-
Die Erfindung betrifft einen Lagerstuhl für eine Kurbelwelle, eine Lagerstuhlanordnung sowie eine Hubkolbenmaschine mit einer Lagerstuhlanordnung.
-
Aus der
DE 10 2005 032 283 B3 ist ein Lager für Verbrennungskraftmaschinen bekannt, welche ein Wälzlager und ein Gleitlager kombiniert. Ein dynamischer Traganteil des Gleitlagers wird durch elastische Verformung der hohl ausgeführten Wälzkörper erreicht, welche bei Erreichen großer Lagerlasten nachgeben. Somit kann das Gleitlager bei sehr hoher radialer Belastung der Lageranordnung Stöße und Spitzenlasten auffangen. Allerdings können hohl ausgeführte Wälzkörper aus Festigkeitsgründen nur in geringem Maße Radialkräfte übertragen und wegen eines sehr hohen Ölvolumenstromes der Gleitlager entstehen an den Wälzkörpern sehr hohe mechanische Verluste durch das Überangebot an Öl.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen Lagerstuhl für eine Kurbelwelle, die mindestens zwei Kurbelwellenzapfen aufweist, wobei der Lagerstuhl ein Gleitlager sowie ein Wälzlager umfasst, wobei die Kurbelwelle mittels des Gleitlagers sowie mittels des Wälzlagers im Lagerstuhl radial lagerbar ist und wobei ein Wälzlagersitz des Wälzlagers eine höhere radiale Elastizität als ein Gleitlagersitz des Gleitlagers aufweist.
-
Mögliche Vorteile der Erfindung sind eine längere Lebensdauer des Wälzlagers und die Verminderung der Gesamtreibung. Ferner lassen sich durch Verwendung einer Elastizität im Wälzlagersitz auch Kugeln als Wälzkörper, anstelle von Rollen verwenden.
-
Die Verwendung von Wälzlagern, insbesondere in Hubkolbenmaschinen und Verbrennungskraftmaschinen, ist ein bekanntes Mittel, um Reibung und somit Verlustleistung in Maschinen zu reduzieren. Im Gegensatz zu Gleitlagern sind Wälzlager jedoch anfälliger für Schmutz und empfindlich gegenüber heterogene Lastprofile mit hohen Lastspitzen. Mit einer Homogenisierung des Lastprofiles, das auf ein Wälzlager in einer Verbrennungskraftmaschine wirkt, kann die gewünschte Lebensdauer und Betriebssicherheit auch für Wälzlager erreicht werden. Insofern kann ein Wälzlager auch in hochdynamischen Maschinen verwendet werden, wenn die besonders hohen Lagerlasten aus dem Lastprofil entfernt werden.
-
Bei Verwendung eines elastischen Wälzlagerstuhles können Grundlasten in einer Verbrennungskraftmaschine durch das Wälzlager und Spitzenlasten durch das Gleitlager aufgenommen werden, wenn sich der Wälzlagerstuhl auf Grund der hohen Spitzenlast verlagern lässt und ein Traganteil des Gleitlagers erhöht wird. Die Verschiebung des elastischen Wälzlagerstuhles erfolgt bei Auftreten eines Laststoßes gerade in dem Maße, dass ein Lagerspiel im Gleitlager auf ein Minimum reduziert wird und ein Schmierfilm im Schmierfilmspalt des Gleitlagers die aufgeprägte Last aufnimmt. Insofern kann das Gleitlager auch mit einem besonders großen Lagerspiel ausgeführt werden, um bei geringen radialen Lagerlasten einen geringen Traganteil aufzuweisen. Geringe radiale Lasten werden folglich hauptsächlich von dem Wälzlager aufgenommen. Die vorstehend beschriebene Anordnung kann auch bei Gleitlagern mit einem Lagerspiel nach dem Stand der Technik, z.B. 40–60 µm, verwendet werden.
-
Ein erfindungsgemäßer Lagerstuhl kann derart ausgebildet sein, dass eine radiale Verlagerung des Wälzlagers unter Einwirkung einer radialen Kurbelwellengrenzkraft größer ist als ein Lagerspalt des Gleitlagers. So wird bereits bei sehr geringen Lasten der Traganteil des Gleitlagers maximiert.
-
Alternativ kann die Steifigkeit des Wälzlagerstuhls auch derart ausgeführt werden, dass eine radiale Verlagerung des Wälzlagers unter Einwirkung einer radialen Kurbelwellengrenzkraft der Differenz aus dem Lagerspaltes bzw. des Lagerspiels und eines Ölfilmes entspricht. Diese Ausgestaltung hätte zur Folge, dass bei Erreichen der Kurbelwellengrenzkraft das Gleitlager voll zum Tragen kommt.
-
Die radiale Kurbelwellengrenzkraft kann beispielsweise mindestens 20% der Kurbelwellenmaximalkraft entsprechen. Insofern definiert die Kurbelwellengrenzkraft den Betrag der Verschiebung des Wälzlagers unter radialen Kurbelwellenkräften. Konkret bedeutet dies, dass bereits bei 20% der maximal möglichen radialen Kurbelwellenkraft das Wälzlager bereits infolge des elastischen Wälzlagersitzes einen so hohen Betrag radial verschoben ist, so dass das Gleitlager den überwiegenden Traganteil des Lagerstuhles übernimmt.
-
Alternativ kann die radiale Verlagerung des Wälzlagers unter Einwirkung einer radialen Kurbelwellengrenzkraft auch kleiner sein als ein Lagerspalt des Gleitlagers. Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn im Betrieb der Traganteil des Gleitlagers bereits bei sehr kleiner Verschiebung des Wälzlagers erfolgt.
-
Bei Verschiebung des Wälzlagers in Bezug auf den Lagerspalt des Gleitlagers wird stets der ölfreie Zustand zu Grunde gelegt. Im Betrieb werden die genannten maximalen Verlagerungen des Wälzlagers durch Radialkräfte wegen des bestehenden und tragenden Ölfilmes im Gleitlager nicht erreicht oder entsprechen nicht den der Geometrie errechneten theoretischen Verlagerungen oder Elastizitäten.
-
Die Kurbelwellengrenzkraft kann auch einen Wert größer als 100% aufweisen. Der Quotient aus Kurbelwellengrenzkraft und dem Betrag der Verlagerung ist analog zu einer Federkonstanten einer Zug- oder Biegefeder zu sehen. Der Wälzlagersitz kann auch eine nicht-lineare Verlagerungsbahn aufweisen, wie sie beispielsweise progressive oder degressive Federkennlinien auch aufweisen.
-
Um Vorteile eines elastischen Lagerstuhl nur in Richtung der maximal auftretenden Kurbelwellenkräfte umzusetzen, kann der Wälzlagersitz in einer ersten radialen Richtung eine geringere radiale Elastizität als in einer zweiten radialen Richtung aufweisen, wobei die erste radiale Richtung und die zweite radiale Richtung orthogonal zueinander stehen. Insofern kann ein Lagerstuhl in der zweiten radialen Richtung steifer ausgeführt werden. Hierbei kann die erste radiale Richtung einer Zylinderachse der Verbrennungskraftmaschine bzw. der Hubkolbenmaschine entsprechen.
-
Eine Kurbelwelle für eine Hubkolbenmaschine mit mehreren Zylindern muss nicht notwendigerweise an jedem Lagerzapfen einen erfindungsgemäßen Lagerstuhl aufweisen. Vorteile der Erfindung werden bereits umgesetzt, wenn eine Lagerstuhlanordnung wenigstens zwei erfindungsgemäße Lagerstühle und eine Kurbelwelle umfasst, wobei die Kurbelwelle wenigstens zwei Lagerzapfen aufweist und mittels der beiden Lagerzapfen radial in den beiden Lagerstühlen gelagert ist. So können die beiden Lagerstühle vorteilhaft an je einem Ende der Kurbelwelle angeordnet werden und Lagerstellen zwischen den beiden äußeren Enden der Kurbelwelle können mittels Gleitlagern nach dem Stand der Technik gelagert werden.
-
Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
-
1 eine erfindungsgemäße Lagerstuhlanordnung und
-
2 eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Lagerstuhls.
-
Die 1 zeigt eine Anordnung aus zwei erfindungsgemäßen Lagerstühlen 10 für eine Kurbelwelle 11, die mindestens zwei Kurbelwellenzapfen 12 aufweist, wobei der Lagerstuhl 10 ein Gleitlager 21 sowie ein Wälzlager 22 umfasst, wobei die Kurbelwelle 11 mittels des Gleitlagers 21 sowie mittels des Wälzlagers 22 im Lagerstuhl radial lagerbar ist und wobei ein Wälzlagersitz 15 des Wälzlagers 22 eine höhere radiale Elastizität als ein Gleitlagersitz 14 des Gleitlagers 21 aufweist. Die gezeigte Lagerstuhlanordnung ist Bestandteil einer Hubkolbenmaschine.
-
Die Kurbelwelle 11 ist hierbei an den zwei außenliegenden Kurbelwellenzapfen 12 in den beiden Lagerstühlen 10 radial gelagert, wobei die Lagerung mittels je eines Wälzlagers 22 und je eines Gleitlagers 21 an den Kurbelwellenzapfen 12 erfolgt. Der mittlere Lagerstuhl ist nach dem Stand der Technik ausgeführt und verfügt lediglich über ein Gleitlager 21. Zwischen zwei Lagerstühlen bzw. zwischen zwei Kurbelwellenzapfen 12 ist jeweils ein Pleuellagerzapfen 13 angeordnet, an welchem ein Pleuel und ein Kolben der Hubkolbenmaschine angebunden sind (nicht dargestellt).
-
Die Gleitlager 21 sind in dem jeweiligen Gleitlagersitz 14 eingefasst, welche einteilig mit einem Motorblock 16 der Hubkolbenmaschine ausgeführt sind. Die einteilige Ausführung der Gleitlagersitze 14 mit dem Motorblock 16 ergibt einen Lagerstuhl mit einer hohen Steifigkeit im Bereich der Gleitlager 21. Auch der erfindungsgemäße Lagerstuhl 10 verfügt somit über einen Gleitlagersitz 14 mit hoher Steifigkeit.
-
Das Wälzlager 22 hingegen ist in einem elastischen Wälzlagersitz 15 eingefasst. Somit ist der Lagerstuhl 10 derart ausgebildet, dass eine radiale Verlagerung des Wälzlagers 22 unter Einwirkung einer radialen Kurbelwellengrenzkraft größer ist als ein Lagerspalt des Gleitlagers 21. Insofern kann die Elastizität des Wälzlagersitzes 15 derart ausgestaltet sein, dass eine Verlagerung des Wälzlagers 22 unter der maximal in der Hubkolbenmaschine auftretenden Pleuelkraft einem definierten Anteil eines Lagerspiels des Gleitlagers 21 entspricht. So kann die Elastizität des Wälzlagersitzes 15 beispielsweise eine Steifigkeit aufweisen, welche bereits bei 20% der maximal auftretenden radialen Kraft auf den Kurbelwellenzapfen 12, beispielsweise 100 kN, eine Verschiebung derart generiert, dass bei einem Gleitlager 21 bereits ein maximaler Traganteil erreicht wird. Je nach Ausgestaltung der Steifigkeit am Wälzlagersitz 15 kann der maximale Traganteil am Gleitlager 21 auch erst bei 50% oder 80% der maximal auftretenden radialen Kraft, also der Kurbelwellenmaximalkraft, erreicht werden.
-
Der Lagerstuhl kann alternativ derart ausgebildet sein, dass eine radiale Verlagerung des Wälzlagers 22 unter Einwirkung einer radialen Kurbelwellengrenzkraft der Differenz aus einem Lagerspalt und eines Ölfilmes des Gleitlagers 21 entspricht. Wie sofort ersichtlich, kommt das Gleitlager in dieser Ausgestaltung maximal zu Tragen, wenn die Kurbelwellengrenzkraft erreicht ist.
-
Der Wälzlagersitzes 15 weist in einer ersten radialen Richtung eine geringere radiale Elastizität als in einer zweiten radialen Richtung auf, wobei die erste radiale Richtung und die zweite radiale Richtung orthogonal zueinander stehen. Eine nicht isotrope Ausgestaltung des Wälzlagersitzes 15 kann durch stegartige Verbindungselemente erreicht werden, die in der ersten radialen Richtung auf Biegung beansprucht werden und in der zweiten radialen Richtung auf Zug und Druck beansprucht werden.
-
Der Wälzlagersitz 15 nach 2 ist in dieser Ausführungsform einteilig ausgeführt und umschließt einen Außenring 24 des Wälzlagers 22 vollständig. Ein Innenring 23 des Wälzlagers ist auf dem Kurbelwellenzapfen 12 aufgeschrumpft. Wälzkörper 25 des Wälzlagers 15 sind zwischen dem Innenring 23 und dem Außenring 24 angeordnet. Alternativ ist es möglich den Innenring 23 einteilig mit dem Wälzlagersitz 15 auszuführen, so dass die Wälzkörper 25 auf dem Wälzlagersitz 15 abrollen. Ebenso ist es denkbar, dass der Innenring 23 einteilig mit dem Kurbelwellenzapfen 12 ausgeführt ist und folglich die Wälzkörper 25 auf dem Kurbelwellenzapfen 12 abrollen.
-
Ebenso ist es alternativ möglich die Stege in dem Wälzlagersitz in der ersten radialen Richtung auf Zug und Druck zu belasten und in der zweiten radialen Richtung auf Biegung zu belasten, wobei die Stege ein Profil mit hoher Biegesteifigkeit und sehr geringem Querschnitt aufweisen können.
-
Die Elastizität des Wälzlagersitzes 15 ist nicht notwendigerweise linear. Es ist denkbar, dass eine progressive Elastizität vorliegt, so dass eine Verlagerung des Wälzlagers 22 zu größeren radialen Kräften geringer ausfällt. Ebenso kann eine degressive Elastizität des Wälzlagersitzes 15 vorliegen, wodurch eine Verschiebung des Wälzlagers 22 bei geringen Lasten gerade noch nicht erfolgt, der Traganteil des Gleitlagers 21 durch eine größere Auslenkung bei höheren Kräften jedoch überproportional ansteigt. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass bei geringen bis mittleren Lasten die durch das Wälzlager 22 erzielte geringe Reibung gut ausgenutzt werden kann und dass bei hohen Lasten die Stützwirkung des Gleitlagers 21 voll zum Tragen kommt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102005032283 B3 [0002]
