-
Die Erfindung betrifft ein Kurbelwellenlager für eine Hubkolbenmaschine. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Gleitlager für eine Verbrennungskraftmaschine.
-
Aus der
DE 10 2012 021459 A1 ist ein Gleitlager für Verbrennungskraftmaschinen bekannt, welches eine obere Lagerschale und eine untere Lagerschale aufweist. Die obere Lagerschale weist hierbei eine Ölnut bzw. einen Ölkanal auf, welcher sich über den gesamten Umfang der oberen Lagerschale erstreckt und an beiden Enden der unteren Lagerschale in die untere Lagerschale fortgeführt wird. Insofern überdeckt die Ölnut einen Sektor des Gleitlagers von mehr als 180° und hat bezogen auf eine Hochachse, welche zu einer Zylinderachse parallel ist, eine symmetrische Erstreckung entlang des Umfanges. Der nutfreie komplementäre Sektor, welcher auf Grund einer höheren Druckbelastung durch den Zylinderdruck nicht über einen Ölkanal verfügt, überdeckt einen Bereich von mehr als 150° und ist bezogen auf die Hochachse ebenfalls symmetrisch ausgeführt. Diese Anordnung des Ölkanals und des Bereiches höherer Lagerlasten berücksichtigt, dass die hauptsächlich auftretenden Lagerlasten in Richtung der Zylinderachse auf das Lager wirken.
-
Verfügt die Verbrennungskraftmaschine über ein Nebenaggregat, welches mittels eines Riemens durch die Kurbelwelle angetrieben wird, können die Riemenkräfte die Hauptlastrichtung am Gleitlager derart beeinflussen, dass eine resultierende Lagerkraft nicht mehr in Richtung der Zylinderachse wirkt, sofern die Riemenkräfte die gleiche Größenordnung aufweisen wie die Lagerlasten, die aus dem Zylinderdruck resultieren. Eine derartige Lastaufprägung auf das Gleitlager kann bei Verwendung eines riemengetriebenen Startergenerators auftreten, da bei diesen hohe Leistungen übertragen werden und entsprechend hohe Riemenkräfte notwendig sind.
-
Es wird daher ein Kurbelwellenlager für eine Hubkolbenmaschine, die wenigstens einen Zylinder und eine Kurbelwelle, die drehbeweglich in dem Kurbelwellenlager gelagert ist, und einen Nebentrieb, der einen riemengetriebenen Startergenerator umfasst und der mit der Kurbelwelle drehsynchron gekoppelt ist, aufweist, vorgeschlagen, wobei das Kurbelwellenlager einen Ölkanal aufweist und wobei der Ölkanal zumindest zum Teil in einem ersten Quadranten, vollständig in einem zweiten Quadranten und zumindest zum Teil in einem dritten Quadranten des Kurbelwellenlagers verläuft.
-
Die Hubkolbenmaschine kann insbesondere eine Verbrennungskraftmaschine sein. Das Kurbelwellenlager kann insbesondere ein Gleitlager sein.
-
Als Quadrant wird ein durch zwei Koordinatenachsen begrenzter Abschnitt einer Ebene aufgefasst, wobei als erster Quadrant derjenige Quadrant verstanden wird, der durch die positiven Achsenabschnitte beider Koordinatenachsen begrenzt wird. Im kartesischen Koordinatensystem entspricht der erste Quadrant folglich dem Quadranten oben rechts, wobei die Ordinatenachse der Hochachse bzw. einer der Zylinderachse parallelen Achse entspricht und die Abszissenachse orthogonal zu einer Kurbelwellenlängsachse sowie orthogonal zur Hochachse verläuft. Die weiteren Quadranten werden entgegen dem Uhrzeigersinn fortlaufend nummeriert.
-
Es versteht sich, dass der Startergenerator bereits durch Verwendung eines Keilriemens, eines Rippenriemens oder eines Keilrippenriemens als drehsynchron mit der Kurbelwelle gekoppelt angesehen wird. Etwaiger Schlupf wird in Bezug auf das erfindungsgemäße Kurbelwellenlager nicht berücksichtigt. Insofern kann ein Startergenerator im Sinne der Erfindung jegliches Zugmittel zum Antrieb aufweisen, sofern das Zugmittel eine Zugkraft auf die Kurbelwelle und das Kurbelwellenlager ausübt.
-
Das erfindungsgemäße Kurbelwellenlager hat den Vorteil, dass im vierten Quadranten, also im Bereich des Kurbelwellenlagers, an welchem die Riemenkraft oder die Resultierende aus der Riemenkraft und dem Zylinderdruck angreift, eine ausreichend hohe effektive Lagerbreite zur Verfügung gestellt wird. Das Kurbelwellenlager braucht folglich in den Bereichen der angreifenden Riemenkraft nicht zusätzlich verstärkt oder verbreitert werden, wodurch Kosten und Bauraum minimiert werden.
-
Die effektive Lagerbreite ist die Breite des Kurbelwellenlagers in Richtung der Kurbelwellenlängsachse abzüglich der Breite des Ölkanals. Folglich entspricht im vierten Quadranten die Lagerbreite an jeder Stelle der geometrischen Breite des Kurbelwellenlagers und im zweiten Quadranten der Differenz aus der geometrischen Breite des Kurbelwellenlagers und der Breite des Ölkanals. Da der Ölkanal im ersten und im dritten Quadranten endet, sind die effektiven Lagerbreiten in diesen Quadranten nicht kontinuierlich und verringern bzw. vergrößern sich am Ende des Ölkanals.
-
Alternativ zu dem vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Kurbelwellenlager wird ein Kurbelwellenlager für eine Hubkolbenmaschine, die wenigstens einen Zylinder, eine Kurbelwelle, die drehbeweglich in dem Kurbelwellenlager gelagert ist, und einen Nebentrieb, der einen riemengetriebenen Startergenerator umfasst und der mit der Kurbelwelle drehsynchron gekoppelt ist, aufweist, vorgeschlagen, wobei das Kurbelwellenlager einen Ölversorgungssektor mit einem Ölkanal und einen Lastsektor mit einem ersten Teillastsektor sowie einem zweiten Teillastsektor aufweist, wobei der erste Teillastsektor ausgebildet ist eine erste radiale Teillastresultierende aufzunehmen und der zweite Teillastsektor ausgebildet ist eine zweite radiale Teillastresultierende aufzunehmen, und wobei die erste Teillastresultierende parallel zu einer Zylinderachse des Zylinders verläuft und die zweite Teillastresultierende parallel zu einer Nebentriebsachse des Nebentriebs verläuft.
-
Als Sektor wird ein Teilstück des Kurbelwellenlagers verstanden, welches zwischen zwei Radien liegt. So bezeichnet der Ölversorgungssektor denjenigen Sektor des ringförmigen Kurbelwellenlagers, durch welchen der Ölkanal verläuft. Der hierzu komplementäre Sektor des Kurbelwellenlagers wird als Lastsektor verstanden. Es versteht sich, dass neben dem Lastsektor auch der Ölversorgungssektor Lagerlasten aufnimmt, die effektiv wirkenden Kräfte im Lastsektor jedoch größer sein können als im Ölversorgungssektor. Dies folgt aus der größeren effektiven Lagerbreite des Lastsektors gegenüber dem Ölversorgungssektor, in welchem der tragende Anteil der Lagerbreite der um die Breite des Ölkanals reduzierten Lagerbreite entspricht ist.
-
Es versteht sich ferner, dass bei der Betrachtung des tragenden Anteils der Lagerbreite bzw. der effektiven Lagerbreite etwaige Fasen oder Radien am Kurbelwellenlager außer Acht gelassen werden.
-
Das Kurbelwellenlager mit einem zweigeteilten Lastsektor, der einen ersten und einen zweiten Teillastsektor aufweist, hat den Vorteil, dass der zweite Teillastsektor nebengeordnete Lagerkräfte aus dem Nebentrieb aufnimmt. Die aus dem Zylinderdruck der Hubkolbenmaschine resultierenden Kräfte sind im Wesentlichen entlang der Hochachse, also parallel zur Zylinderachse, ausgerichtet. Im Sinne der vorliegenden Erfindung werden aus der Verbrennung resultierende Lagerkräfte auch noch als parallel zur Zylinderachse angesehen, wenn dessen Richtung nicht mehr als 20°, insbesondere nicht mehr als 10°, von der Hochachse abweicht. Folglich werden aus dem Nebentrieb oder der Riemenspannung des Nebentriebes resultierende Kräfte als parallel zu der Nebentriebsachse angesehen, wenn die Richtung der zweiten Teillastresultierenden, also der aus dem Nebentrieb resultierenden Kräfte, nicht mehr als 20°, insbesondere nicht mehr als 10°, von der Nebentriebsachse abweicht. Es versteht sich, dass insbesondere durch wechselnde Belastung des Lasttrums und das Leertrums eines Zugmittels eine resultierende Zugkraft des Zugmittels nicht notwendigerweise geometrisch parallel zur Verbindungsachse zwischen der Kurbelwellenlängsachse und Drehachse des Startergenerators liegt, jedoch im Sinne der vorliegenden Erfindung als parallel angesehen werden. Die Nebentriebsachse, entlang welcher die Teillastresultierende bzw. die aus der Riemenspannung resultierende Kurbelwellenlagerkraft verläuft, schließt mit der Verbindungsachse der beiden Drehachsen einen kleinen Winkel ein, woraus diese beiden Achsen im Sinne der Erfindung als parallel angesehen werden. Hieraus ergibt sich ferner, dass die Zylinderachse und die Nebentriebsachse einen Winkel von wenigstens 40°, insbesondere einen Winkel von wenigstens 20°, einschließen.
-
Alternativ...
-
Die abhängigen Ansprüche beschreiben weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
-
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel wird anhand der folgenden Figur näher erläutert. Dabei zeigt
- 1 ein erfindungsgemäßes Kurbelwellenlager im Querschnitt.
-
Die 1 zeigt ein Kurbelwellenlager für eine Hubkolbenmaschine, die wenigstens einen Zylinder und eine Kurbelwelle 10, die drehbeweglich in dem Kurbelwellenlager gelagert ist, und einen Nebentrieb, der einen riemengetriebenen Startergenerator umfasst und der mit der Kurbelwelle 10 drehsynchron gekoppelt ist, aufweist, wobei das Kurbelwellenlager einen Ölkanal aufweist und wobei der Ölkanal zumindest zum Teil in einem ersten Quadranten I, vollständig in einem zweiten Quadranten II und zumindest zum Teil in einem dritten Quadranten III des Kurbelwellenlagers verläuft.
-
Ebenso zeigt die 1 ein Kurbelwellenlager für eine Hubkolbenmaschine, die wenigstens einen Zylinder, eine Kurbelwelle 10, die drehbeweglich in dem Kurbelwellenlager gelagert ist, und einen Nebentrieb, der einen riemengetriebenen Startergenerator umfasst und der mit der Kurbelwelle 10 drehsynchron gekoppelt ist, aufweist, wobei das Kurbelwellenlager einen Ölversorgungssektor mit einem Ölkanal und einen Lastsektor mit einem ersten Teillastsektor 27 sowie einem zweiten Teillastsektor 28 aufweist, wobei der erste Teillastsektor 27 ausgebildet ist eine erste radiale Teillastresultierende aufzunehmen 31 und der zweite Teillastsektor 28 ausgebildet ist eine zweite radiale Teillastresultierende 32 aufzunehmen, und wobei die erste radiale Teillastresultierende 31 parallel zu einer Hochachse 17 bzw. zu einer Zylinderachse des Zylinders verläuft und die zweite radiale Teillastresultierende 32 parallel zu einer Nebentriebsachse des Nebentriebs verläuft.
-
Die Kurbelwelle 10, welche die Hubbewegung eines im dem Zylinder beweglich angeordneten Kolbens in eine Drehbewegung wandelt, ist mittels mehrerer Kurbelwellenlager, wovon wenigstens ein Kurbelwellenlager ein erfindungsgemäßes Kurbelwellenlager ist, in einem Kurbelgehäuse der Hubkolbenmaschine gelagert. Die Kurbelwellenlager wiederum sitzen im Kurbelgehäuse zwischen einem Kurbelgehäuseoberteil 11 und einem vom restlichen Kurbelgehäuse abnehmbaren Kurbelgehäuseunterteil 12. Die beiden Kurbelgehäuseteile 11, 12 sind in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel miteinander verschraubt, wodurch das Kurbelwellenlager zwischen diesen eingespannt wird.
-
Das Kurbelwellenlager ist vorteilhaft ein zweigeteiltes Lager, wobei das Kurbelwellenlager eine obere Lagerschale 21 und eine untere Lagerschale 22 aufweist. Die obere Lagerschale 21 ist in dem Kurbelgehäuseoberteil 11 angeordnet und die untere Lagerschale 22 ist in dem Kurbelgehäuseunterteil 12 angeordnet. Die beiden Lagerschalen 21, 22 sind gegen ein Verdrehen gesichert, so dass die Position des Ölkanals sowie der beiden Stöße zwischen den beiden Lagerhälften fixiert ist.
-
Die Kurbelwelle 10 verfügt ferner über eine Ölversorgung, wobei im Kurbelgehäuseoberteil Öl aus einer Ölgalerie 13 mittels einer Ölversorgungsbohrung 14 entnommen wird. Die Ölversorgungsbohrung 14 mündet wiederum in einen Ölversorgungskanal 15, der im Kurbelgehäuseoberteil 11 verläuft. Die obere Lagerschale 21 verschließt den Ölversorgungskanal 14 bis auf eine Ölversorgungsbohrung 16, durch welche das Öl zur Kurbelwelle 10 gelangt. Die Verteilung des Öls in den beiden Lagerschalen 21, 22 entlang des Umfanges wird über eine Ölnut bzw. einen Ölkanal sichergestellt. Das dargestellte Ausführungsbeispiel verfügt hierbei über einen Ölkanal, der in einen oberen Ölkanal 23 und einen unteren Ölkanal 24 aufgeteilt ist. Der obere Ölkanal 23 ist derjenige Teil des Ölkanals, welcher in der oberen Lagerschale 21 verläuft und der untere Ölkanal 24 ist derjenige Teil des Ölkanals, welcher in der unteren Lagerschale 22 verläuft.
-
Der obere Ölkanal 23 beginnt im ersten Quadranten I und durchläuft vollständig den zweiten Quadranten II. Der untere Ölkanal 24 schließt sich unmittelbar an den oberen Ölkanal 23 an und endet im dritten Quadranten III. Der Ölkanal hat einen Umlauf von wenigstens 180°, doch in Abkehr zum Stand der Technik verläuft dieser nicht vollständig im ersten Quadranten I und zweiten Quadranten II. Folglich ist der Ölkanal, insbesondere der obere Ölkanal 23, nicht symmetrisch zur Hochachse 17 oder zu einer Zylinderebene, die von der Zylinderachse und der Kurbelwellenlängsachse aufgespannt wird. Ein Umlauf des Ölkanals von 180° ist vorteilhaft bei Kurbelwellen, die weitere Ölbohrungen aufweisen, durch welche die Pleuellager mit Öl versorgt werden. Diese Ölbohrungen sind am Kurbelwellenlager mit 180° Abstand zueinander in der Kurbelwelle 10 angeordnet. Hierbei wird eine unterbrechungsfreie Ölversorgung zum Pleuellager gewährleistet, da stets eine Ölbohrung über den Ölkanal gleitet und von diesem mit Drucköl versorgt wird.
-
Der Nebentrieb, in welchem der riemengetriebene Startergenerator (BSG = beltdriven starter generator) angeordnet ist und mittels welchem der BSG an die Kurbelwelle 10 gekoppelt ist, prägt der Kurbelwelle eine Kraft in Richtung der zweiten radialen Teillastresultierenden 32 auf. Somit muss das dem Nebentrieb nächstgelegene Kurbelwellenlager einer Verbrennungskraftmaschine mit mehreren Kurbelwellenlagern neben der aus dem Zylinderdruck resultierenden Lagerlast eine weitere Last aufnehmen. Die Lagerlast, welche sich aus der ersten radialen Teillastresultierenden 31 und der zweiten radialen Teillastresultierenden 32 additiv zusammensetzt, entspricht einer Lastresultierenden 31.
-
Die seitliche Anordnung des BSG an der Verbrennungskraftmaschine führt letztendlich dazu, dass die erste radiale Teillastresultierende 31 und die zweite radiale Teillastresultierende 32 nicht parallel zueinander verlaufen und in dessen Folge die Lastresultierende 30 nicht parallel zur Hochachse 17 verläuft. Ohne Einwirkung der zweiten radialen Teillastresultierenden 32 wäre das Kurbelwellenlager nach dem Stand der Technik symmetrisch zur Hochachse 17 auszulegen, wobei die wesentlichen Lagerkräfte in einem höchstbelasteten Bereich ohne BSG 25 auftreten. Die erste radiale Teillastresultierende 31 verläuft durch den Mittelpunkt des höchstbelasteten Bereiches ohne BSG 25. Unter Einwirkung des BSG verschiebt sich der für das Lager relevante Lastbereich zu einem höchstbelasteten Bereich mit BSG 26, durch dessen Mittelpunkt die Lastresultierende 30 verläuft.
-
Bedingt durch die dynamischen Gas- und Massenkräfte an einer Verbrennungskraftmaschine sind die am Lager auftretenden Kräfte ebenfalls dynamisch, wobei sowohl die Beträge der wirkenden Kräfte als auch deren Richtung veränderlich über ein Arbeitsspiel sind. Im Sinne der vorliegenden Erfindung werden die erste Teillastresultierende 31, die zweite Teillastresultierende 32 sowie die Lastresultierende 30 als momentane resultierende Kräfte zu einem Zeitpunkt betrachtet, welcher den kritischsten Belastungsfall darstellt. Dieser kritischste Belastungsfall ist zu dem Zeitpunkt gegeben, an welchem die Schmierspalthöhe im Lager minimal wird und liegt bei einer konventionellen Belastung, also bei einer Belastung ohne BSG, ungefähr in der Mitte der unteren Lagerschale 22.
-
Die Richtung der ersten radialen Teillastresultierenden 31 wird als parallel zur Hochachse 17 verstanden, sofern die erste radiale Teillastresultierende 31 und die Hochachse 17 einen Winkel von nicht mehr als 20°, insbesondere von nicht mehr als 10°, einschließen. In jedem Falle durchstößt die erste radiale Teillastresultierende 31 den ersten Teillastsektor 27 und die zweite Teillastresultierende 32 durchstößt den zweiten Teillastsektor 28. Die beiden Teillastsektoren, welche zusammen den Lastsektor ergeben, werden voneinander durch die Lastresultierende 30 abgegrenzt.
-
Die Verschiebung des höchstbelasteten Bereiches wiederum hat zur Folge, dass der Ölkanal nicht mehr den ersten Quadranten I vollständig durchläuft, um die Tragfähigkeit des Kurbelwellenlagers nicht negativ zu beeinflussen. Im Gegenzug bewirkt die Verschiebung des höchstbelasteten Bereiches in den vierten Quadranten IV, dass der Ölkanal im dritten Quadranten III fortgeführt werden kann ohne die Tragfähigkeit des Kurbelwellenlagers negativ zu beeinflussen, da sich dort geringere Lagerlast ergeben. Besonders vorteilhaft für das Kurbelwellenlager ist es, wenn das Kurbelwellenlager symmetrisch zur Lastresultierenden 30 ausgebildet ist.
-
Insofern zeigt die 1 ein Kurbelwellenlager für eine Hubkolbenmaschine, die wenigstens einen Zylinder und eine Kurbelwelle, die drehbeweglich in dem Kurbelwellenlager gelagert ist, und einen Nebentrieb, der einen riemengetriebenen Startergenerator umfasst und der mit der Kurbelwelle drehsynchron gekoppelt ist, aufweist, wobei das Kurbelwellenlager symmetrisch zu einer Lastresultierenden 30 ausgebildet ist, wobei die Lastresultierende 30 ein Summenvektor aus einer ersten Teillastresultierenden 31 und einer zweiten Teillastresultierenden ist, und wobei die erste Teillastreultierende 31 einer aus einem Zylinderdruck des Zylinder resultierenden Zylinderkraft entspricht und die zweite Teillastresultierende 32 einer aus Riemenkräften des Startergenerators resultierenden Zugkraft entspricht.
-
Ist eine Verlagerung des höchstbelasteten Bereiches mit BSG 25 nicht sehr hoch, kann es vorteilhaft für das Kurbelwellenlager sein, wenn der Ölkanal vollständig in dem ersten Quadranten verläuft. Vollständig verläuft der Ölkanal in einem Quadranten, wenn der Ölkanal eine Ausdehnung von 90° in dem jeweiligen Quadranten aufweist. Eine mögliche Verjüngung am Ende des Ölkanals sei hierbei nicht berücksichtigt. Hierbei ist es besonders vorteilhaft für das Kurbelwellenlager, wenn der Ölversorgungssektor zum Teil in der oberen Lagerschale und zum Teil in der unteren Lagerschale angeordnet ist. Insofern hat das Kurbelwellenlager den zuvor beschriebenen Vorteil, dass der Lastsektor in den ersten Quadranten hineinreicht und eine Tragfähigkeit des Kurbelwellenlagers auch dann gegeben ist, wenn die geometrische Breite nicht erhöht wird.
-
Um die beiden Sektoren des Kurbelwellenlagers optimal auszunutzen, ist es ferner besonders vorteilhaft für das Kurbelwellenlager, wenn der Ölversorgungssektor zumindest 180° des Kurbelwellenlagers überdeckt und/oder der Lastsektor zumindest 150° des Kurbelwellenlagers überdeckt.
-
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 102012021459 A1 [0002]
