DE102015121974A1

DE102015121974A1 - Lageranordnung für eine Kurbelwelle

Info

Publication number: DE102015121974A1
Application number: DE102015121974.3A
Authority: DE
Inventors: Andreas Misala; Sammy El Daibani
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2015-12-16
Filing date: 2015-12-16
Publication date: 2017-06-22

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung für eine Kurbelwelle (1) eines Hubkolbenmotors, insbesondere für eine Brennkraftmaschine, die mindestens ein erstes Lager (2; 2.1, 2.2) für die Lagerung der Kurbelwelle (1) in einem Kurbelwellengehäuse (6) und mindestens ein zweites Lager (3, 26,27) für die Lagerung eines Pleuels auf der Kurbelwelle (1) aufweist, wobei dem ersten Lager (2; 2.1, 2.2) Schmiermittel, insbesondere Schmieröl, über eine Ölzuführungsvorrichtung/Ölbohrung (7) im Gehäuse (Lagerstuhl 6) zuführbar ist, das über mindestens einen in der Kurbelwelle (1) angeordneten Kurbelwellen-Schmiermittelkanal (24) zur Zufuhr von Schmiermittel zu ggf. weiteren Gehäuselagern (Hauptlager 2) und zu Pleuellagern (3) führbar ist, wobei die Kurbelwellen-Schmiermittelkanäle (24) von der Ölzuführungsvorrichtung/Ölbohrung (7) des ersten Lagers (Hauptlager 2; 2.1, 2.2) auf der jeweils kürzesten Verbindung zu den zu schmierenden weiteren Lagern (2, 3, 26, 27) ausgeführt sind und die Öleintrittsöffnungen in die Kurbelwellen-Schmiermittelkanäle (24) am ersten Lager (2; 2.1, 2.2) im Bereich des Übergangs von Lagerwange (seitliche Flansche 13, 14 am Kurbelwellenlager 4) zur Lagerfläche (5) angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung für eine Kurbelwelle eines Hubkolbenmotors, insbesondere für eine Brennkraftmaschine, die mindestens ein erstes Lager für die Lagerung der Kurbelwellen in einem Gehäuse (so genanntes Hauptlager) und mindestens ein zweites Lager für die Lagerung eines Pleuels (Pleuellager) auf der Kurbelwelle aufweist, wobei dem ersten Lager Schmiermittel, insbesondere Schmieröl, über einen Schmierkanal im Gehäuse zuführbar ist, das über mindestens einen Kurbelwellen-Schmierkanal in der Kurbelwelle zu ggf. weiteren Gehäuselagern (Hauptlagern) und zu Pleuellagern verteilbar ist.
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Lösungen bekannt geworden, die sich in Zusammenhang mit der Zufuhr von Schmieröl zu den einzelnen Lagerstellen einer Kurbelwelle unter Berücksichtigung der durch die Rotation der Kurbelwelle auftretenden Zentrifugalkräfte und Druckveränderungen befassen. So zeigt die CH-Patentschrift 100 019 die Anordnung eines das Gehäusehauptlager mit dem Zentrum der Pleuellager verbindenden Ölkanals, der durch den Kurbelarm der Kurbelwelle geführt wird. Einen ähnlich angeordneten Ölkanal zwischen Hauptlager und Pleuellager offenbart die DE 875 888 .
Die DE 12 167 474 zeigt und beschreibt die Anordnung von achsparallel zur Kurbelwellenachse angeordneten Ölkanälen, die in schräg verlaufende, zum Zentrum der Pleuellager durch die Lagerwangen hindurchgeführte Ölkanäle münden. Ein ähnlicher Verlauf eines Ölkanals zur Versorgung der Pleuellager mit Schmiermittel wird in der DE 10 2009 029 983 A1 offenbart. Ebenfalls achsparallel zur Kurbelwellenachse verlaufende Ölkanäle mit im zentralen Bereich der Pleuellager mündenden Ölaustrittsbohrungen werden in der DE 198 38 225 B4 gezeigt und beschrieben.
Auch in den Dokumenten JP 06 272 707 A , JP 2009 210 051 A und JP 2009-167 805 A wird zur Schmiermittelversorgung der Pleuellager über die Hauptlager die Anordnung von durch die Kurbelwangen in Kurbelwellen geführte Ölkanäle gezeigt.
Neben der Anordnung und dem Verlauf der Ölkanäle in der Kurbelwelle stellt sich das Problem der Abdichtung der Lagerstellen auf der Kurbelwelle gegenüber dem Kurbelgehäuse.
Aufgrund der bei der Serienfertigung von Brennkraftmaschinen angewandten Produktionsweise der Kurbelwellen- bzw. der Pleuellager – einstückige Herstellung als Gussteil, anschließende Teilung zur Weiterbearbeitung und Zusammenfügen der geteilten Teile in der Montage – kommt es einerseits bei der Herstellung aufgrund von unvermeidbaren Herstellungstoleranzen und auch infolge von Temperatureinflüssen sowie andererseits durch beim Betrieb der Brennkraftmaschine auftretende Vibrationen zu einem mehr oder weniger großen Aufklaffen an Verbindungs- bzw. Anlagestellen der Lager und damit ggf. zu unerwünschten Ölleckagen.
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Lösungsvorschlägen bekannt, die sich mit diesen Problematiken befassen. So zeigt und beschreibt die DE-PS 25 02 032 eine Kurbelwellenlagerung im Gehäuse einer Brennkraftmaschine, bei der das Lager der Kurbelwelle mit ringförmigen Gleitflächen gegenüber dem Bund der Kurbelwelle, an dem das Axiallager anliegt, versehen ist.
Aus der DE 28 29 792 C2 ist eine Kurbelwellenlageranordnung bekannt, bei der eine bogenförmige, vorzugsweise halbkreisförmige Lagerscheibe in eine Ausnehmung im Lagergehäuse der Kurbelwelle eingesetzt ist.
Die DE 20 2007 000 591 U1 schlägt vor, zur Vermeidung von Ölleckagen am Hauptlager seitlich austretendes Öl über ein Auffangblech und eine Verbindungsbohrung dem Pleuellager zuzuführen.
In der EP 2 423 521 A1 ist eine Kurbelwellenlagerung mit einem Nadellager offenbart, bei der das Nadellager über einen Lagerkäfig mit seitlich die Axialbewegung begrenzenden Flanschen versehen ist, die gleichzeitig verhindern sollen, dass das Schmieröl aus dem eigentlichen Schmierbereich in das Kurbelwellengehäuse übertritt.
Die US 3 929 394 und die eine ähnliche Konstruktion offenbarende DE 199 23 739 A1 zeigen und beschreiben Gleitlagereinheiten für Kurbelwellen, bei denen separate Lagerschalen für die Lagerung des Kurbelgehäuses mit seitlich konzentrisch angeordneten Flankenteilen angeordnet sind. In diesen Flankenteilen ist zwischen der Lagerschale und den benachbart angeordneten Wangen der Kurbelwelle eine elastische Dicht- bzw. Anpresseinrichtung zur Vermeidung von Ölleckagen vorgesehen. Bei dieser sicherlich hochwirksamen, aber aufwändigen Konstruktion ist es nachteilig, dass aufgrund der Elastizität der Dichteinrichtung Axialbewegungen nicht auszuschließen sind und aus diesem Grund und aufgrund der hohen Belastungen beim Betrieb die Dichteinrichtungen ggf. einem hohen Verschleiß unterworfen sein können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lageranordnung für eine Kurbelwelle eines Hubkolbenmotors, insbesondere für eine Brennkraftmaschine zu schaffen, die äußerst einfach und kostengünstig herzustellen ist und sowohl in Axial- als auch in Radial-Richtung bei geringen Abmessungen eine lagesichere Anordnung gewährleistet, wirkungsvoll für eine optimale Schmiermittelversorgung der einzelnen Lagerstellen sorgt sowie das Austreten von Schmieröl in das Kurbelgehäuse wirksam vermeidet.
Diese Aufgabe wird bei der Lageranordnung für eine Kurbelwelle nach der Erfindung dadurch gelöst, dass die Kurbelwellen-Schmiermittelkanäle von der Ölzuführvorrichtung im ersten Lager (Hauptlager) im Gehäuse auf der jeweils kürzesten Verbindung zu den zu schmierenden weiteren Lagern ausgeführt sind und deren Öleintrittsöffnung in die in der Kurbelwelle angeordneten Schmiermittelkanäle im Bereich des Übergangs von Lagerwange zum Lagerzapfen angeordnet sind.
Für einen optimalen Schmiermittelverlauf und eine ebenfalls optimale Abdichtung gegenüber dem Kurbelgehäuse wird eine besonders zweckmäßige Lösung nach der Erfindung darin gesehen, dass zwischen den seitlichen Flanken der Gehäuse- bzw. der Pleuellager und den seitlichen Flanken des Kurbelwellenlagers im Wesentlichen ringförmige Dichtscheiben aus vorzugsweise gleitfähigem Material eingepasst sind, die an ihren der Lagerfläche des Kurbelwellenlagers gegenüberliegenden Stirnflächen Ölaufnahmeräume bilden.
Der Verlauf der Kurbelwellen-Schmiermittelkanäle von der Eintrittsöffnung an der Lagerstelle des ersten Lagers ist zweckmäßigerweise im Abstand zur Kurbelwellen-Drehachse so zu wählen, dass die Fliehkraftwirkung bei Rotation der Kurbelwelle für den aufzubauenden Schmiermittel-Druck im Kurbelwellen-Schmiermittelkanal und den Transport des Schmiermittels optimal nutzbar ist.
Über die Schmiermittelzufuhr zum ersten Lager können in vorteilhafter Ausgestaltung des Erfindungsgegenstands alle Gehäuselager der Kurbelwelle sowie alle Pleuellager über die Schmiermittelkanäle, die über den Gehäuse-Schmierkanal versorgt werden, vom ersten Lager aus mit Schmiermittel versorgt werden.
Weitere vorteilhafte Merkmale der erfinderischen Lösung sind in den weiteren Unteransprüchen angegeben.
Der besondere Vorteil im Verlauf der Schmiermittelkanäle in der Kurbelwelle bzw. der Anordnung im Bereich des Übergangs von Lagerwange zum Lagerzapfen der jeweiligen Lager ist darin zu sehen, dass diese Öleintrittsöffnungen in die Schmiermittelkanäle in der Kurbelwelle außerhalb der eigentlich belasteten Zonen der Lagerzapfen liegen. Verbunden mit der im Wesentlichen zentral angeordneten Schmiermittelzuführung über die Ölbohrung in der Lagerschale im Gehäuse ist damit eine gleichmäßige und damit optimale Verteilung des Schmiermittels über die gesamte Lagerstelle sichergestellt.
Über die Anordnung der Dichtscheiben zwischen den seitlichen Flanken der Gehäuselager bzw. der Pleuellager und den seitlichen Flanken des Kurbelwellenlagers kommt als besonderer Vorteil hinzu, dass ohne zusätzliche Anordnung von hohem Verschleiß unterliegenden Dichtelementen eine optimale Abdichtung der Lagerstelle gegenüber dem Kurbelgehäuse erreichbar ist. Gleichzeitig können Gehäuselager und Pleuellager mit geringerer Passgenauigkeit und auch ggf. mit geringerer Oberflächengüte ausgeführt werden, da die Toleranzen über die Dichtscheiben ausgeglichen werden können und durch die Dichtscheiben und deren entsprechend ausgewähltes Material die Gleitwirkung deutlich verbessert werden kann. Infolge der optimalen Abdichtung gegenüber dem Kurbelgehäuse sind auch die Druckverhältnisse im Schmiermittel innerhalb der Schmiermittelkanäle in der Kurbelwelle weitgehend konstant, so dass ein gleichmäßiger Schmiermitteltransport erfolgen kann.
In der einzigen Figur der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel zum Erfindungsgegenstand dargestellt. Anhand dieses Ausführungsbeispiels sollen nachfolgend Merkmale, Einzelheiten und Besonderheiten des Gegenstandes der Erfindung näher erläutert werden.
Mit 1 ist eine Kurbelwelle mit vier ersten, sog. Hauptlagern 2 und vier Pleuellagern 3 gezeigt. In der Zeichnung ist lediglich bei den mit Bezugszeichen 2.1 und 2.2 gekennzeichneten Hauptlagern die Lagerung der Kurbelwelle 1 im Kurbelwellengehäuse dargestellt; die übrigen Hauptlager 2 können entsprechend aufgebaut sein. Das Kurbelwellenlager 4 mit seiner Lagerfläche 5 wird dabei umschlossen von einem Lagerstuhl 6. Der Lagerstuhl 6 kann Teil des Kurbelwellengehäuses oder mit einem an diesem angebrachten Support verbunden sein. Über eine Ölzuführvorrichtung/Ölbohrung 7 im Lagerstuhl 6 und eine mit diesem korrespondierend angeordnete, radial im Wesentlichen mittig verlaufende Öleinspeisungsöffnung 23 in einer Lagerschale 22 wird Schmieröl an die Lagerfläche 5 und in bekannter Weise über Schmiermittelkanäle 24 in der Kurbelwelle 1 zu Öffnungen 8 in den übrigen Lagerstellen 2 bzw. 3 geführt. Die in den Öffnungen 8 mündenden Schmiermittelkanäle 24 in der Kurbelwelle 1 sind als Querbohrungen von Lagerstelle zu Lagerstelle auf möglichst kürzestem Weg als Verbindungen zu den Lagerstellen ausgeführt.
Die Lagerung des Hauptlagers 2 im Kurbelwellengehäuse erfolgt in radialer Richtung über die Lagerfläche 5 der Kurbelwelle 1 am Lagerstuhl 6 und über die als Gleitlager ausgeführte Lagerschale 22. Für die Lagerung der Kurbelwelle 1 in axialer Richtung sind nach der Erfindung Dichtscheiben 9 bzw. 10 zwischen den seitlichen Flanken 11 bzw. 12 des Lagerstuhls 6 und den seitlichen Flanken 13 bzw. 14 des Kurbelwellenlagers (Lagerwangen) angeordnet. Die Dichtscheiben 9, 10 erstrecken sich annähernd über die gesamte radiale Abmessung der seitlichen Flanken 13 bzw. 14 des Kurbelwellenlagers.
Diese Dichtscheiben 9 bzw. 10 bilden mit ihren der Lagerfläche 5 des Kurbelwellenlagers 4 gegenüberliegenden Stirnflächen 15 bzw. 16 und den Seitenflächen der Lagerschale 22 Ölaufnahmekammern 15.1 bzw. 16.1 zur Aufnahme von Schmieröl zur Versorgung der Lagerfläche 5, der Anliege- bzw. Gleitflächen der Dichtscheiben 9 bzw. 10 an den Seitenflanken 13 bzw. 14 und über die in den Öffnungen 8 mündenden Schmiermittelkanäle 24 in der Kurbelwelle 1 zur Zuleitung an die anderen Lager 2 bzw. 3 der Kurbelwelle 1.
Die Lagerstühle 6 der Hauptlager 2 wie auch die entsprechenden Lagerschalen der Pleuellager 3 werden im Kraftfahrzeugbau geteilt hergestellt. Entsprechend geteilt hergestellt sind auch die Lagerschalen 22 und die Dichtscheiben 9 bzw. 10. Die Teilung erfolgt jeweils im Wesentlichen in Form von Halbringen.
Lösbar verbindbar im montierten Zustand sind die halbringförmig ausgeführten Dichtscheiben 9 bzw. 10 aus besonders gleitfähigem Material über flanschartige Ansätze an den einander gegenüberstehenden Enden der halbringartig ausgeführten Dichtscheiben (in der Zeichnung nicht dargestellt).
Die Dichtscheiben 9 bzw. 10 können über ihren Umfang verteilt angeordnete, den Flanken 13 bzw. 14 des Kurbelwellenlagers 2 bzw. des Pleuellagers 3 zugewandte Öltaschen zur Schmierung der axialen Gleitflächen aufweisen (in der Zeichnung nicht dargestellt).
Einem Lagerzapfen eines Hauptlagers 2 im in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Pleuellagerzapfen 26 mit einer Lagerfläche 27 für einen nichtdargestellten Pleuel zugeordnet. Die Versorgung der Lagerfläche 27 für einen Pleuel wird über einen in der Kurbelwelle vom Pleuellagerzapfen 26 zum Lagerzapfen des Hauptlagers 2 verlaufende Schmiermittelkanal 24 erreicht, der über den Schmierfilm auf der Lagerfläche 5 bzw. in den Ölaufnahmekammern 15.1 und 16.1 fluidisch mit der Ölzuführvorrichtung/Ölbohrung 7 in Verbindung steht. Der Schmiermittelzulauf zum Schmiermittelkanal 24 erfolgt vorzugsweise im Bereich des Übergangs der seitlichen Lagerwange des Hauptlagers zum Lagerzapfen bzw. zur Lagerfläche 5 über die dort gebildeten Ölaufnahmekammern 15.1 bzw. 16.1 zwischen den Stirnflächen 15 bzw. 16 der Dichtscheiben 9 bzw. 10.
Der Verlauf dieser Schmiermittelkanäle 24 innerhalb der Kurbelwelle 1 von Hauptlager/erstem Lager zu den zu schmierenden weiteren Lagern ist wie gezeigt über die kürzest mögliche Verbindung durch die Kurbelwange ausgeführt.
Die Austrittsöffnung 8 des Schmiermittelkanals 24 an der Lagerfläche 25 des Pleuellagerzapfens 26 kann ebenso wie die Schmiermittelzulauföffnung am Hauptlager im Bereich des Übergangs zwischen Lagerfläche 27 und Seitenwangen des Lagers angeordnet sein und nicht – wie in der Zeichnung gezeigt – im Zentralbereich der Lagerfläche 27 münden.
Bezugszeichenliste

1: Kurbelwelle
2: Hauptlager
3: Pleuellager
4: Kurbelwellenlager
5: Lagerfläche
6: Lagerstuhl
7: Ölzuführvorrichtung/Ölbohrung
8: Öffnung von Schmiermittelkanal 24
9, 10: Dichtscheiben
11, 12: seitliche Flansche an Lagerschale
13, 14: seitliche Flansche an Kurbelwellenlager
15, 16: Stirnflächen von 9, 10
15.1: Ölaufnahmekammer
16.1: Ölaufnahmekammer
22: Lagerschale
23: Öleinspeisungsöffnung in 22
24: Schmiermittelkanal
26: Pleuellagerzapfen
27: Lagerfläche für Pleuel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

CH 100019 [0002]
DE 875888 [0002]
DE 12167474 [0003]
DE 102009029983 A1 [0003]
DE 19838225 B4 [0003]
JP 06272707 A [0004]
JP 2009210051 A [0004]
JP 2009-167805 [0004]
DE 2502032 [0007]
DE 2829792 C2 [0008]
DE 202007000591 U1 [0009]
EP 2423521 A1 [0010]
US 3929394 [0011]
DE 19923739 A1 [0011]

Claims

Lageranordnung für eine Kurbelwelle (1) eines Hubkolbenmotors, insbesondere für eine Brennkraftmaschine, die mindestens ein erstes Lager (Hauptlager 2; 2.1, 2.2) für die Lagerung der Kurbelwelle (1) in einem Kurbelwellengehäuse (Lagerstuhl 6) und mindestens ein zweites Lager (3, 26, 27) für die Lagerung eines Pleuels auf der Kurbelwelle (1) aufweist, wobei dem ersten Lager (2; 2.1, 2.2) Schmiermittel, insbesondere Schmieröl, über eine Ölzuführungsvorrichtung/Ölbohrung (7) im Gehäuse (Lagerstuhl 6) zuführbar ist, das über mindestens einen in der Kurbelwelle (1) angeordneten Kurbelwellen-Schmiermittelkanal (24) zur Zufuhr von Schmiermittel zu ggf. weiteren Gehäuselagern (Hauptlager 2) und zu Pleuellagern (3) führbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurbelwellen-Schmiermittelkanal (24) von der Ölzuführungsvorrichtung/Ölbohrung (7) des ersten Lagers (2; 2.1, 2.2) auf der jeweils kürzesten Verbindung zu den zu schmierenden weiteren Lagern (2, 3, 26, 27) ausgeführt ist, wobei die Öleintrittsöffnung in den Kurbelwellen-Schmiermittelkanal (24) am ersten Lager (2; 2.1, 2.2) im Bereich des Übergangs von Lagerwange (seitliche Flansche 13, 14 am Kurbelwellenlager 4) zur Lagerfläche (5) angeordnet ist.
Lageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der Kurbelwellen-Schmiermittelkanäle (24) von der Eintrittsöffnung für das Schmiermittel an der Lagerstelle des ersten Lagers (2, 5) im Abstand zur Kurbelwellen-Drehachse so festgelegt ist, dass infolge der Fliehkraftwirkung bei Umdrehung der Kurbelwelle (1) der Schmiermittel-Druck bzw. die Förderung von Schmiermittel im Kurbelwellen-Schmierkanal (26) zu den zu schmierenden Stellen unterstützt wird.
Lageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle Gehäuselager (2) der Kurbelwelle (1) sowie alle Pleuellager (3, 27) über die Ölzuführungsvorrichtung/Ölbohrung (7) des ersten Lagers (2) mit Schmiermittel versorgbar sind.
Lageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Gehäuselager (2.1, 2.2) der Kurbelwelle (1) über eine Ölzuführungsvorrichtung/Ölbohrung (7) mit Schmiermittel versorgbar ist.
Lageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung (8) der Kurbelwellen-Schmiermittelkanäle (24) an den mit Schmiermittel zu versorgenden weiteren Lagern (2, 3) im Wesentlichen zentral in der Lagerfläche (5, 27) angeordnet ist.
Lageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung(en) der Kurbelwellen-Schmiermittelkanäle (24) an den mit Schmiermittel zu versorgenden weiteren Lagern (2, 3) im Wesentlichen im Bereich des Übergangs von Lagerfläche (5, 27) zu den Seitenwangen der Lager angeordnet ist bzw. sind.
Lageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den seitlichen Flanken (11, 12) der Gehäuselager (2) bzw. der Pleuellager (3) und den seitlichen Flanken (13, 14) des Kurbelwellenlagers (4) im Wesentlichen ringförmige Dichtscheiben (9, 10) aus vorzugsweise gleitfähigem Material eingepasst sind, die an ihren der Lagerfläche (5) des Kurbelwellenlagers (4) gegenüberliegenden Stirnflächen (15, 16) Aufnahmeräume (15.1 und 16.1) bilden, die mit den Kurbelwellen-Schmiermittelkanälen (24) fluidisch in Verbindung stehen.
Lageranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die im Wesentlichen ringförmigen Dichtscheiben (9, 10) annähernd über die gesamte Radialerstreckung zwischen den seitlichen Flanken (11, 12) der Gehäuselager (2) bzw. der Pleuellager (3) und den seitlichen Flanken (13, 14) des Kurbelwellenlagers (4) gleitend anliegend eingepasst erstreckt sind.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtscheiben (9, 10) geteilt im Wesentlichen halbringförmig ausgeführt sind und über flanschartige Ansätze an ihren jeweilig gegenüberliegenden Enden lösbar verbindbar sind.