DE10203324B4

DE10203324B4 - Gleitlager für eine Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE10203324B4
Application number: DE10203324A
Authority: DE
Inventors: Ulf Gerhard Dipl.-Ing. Ederer
Original assignee: Miba Gleitlager Austria GmbH
Current assignee: High Tech Coatings GmbH
Priority date: 2001-02-07
Filing date: 2002-01-29
Publication date: 2009-01-29
Anticipated expiration: 2022-01-30
Also published as: US20020104506A1; DE10203324A1; AT409531B; ATA1892001A; US6688273B2

Abstract

Gleitlager für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer in einem Lagerkörper vorgesehenen Lagerbohrung, die in Form von über die axiale Länge verteilten, in Umfangsrichtung verlaufenden, nutenartigen Ausnehmungen profiliert und mit einer eine Lauffläche zur Aufnahme eines Lagerzapfens bildenden Laufschicht versehen ist, wobei die Lauffläche der auf die Lagerbohrung aufgebrachten Laufschicht eine hinsichtlich der Teilung mit der Profilierung der Lagerbohrung übereinstimmende Profilierung in Form von über die axiale Länge verteilten, in Umfangsrichtung verlaufenden, nutenartigen Ausnehmungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe (t) der nutenartigen Ausnehmungen (8, 10) höchstens der halben Dicke (d) der Laufschicht (4) entspricht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gleitlager für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer in einem Lagerkörper vorgesehenen Lagerbohrung, die in Form von über die axiale Länge verteilten, in Umfangsrichtung verlaufenden, nutenartigen Ausnehmungen profiliert und mit einer eine Lauffläche zur Aufnahme eines Lagerzapfens bildenden Laufschicht versehen ist, wobei die Lauffläche der auf die Lagerbohrung aufgebrachten Laufschicht eine hinsichtlich der Teilung mit der Profilierung der Lagerbohrung übereinstimmende Profilierung in Form von über die axiale Länge verteilten, in Umfangsrichtung verlaufenden, nutenartigen Ausnehmungen aufweist.
Werden zur Lagerung der Kurbelwelle einer Verbrennungskraftmaschine im Kurbelgehäuse bzw. der Kurbelwellenzapfen in den Pleueln nicht herkömmliche Gleitlager mit in einen Lagerkörper eingesetzten Lagerschalen, sondern Gleitlager verwendet, bei denen die Lagerbohrungen in den Lagerkörpern gegebenenfalls nach dem Aufbringen einer Zwischenschicht unmittelbar mit einer Laufschicht beschichtet werden, so kann die Toleranz für das Lagerspiel wegen des Wegfallens eines sonst zu berücksichtigenden Toleranzbereiches für die Fertigung der Lagerschalen verringert werden. Da die Lagergeräusche vom jeweils größten Lagerspiel abhängen, kommt der Verringerung des Lagerspiels im Hinblick auf die Geräuschbildung dieser Gleitlager und damit der Verkleinerung des für das größte Lagerspiel maßgebenden Toleranzbereiches eine besondere Bedeutung zu.
Um den Einfluß einer harten Zwischenschicht zwischen der Laufschicht und einer Lagermetallschicht auf die Lebensdauer eines Gleitlagers bei einem teilweisen Verschleiß der Laufschicht herabzusetzen, ist es bekannt ( EP 0 155 257 B2 ), die die Zwischenschicht tragende Oberfläche der Lagermetallschicht mit einer Profilierung zu versehen, die in Umfangsrichtung verlaufende Nuten bildet, so daß bei einem Verschleiß der Laufschicht, die beim Auftragen auf die Zwischenschicht der Profilierung der Lagermetallschicht folgt, die im Bereich der Lauffläche durchtretende Zwischenschicht keine größeren, zusammenhängenden Oberflächenbereiche bilden kann, weil mit zunehmendem Verschleiß der Laufschicht auch die in der Lauffläche liegenden Zwischenschichtbereiche abgetragen werden und dadurch die darunter liegende Lagermetallschicht freigelegt wird, die noch ausreichende Gleiteigenschaften sicherstellt. Voraussetzung für die angestrebte Wirkung ist somit, daß die Zwischenschicht auf einer Lagermetallschicht und nicht auf einer stählernen Stützschicht aufgebracht wird.
Darüber hinaus ist es bekannt ( US 2 187 755 A ), die Lagerbohrung eines Maschinenelementes mit einer Profilierung in Form von über die axiale Länge verteilten, in Umfangsrichtung verlaufenden, nutenartigen Ausnehmungen zu versehen, auf die eine mehrlagige Laufschicht galvanisch abgeschieden und dann teilweise abgetragen wird, so daß eine glatte, nicht profilierte Lauffläche entsteht, die an ihrer Oberfläche abwechselnd Bereiche unterschiedlicher Lagerwerkstoffe aufweist. Laufflächen mit abwechselnden Bereichen unterschiedlicher Lagerwerkstoffe können die Lagerbedingungen hinsichtlich der Tragfähigkeit und der Laufeigenschaften verbessern. Auf die Geräuschbildung haben solche Laufflächen mit unterschiedlichen Lagerwerkstoffen jedoch keinen Einfluß.
Um die Schmierung einer Gleitfläche, wie sie sich zwischen dem Zylinder und dem Kolben einer Verbrennungskraftmaschine, aber auch bei einem sich in einem Stützlager drehenden Zapfen ergibt, insbesondere nach einem längeren Stillstand zu verbessern, ist es schließlich bekannt ( US 2 572 021 A , die Gleiffläche in Form von über die axiale Länge verteilten, in Umfangsrichtung verlaufenden, nutenartig Ausnehmungen zu versehen, in denen sich Schmierflüssigkeit sammeln kann, die aufgrund der Strukturierung der Gleitfläche an einem vorzeitigen Abfließen aus dem Gleitbereich gehindert wird. In die im Lagerkörper vorgesehene Lagerbohrung wird zu diesem Zweck eine schraubenförmige Nut eingeschnitten, deren Windungen dicht nebeneinander liegen. Die genutete Lager bohrung wird dann galvanisch, beispielsweise mit Chrom, beschichtet, um den Verschleiß zu minimieren. Die Geräuschbildung solcher Lager wird nicht angesprochen.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Gleitlager für eine Verbrennungskraftmaschine der eingangs geschilderten Art so auszugestalten, daß mit einer deutlichen Verminderung der Lagergeräusche gerechnet werden kann.
Ausgehend von einem Gleitlager der eingangs geschilderten Art löst die Erfindung die gestellte Aufgabe dadurch, daß die Tiefe der nutenartigen Ausnehmungen höchstens der halben Dicke der Laufschicht entspricht.
Die Erfindung nützt den Umstand, dass durch die in Umfangsrichtung verlaufenden, nutenartigen Ausnehmungen das zur Ausbildung eines hydrodynamischen Schmiermittelkeiles vorzugebende Mindestlagerspiel für eine Vollschmierung verringert werden kann. Überraschenderweise wird die Betriebssicherheit der Gleitlager durch die Profilierung der Lagerbohrung nicht beeinträchtigt, wenn die Tiefe der nutenartigen Ausnehmungen nach oben entsprechend beschränkt wird. Maßgebend hiefür dürfte die Einhaltung enger Toleranzbereiche sein, wie sie nur beim Wegfall von Lagerschalen möglich sind. Aufgrund der engen Toleranzbereiche und der Absenkung der unteren Grenze für das vorzugebende Lagerspiel können vorteilhafte Voraussetzungen für geräuscharme Gleitlager zur Lagerung einer Kurbelwelle in einem Kurbelgehäuse bzw. eines Pleuels auf dem Kurbelwellenzapfen sichergestellt werden.
Damit die Wirkung der in Umfangsrichtung verlaufenden, nutenartigen Ausnehmungen auf die Größe des vorzugebenden Mindestspiels vorteilhaft genützt werden kann, kann die Tiefe dieser Ausnehmungen nach unten auf ein Fünftel der Dicke der Laufschicht begrenzt werden.
Da es im Hinblick auf die Geräuschbildung erfindungsgemäßer Gleitlager auf das maximale Lagerspiel ankommt, soll der Verschleiß der Laufschicht möglichst gering ausfallen. Zu diesem Zweck kann die Laufschicht eine Mindesthärte von 35 HV aufweisen. Der verringerte Verschleiß der Laufschicht bringt außerdem eine größere Betriebssicherheit im Zusammenhang mit der profilierten Lagerbohrung im stählernen Lagerkörper mit sich.
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen
1 ein Pleuel mit einem erfindungsgemäßen Gleitlager in einer vereinfachten Ansicht in Richtung der Lagerachse,
2 das Pleuel nach der 1 in einem Schnitt nach der Linie II-II der 1,
3 ein Kurbelgehäuse ausschnittsweise im Bereich eines erfindungsgemäßen Gleitlagers für die Kurbelwelle in einer stirnseitigen Ansicht,
4 einen schematischen Axialschnitt durch die Laufschicht eines erfindungsgemäßen Gleitlagers in einem größeren Maßstab und
5 eine der 4 entsprechende Darstellung einer Konstruktionsvariante eines erfindungsgemäßen Gleitlagers.
Das in den 1 und 2 dargestellte, stählerne Pleuel 1, das auch pulvermetallurgisch hergestellt sein kann, bildet im Bereich seines Kopfes einen Lagerkörper 2 mit einer Lagerbohrung 3 für ein Gleitlager zum Aufnehmen eines Zapfens einer Kurbelwelle einer Verbrennungskraftmaschine. Im Gegensatz zu herkömmlichen Gleitlagern mit mehrschichtigen Lagerschalen trägt die Lagerbohrung 3 des Lagerkörpers 2 selbst die Laufschicht 4, so daß sich Lagerschalen erübrigen. Damit kann nicht nur die Lagerbohrung 3 im Lagerkörper 2 einen geringeren Durchmesser aufweisen, was der Festigkeit des Pleuels zugute kommt, sondern auch die Fertigungstoleranz verringert werden, weil der sonst zu berücksichtigende Toleranzbereich für die Lagerschalen entfällt. Es kommt daher lediglich auf die Toleranz der Lagerbohrung 3 und die Toleranz der Laufschichtdicke an, wobei für den Toleranzbereich des Lagerspiels zusätzlich die Toleranz für den Zapfendurchmesser und die einbaubedingte Verformung zu berücksichtigen ist. Der Lagerkörper 2 ist ja zur Aufnahme des Kurbelwellenzapfens geteilt, so daß sich ein Lagerdeckel 5 ergibt, der mit dem anderen Teil des Lagerkörpers 2 verschraubt werden muß.
In der 3 wird ein erfindungsgemäßes Gleitlager für die Lagerung der Kurbelwelle im Kurbelgehäuse 6 gezeigt, wobei der Lagerkörper 2 durch eine Querwand 7 des Kurbelgehäuses 6 gebildet wird. Es ergeben sich ähnliche Toleranzverhältnisse, weil die Laufschicht 4 wiederum auf die Lagerbohrung 3 aufgebracht ist. Der Lagerkörper 2 ist wiederum geteilt ausgeführt und bildet einen Lagerdeckel 5, um die Kurbelwelle einsetzen zu können. Das Fehlen von Lager schalen bringt außerdem den Vorteil mit sich, daß die Lagerbohrungen 3 für die Kurbelwelle gemeinsam gebohrt werden können, was Fluchtfehler ausschließt, wie sie beim Einsetzen von Lagerschalen auftreten können.
Wesentlich für die Erfindung ist nicht nur, daß die Lagerbohrung 3 im Lagerkörper 2 die Laufschicht 4 trägt, sondern auch, daß die Lagerbohrung 3 eine Profilierung in Form von über die axiale Länge verteilten, in Umfangsrichtung verlaufenden, nutenartigen Ausnehmungen 8 aufweist, wie dies den 4 und 5 zu entnehmen ist. Die beispielsweise galvanisch auf der Lagerbohrung abgeschiedene Laufschicht 4 folgt der Profilierung der Lagerbohrung 3, so daß die Lauffläche 9 eine hinsichtlich der Teilung übereinstimmende Profilierung ebenfalls in Form von nutenartigen Ausnehmungen 10 bildet. Die Tiefe t dieser nutenartigen Ausnehmungen 10 soll nicht größer als die halbe Dicke d der Laufschicht 4 und nicht kleiner als ein Fünftel dieser Dicke d sein. Je nach der Art der Laufschicht 4 kann es notwendig sein, zwischen der Laufschicht 4 und dem Lagerkörper 2 eine Zwischenschicht 11 als Haftvermittler oder Diffusionssperre gemäß der 4 vorzusehen. Eine unmittelbare Aufbringung der Laufschicht 4 ohne Zwischenschicht auf den Lagerkörper 2 ist in der 5 dargestellt.
Unabhängig davon, ob die Laufschicht 4 mit oder ohne Zwischenschicht 11 auf den Lagerkörper 2 aufgebracht wurde, erlauben die in Umfangsrichtung verlaufenden, nutenartigen Ausnehmungen 10 in der Lauffläche 9 eine Schmierölaufnahme, die im engsten Spalt zwischen der Lauffläche 9 und dem Kurbelwellenzapfen bzw. der Kurbelwelle die Aufrechterhaltung einer hydrodynamischen Vollschmierung unterstützt, zumal die Stege zwischen den nutenartigen Ausnehmungen 10 eine axiale Schmierölverdrängung nach außen behindern. Dies bedeutet, daß das vorzugebende kleinste Lagerspiel für die Aufrechterhaltung einer Vollschmierung herabgesetzt werden kann, was im Zusammenwirken mit den verringerten Toleranzbereichen zu einer deutlichen Verkleinerung des maximalen Lagerspiels führt. Muß beispielsweise bei einem Zapfendurchmesser von 50 mm bei herkömmlichen Pleuellagern mit einem vorgegebenen Mindestlagerspiel von 0,04% des Zapfendurchmessers gerechnet werden, so ergibt sich aufgrund des Toleranzbereiches ein Lagerspiel zwischen 20 und 68 μm. Bei ei nem erfindungsgemäßen Gleitlager kann das Lagerspiel auf 16 bis 50 μm verringert werden. Dies bedeutet, daß das für das Lagergeräusch maßgebende maximale Lagerspiel von 68 auf 50 μm herabgesetzt werden kann.
Da von einer üblichen Laufschichtdicke von 12 bis 20 μm ausgegangen werden kann, ist die Tiefe t der Ausnehmungen 10 nach oben mit 6 bis 10 μm zu begrenzen. Es ist jedoch darauf zu achten, daß nicht mit zunehmendem Verschleiß der Laufschicht 4 die Profilierung eingeebnet wird. Aus diesem Grunde wird die Laufschicht 4 bevorzugt mit einer Härte von etwa 40 HV ausgeführt werden. Der von Ausnehmungsmitte zu Ausnehmungsmitte gemessene Abstand der Ausnehmungen 10 kann zwischen 120 und 200 μm gewählt werden, wobei sich die Ausnehmungen 10 durch eine schraubenförmige Umfangsnut erzeugen lassen. Da es lediglich auf die geometrische Form der Lauffläche 9 ankommt, ist die Erfindung von der Werkstoffwahl für die Laufschicht 4 unabhängig, wenn nur sichergestellt ist, daß die Laufschicht 4 ausreichende Gleiteigenschaften bei einem entsprechend geringen Verschleiß mit sich bringt.

Claims

Gleitlager für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer in einem Lagerkörper vorgesehenen Lagerbohrung, die in Form von über die axiale Länge verteilten, in Umfangsrichtung verlaufenden, nutenartigen Ausnehmungen profiliert und mit einer eine Lauffläche zur Aufnahme eines Lagerzapfens bildenden Laufschicht versehen ist, wobei die Lauffläche der auf die Lagerbohrung aufgebrachten Laufschicht eine hinsichtlich der Teilung mit der Profilierung der Lagerbohrung übereinstimmende Profilierung in Form von über die axiale Länge verteilten, in Umfangsrichtung verlaufenden, nutenartigen Ausnehmungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe (t) der nutenartigen Ausnehmungen (8, 10) höchstens der halben Dicke (d) der Laufschicht (4) entspricht.
Gleitlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe (t) der nutenartigen Ausnehmungen (8, 10) zumindest einem Fünftel der Dicke (d) der Laufschicht (4) entspricht.
Gleitlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschicht (4) eine Mindesthärte von 35 HV aufweist.