/oder
der Lagerdeckel 3 aus einer Leichtmetalllegierung, insbesondere
einer Aluminiumlegierung hergestellt sind, kommt es bei unterschiedlichen
Temperaturen aufgrund der unterschiedlichen Wärmedehnungen der Bauteile zu
sich bei Temperaturschwankungen ändernden
Schmierspalten 7. Die Bauteile Lagerstuhl 2, Lagerdeckel 3 und
Hauptlagerdeckel 4 werden so zueinander toleriert, beziehungsweise
im Durchmesser klassifiziert, dass bei sehr tiefen Temperaturen,
wie Kaltstart im Winter, noch ein ausreichender Schmierspalt 7 vorhanden
ist und die Kurbelwelle nicht klemmt. Bei hohen Betriebstemperaturen,
wie sie bei Volllast auftreten und die um 100°C bis 120°C über den Kaltstarttemperaturen
liegen, entsteht aufgrund der unterschiedlich großen Wärmedehnung
der Bauteile unter Umständen
ein unerwünscht
großer
Schmierspalt 7. Um einen zu großen Schmiermittelverlust zu
vermeiden, sind die Abdichtringe 1 vorgesehen. Ohne die
Abdichtringe 1 müsste eine
wesentlich größere Schmiermittelpumpe
für größere Schmiermittelmengen
vorgesehen werden. Wegen der Abdichtringe 1 kann das Schmiermittel
nicht sofort abfließen
und es bleibt ein tragfähiger Schmierfilm
zwischen dem Hauptlagerzapfen 4 und dem Lagerstuhl 2 und
Lagerdeckel 3 erhalten.
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Der
Abdichtring 1 ist als Torus mit rechteckigem Querschnitt
ausgeführt
und liegt mit seinem Innendurchmesser mit einer sehr geringen Vorspannung
um den Hauptlagerzapfen 4. Eine Abdichtung erfolgt über die
Vorspannung oder über
ein ähnliches Wirkprinzip
wie bei Kolbenringen gegenüber
einer Zylinderlaufbahn. Das Schmiermittel aus der Lagerstelle drückt den
Abdichtring 1 nach außen,
fließt seitlich
vorbei an den Außendurchmesser
des Abdichtringes in die Nut 10 und drückt den Abdichtring nach innen
in Richtung das Hauptlagerzapfens 4.
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In 2 ist
ein Abdichtring 1 in einem Lagerstuhl 2 und einem
Lagerdeckel 3 in einem Querschnitt gezeigt. Aus Gründen der
Montierbarkeit ist der Abdichtring 1 in zwei Teile aufgeteilt,
die jeweils etwa 180° des
Unfangs abdecken. Der Abdichtring 1 ist an den Enden 8 der
beiden Teilabschnitte mit federnden oder elastischen Strukturen
versehen, um einen Spalt 9 zwischen den Teilabschnitten
sicher zu schließen.
In der 2 ist der Spalt 9 zur Verdeutlichung
vergrößert dargestellt,
in eingebautem Zustand ist er erfindungsgemäß geschlossen.
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In 3 ist
ein Abdichtring 1 in einem Lagerstuhl 2 in einem
Längsschnitt
dargestellt. Falls bei einer Brennkraftmaschine nur der Lagerstuhl 2 nicht
jedoch der Lagerdeckel 3 aus einer Leichtmetalllegierung
hergestellt sind, ist es nicht erforderlich, eine unterschiedliche
Wärmedehnung
zwischen Hauptlagerzapfen 4 und Lagerdeckel 3 auszugleichen.
In diesem Falle ist ein Abdichtring 1 im Lagerstuhl 2 ausreichend,
um eine ausreichende Schmiermittelversorgung und Schmierfilm im
Gleitlager sicherzustellen. Entsprechend ist nur im Lagerstuhl 2 eine
Nut 10 vorgesehen.
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In 4 ist
der Abdichtring 1 in einem Lagerstuhl 2 aus 3 in
einem Querschnitt dargestellt. Der Hauptlagerzapfen 4 ist
in einem Lagerstuhl 2 aus Leichtmetall und einem Lagerdeckel 3 aus
einem Eisenwerkstoff wie beispielsweise Grauguss gelagert. Um die
Differenz der in der Wärmedehnung
zu überbrücken ist
im Lagerstuhl 2 ein Abdichtring 1 angeordnet.
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In 5 ist
ein Abdichtring 1 mit einem Kunststoffbett 11 in
der Nut 10 in einem Lagerstuhl 2 und einem Lagerdeckel 3 in
einem Längsschnitt
dargestellt. Der metallische Abdichtring 1 ist in der trapezförmigen Nut 10 in
Kunststoff eingebettet. Die trapezförmige Nut 10 ist so
gestaltet, dass der Nutgrund breiter ist als die Oberkante der Nut,
wodurch bei einem ungefähr
rechteckigen Abdichtring 1 im Nutgrund wesentlich mehr
Kunststoff um den Abdichtring angeordnet ist als an der Oberkante.
Bei einer Erwärmung
der Brennkraftmaschine dehnen sich der Lagerstuhl 2 und
der Lagerdeckel 3, die aus einer Leichtmetalllegierung
hergestellt sind, stärker
aus als der Hauptlagerzapfen 4 der stählernen Kurbelwelle. Der Kunststoff
des Kunststoffbettes 11 dehnt sich stärker aus als das ihn umgebende
Leichtmetall und drückt
dadurch den Abdichtring 1 teilweise aus der Nut 10.
Auf diese Wiese ist ein Anliegen des Abdichtringes 1 am
Hauptlagerzapfen 4 in allen Temperaturbereichen gewährleistet
und ein übermäßiger Öldurchfluss
verhindert.
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In 6 ist
ein Abdichtring 1 in einer Nut 10 im Hauptlagerzapfen 4 gezeigt.
Der Abdichtring 1 weist einen ungefähr gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
auf wie der Lagerstuhl 2 und der Lagerdeckel 3.
Dadurch ist bei einer Erwärmung
der Brennkraftmaschine immer ein Anliegen des Abdichtringes 1 am
Lagerstuhl 2 und Lagerdeckel 3 gewährleistet.
Durch den Druck des Schmiermittels aus dem Schmierspalt 7 wird
der Abdichtring 1 nach außen gedrückt und dichtet auf diese Weise
gegen die äußere Seitenfläche der
Nut 10 ab.
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In 7 ist
ein Abdichtring 1 in einem Kunststoffbett 11 in
einer Nut 10 im Hauptlagerzapfen 4 gezeigt. Diese
Ausführungsform
ist eine Kombination eines Abdichtringes 1, der in einer
Nut 10 im Hauptlagerzapfen 4 angeordnet ist, mit
der Ausführung
gemäß 5,
bei der der Abdichtring 1 in einem Kunststoffbett 11 angeordnet
ist.