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Diese
Erfindung betrifft flüssigkeitsgeschmierte
Gleitlager und insbesondere Lager mit strukturierter Oberfläche für verbesserte
Belastbarkeits- und verbesserte Schmiermittelrückhalteeigenschaften.
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WO 2004/063533 erläutert näher die
Vorteile von Laseroberflächenstrukturierung
(LST, vom engl. Laser Surface Texturing) von Lagerflächen zur
Verbesserung der Leistung von Flüssigkeitsfilmlagern. Die
Offenbarung betrifft im Einzelnen Axiallager, ist aber gleichermaßen auf
Radiallager anwendbar, wie sie zum Lagern der Pleuelstangen und
Kurbelwelle in Verbrennungsmotoren eingesetzt werden.
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Die
hierin durch Erwähnung
aufgenommene obige Offenbarung lehrt, wie durch Bilden von Mikroporen
in den gegenüberliegenden
Flächen
des Lagers Taschen hohen Drucks in dem Ölfilm erzeugt werden. Dieser
hohe Druck dient zum Auseinanderdrücken der Lagerflächen, was
zu vermindertem Verschleiß und
auch zu verminderten Reibwerten führt.
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Zum
Herstellen der Taschen, die die Strukturierung der Fläche bilden,
werden Laser verwendet. Die Taschen können daher sehr präzis angeordnet werden,
und ihre Form, Größe und Dichte
können
gut gesteuert werden.
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Ölfilmlager
erfordern ein ständiges
Nachfüllen
des Öls,
da der Lastdruck auf die Lager das Öl zwischen den gegenüberliegenden
Flächen
des Lagers heraus zu pressen pflegt. Daher wird Öl in das Lager gepumpt, um
zwischen den Lagerflächen
einen hohen Druck zu erhalten. Durch Senken der Rate, bei der Öl aus dem
Lager ausgestoßen
wird, würde
auch die Last auf den Zufuhrsumpf fallen. Dies würde die Verwendung einer kleineren Ölpumpe ermöglichen
und die Pumpverluste reduzieren, die ein die Pumpe antreibender
Motor überwinden
muss.
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Mit
diesem Ziel vor Augen gibt die vorliegende Erfindung ein flüssigkeitsgeschmiertes
Gleitlager an die Hand, welches umfasst: gegenüberliegende und relativ bewegliche
erste und zweite Lagerflächen sowie
einen Flüssigkeitsdurchlass
in einer der Flächen,
um Flüssigkeit
zwischen den Flächen
strömen zu
lassen, wobei mindestens eine der Flächen strukturiert ist, um Bereiche örtlich begrenzten
höheren Drucks
in der Flüssigkeit
zu erzeugen, so dass die auf die Flüssigkeit wirkende relative
Bewegung einen Druck erzeugt, der die Lagerflächen auseinanderpresst, dadurch
gekennzeichnet, dass eine strukturierte Fläche längliche Taschen umfasst, die
jeweils zu der Richtung der relativen Bewegung der Lagerflächen so
geneigt sind, dass die Flächen
schmierende Flüssigkeit
weg von den Kanten und hin zur Mittellinie des Lagers gelenkt wird.
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Beide
Flächen
können
strukturiert sein.
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Vorteilhafterweise
kann die Strukturierung beider Flächen längliche Taschen umfassen, die
jeweils eine von einer Kante hin zur Mittellinie des Lagers und
in Richtung von Flüssigkeitsströmen im Verhältnis zu
jeder der jeweiligen Flächen
weisende Längsachse
aufweisen.
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Bevorzugt
sind benachbart zu beiden Kanten, die sich an gegenüberliegenden
Seiten der Mittellinie des Lagers befinden, angeordnete Taschen an
der Mittellinie verbunden, um in die Richtung von Flüssigkeitsströmen weisende
keilförmige
Taschen zu bilden.
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Vorteilhafterweise
werden die Taschen durch einen Laser hergestellt.
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Alternativ
werden die Taschen durch eine mechanische Presse hergestellt.
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Als
weitere Option können
die Taschen mit Hilfe einer strukturierten Walze geprägt werden.
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In
einer bevorzugten Ausführung
können
angrenzend an die Mittellinie des Lagers sekundäre Taschen vorgesehen werden.
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Weiterhin
können
bevorzugt die sekundären Taschen
von länglicher
Form sein und eine Längsachse
im Wesentlichen senkrecht zur Mittellinie des Lagers aufweisen.
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Bevorzugt
ist die verwendete Flüssigkeit Öl.
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Nun
wird die Erfindung weiter beispielhaft unter Bezug die Begleitzeichnungen
und wie in diesen dargestellt beschrieben. Hierbei zeigen:
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1 eine
Draufsicht auf eine Lagerfläche, wobei
sie die durch eine erfindungsgemäße Ausführung beschriebenen
Taschen zeigt,
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2 ebenfalls
eine Draufsicht auf eine Lagerfläche,
wobei sie keilförmige
Taschen nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführung zeigt,
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3 eine
vergrößerte Ansicht
des in 1 mit A bezeichneten gestrichelten Kreises,
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4 eine
Draufsicht auf eine herkömmliche Lagerfläche, die
die örtlich
begrenzte Bewegung von Öl
zeigt,
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5 eine
Draufsicht auf die Lagerfläche von 1,
die die örtlich
begrenzte Bewegung von Öl
zeigt,
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6 eine
dreidimensionale Ansicht einer sich drehenden Lagerfläche, die
die gleichen durch die vorliegende Erfindung beschriebenen Taschen zeigt,
und
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7 eine
dreidimensionale Ansicht der Lagerfläche von 1.
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4 zeigt
das herkömmliche
Strömen
von Schmierflüssigkeit,
in diesem Fall Öl
in einem Lager. Gleitlager funktionieren durch in Kontakt bringen
einer Lagerschale aus weicherem Metall mit einem härteren,
meist aus Stahl bestehenden Drehelement mit einer Lagerfläche zum
Drehen im Verhältnis
zur Lagerschale, beispielsweise eine Kurbelwelle, die in einem Lagersitz
eines Kurbelgehäuses
dreht, oder in dem großen
Ende einer Pleuelstange. Öl
wird meist entweder durch die Lagerschale oder durch die Lagerfläche des
Drehelements zugeführt,
um den Raum zwischen den beiden Lagerflächen einzunehmen, damit diese
zueinander gleiten können.
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Unmittelbar
angrenzend an die erste Lagerfläche 10 pflegt
der Ölfilm
aufgrund von Reibung mit der Fläche
stationär
zu sein. Bei zunehmendem Abstand von der Fläche scheren die Schichten des Ölfilms,
was sie zueinander gleiten lässt.
Die entfernteste Ölschicht,
die an die gegenüberliegende
Lagerfläche 26 angrenzt,
ist bezüglich
dieser Fläche
stationär,
bewegt sich aber zu der ersten Lagerfläche 10 am schnellsten.
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Das Öl hat daher über die
Dicke der Lagerfläche
eine mittlere Geschwindigkeit, und die Richtung dieses Öls zur Fläche wird
in jeder Figur durch einen mit 12 bezeichneten Pfeil gezeigt.
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In
den Raum zwischen den Flächen
entlang der Mittellinie des Lagers (in den Figuren als gerade Strichlinie
gezeigt) wird gleich weit von den Außenkanten 18'' entfernt Öl durch eine Ölzufuhröffnung zugeführt, die
durch eine (nicht dargestellte) Ölleitung
versorgt wird. Das Öl
wird durch die Reibung zwischen der sich drehenden Achse (z.B. der
Kurbelwelle) und der angrenzenden Ölschicht und durch Reibung
zwischen angrenzenden Schichten um den Umfang getrieben. Das Öl pflegt
aufgrund des hohen Hydraulikdrucks entlang der Mittellinie der Lagerflächen und
des niedrigen bis nicht vorhandenen Drucks an den Kanten 18'' entlang der Mittellinie des Lagers
und hin zu den Kanten 18'' des Lagers
zu strömen.
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Es
wurde in
WO 2004/063533 gezeigt,
dass Taschen in den Lagerflächen örtlich begrenzte
Bereiche hohen Öldrucks
bewirken, ähnlich
wie sie von der Fläche
eines Golfballs erzeugt werden. Ein höherer Öldruck wird hydrodynamisch
erzeugt, d.h. durch Bewegung des Öls zu der Fläche
10 und
den Taschen
16. Der hohe Druck dient dazu, die Lagerflächen
10 und
26 auseinander
zu pressen, was das Lager besser mit geringerer Reibung arbeiten
lässt.
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In
der vorliegenden Erfindung, die hauptsächlich in 1 gezeigt
wird, hat der Erfinder erkannt, dass die Bereiche höheren Drucks
zusätzlich zu
dem Auseinanderpressen der Lagerflächen zum Mindern des Austretens
von Öl
aus dem Lager verwendet werden können
(siehe 5, vgl. 4). Durch
Verwenden von länglichen
Taschen 14, die hin zur Mittellinie der Lagerfläche 10 (und
in 6 zu 26) „weisen", trifft Öl, das hin zu den Außenkanten 18 der Lagerflächen zu
strömen
neigt, auf einen Bereich hohen Drucks und wird um ihn abgelenkt.
Die Position und Form der Taschen ist von solcher Art, dass es zurück zur Mittellinie
geleitet wird.
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Das
Ergebnis ist, dass ein kleinerer Ölfluss durch das Lager zum
Aufrechterhalten der Trennung zwischen den Lagerflächen genutzt
werden kann, worin die Last an einer Ölpumpe reduziert wird, die zum
Vorsehen einer Ölversorgung
des Lagers verwendet wird.
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3 zeigt
näher den
gestrichelten Kreis in 1, der mit A bezeichnet ist.
Die Pfeile in der Figur zeigen die örtlich begrenzte Bewegung von Öl, wenn es
sich der länglichen
geneigten Tasche 14 nähert. Wie
gezeigt tritt ein Teil des Öls
aus der Lagerfläche 10 von
der Kante 18 aus, doch ein erheblicher Teil wird durch
den der Tasche 14 zugeordneten Bereich hohen Drucks zurück in das Lager
geleitet. Dies ist nur aufgrund der Neigung der Tasche bezüglich der Richtung
des Ölstroms 12 zur
Fläche 10 möglich.
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In 2 zeigt
eine andere Ausführung
die Verwendung von keilförmigen
Taschen 20' zum
Erreichen einer ähnlichen
Wirkung wie bei den Taschen 14 und 16 von 1.
Hier hat der Ölstrom 12 entlang der
Mittellinie der Lagerfläche 10' keine andere
Wahl, als direkt über
die Taschen zu fließen,
wodurch örtlich begrenzte
Bereiche höheren
Drucks erzeugt werden, die die Lagerfläche 10' und die gegenüberliegende Lagerfläche 26 (in
dieser Figur nicht gezeigt) auseinander pressen. Wiederum wird ein
großer
Teil des hin zu den Kanten 18' der Lagerfläche 10' strömenden Öls zurück zur Mittellinie gelenkt.
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Zurück zu der
bevorzugten Ausführung
zeigt 5 klar das schwache Strömen von Öl um die Taschen 14.
Die mittleren Taschen 16 sind hier nicht dargestellt, da
sie das umlaufende Strömen
nicht beeinflussen, sondern lediglich eine radiale Lagerflächen-Trennkraft
ausüben.
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Die 6 und 7 zeigen
die Position der Taschen 14 und 16 in drei Dimensionen.
Diese Figuren zeigen, wie die Taschen an den gebogenen Flächen eingesetzt
werden, die zueinander drehen. 6 zeigt
einen Kurbelwellen-Hauptlagerzapfen 22. Pfeil 24 zeigt
die Richtung der Drehung der Welle. Es ist klar, dass die geneigten
länglichen
Taschen 14 in der Gegenrichtung zu den entsprechenden Taschen
an der Stirnseite der in 7 gezeigten Lagerschale angeordnet
sind. Dies liegt daran, dass die Kurbelwelle 22 die Drehung
vorsieht, was heißt,
dass die mittlere Geschwindigkeit des sie umgebenden Öls aufgrund
des Widerstands an Öl
aus der stationären
Lagerfläche 10a niedriger
als die Drehgeschwindigkeit ist. Somit ist an der Fläche der
Kurbelwelle die Richtung des Ölstroms 12 in
Gegenrichtung zu ihrer Drehung.
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Analog
bleibt in 7 die Lagerschale zum (nicht
dargestellten) Lagersitz des Kurbelgehäusehauptlagers fest. Aufgrund
von Widerstand an der sich drehenden Kurbelwelle ist die durchschnittliche Geschwindigkeit
des Ölstroms
größer als
die der stationären
Lagerfläche 10.
Die Richtung 12 des Ölstroms
zur Lagerfläche 10 ist
daher gleich der Richtung der Kurbelwellendrehung.
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Durch
Anordnen der Taschen 14 und 16 an den gegenüberliegenden
Lagerflächen
in dieser Art und Weise tragen beide Gruppen von Taschen jeweils
zur Senkung von Ölverlust
von den Kanten der Flächen
und zur Senkung der Reibung im Lager durch die Trennkraft bei.