DE10216329B4

DE10216329B4 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10216329B4
Application number: DE2002116329
Authority: DE
Inventors: Axel Dipl.-Ing. Heuberger; Dieter Dipl.-Ing. Nowak
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2002-04-13
Filing date: 2002-04-13
Publication date: 2004-11-25
Anticipated expiration: 2022-04-14
Also published as: DE10216329A1

Abstract

Brennkraftmaschine (1) mit
– einem Kurbelgehäuse (2),
– einem Zylinderkopf,
– einem Triebwerk, bestehend aus Kurbelwelle, Pleuel und Kolben und
– einer Lagerung des Triebwerks im Kurbelgehäuse, bestehend aus mindestens einem Lagerdeckel (4) und mindestens einem Lagerstuhl (3), der separat in das Kurbelgehäuse eingesetzt ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Triebwerk mit Lagerdeckel und Lagerstuhl eine vormontierte Einheit bildet und die Lagerstühle und Lagerdeckel über die Kurbelwelle ohne jeweilige Passung der einzelnen Lagerstühle zum Kurbelgehäuse positioniert sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 und ein Verfahren zur Montage einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruchs 9.

Aus der DE 28 39 885 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit einem Kurbelgehäuse, Zylinderkopf, Triebwerk und einer Lagerung des Triebwerks im Kurbelgehäuse, bestehend aus Lagerstühlen und Lagerdeckel bekannt. Der Lagerstuhl bildet den oberen Teil des Lagers für die Kurbelwelle und ist im Kurbelgehäuse festgeschraubt. Mehrere Lagerstühle bilden zusammen mit seitlichen Teilen einen Rahmen, der vom ersten Lager bis zu einem Getriebeflansch reicht. Die Lagerdeckel bilden den unteren Teil des Lagers für die Kurbelwelle und sind als Lagerrahmen, der alle Lagerdeckel umfasst, ausgeführt. Die Rahmen der Lagerstühle und Lagerdeckel sind relativ groß und schwer, da sie um das Triebwerk herum verbunden sind, und damit ein Mindestbauvolumen umfassen.

Aus der DE 199 49 928 A1 ist eine Brennkraftmaschine bekannt, bei der die Kurbelwelle von Lagerdeckeln in Lagerstühlen gehalten wird. Die Lagerdeckel und Lagerstühle sind durch Bruchtrennen hergestellte Einzelteile, die separat in ein Kurbelgehäuse eingesetzt sind. Die Lagerstühle werden im Kurbelgehäuse durch seitliche Passungen positioniert.

Aus der DD 93 667 ist ebenfalls eine Brennkraftmaschine bekannt, bei der die Kurbelwelle von Lagerdeckeln in Lagerstühlen gehalten wird. Die Lagerdeckel und Lagerstühle sind Einzelteile, die separat in ein Kurbelgehäuse eingesetzt sind. Die Lagerstühle werden durch zylindermittige Passstücke im Kurbelgehäuseoberteil positioniert.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine leicht zu montierende Lagerung des Triebwerkes einer Brennkraftmaschine zu schaffen, die die Möglichkeit bietet, die Einzelteile aus beanspruchungsgerechten Werkstoffen herzustellen, und gleichzeitig das Gewicht der Brennkraftmaschine nicht vergrößert.

Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruches 1 und ein Verfahren zur Montage einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruches 9 gelöst.

Die Brennkraftmaschine besteht aus einem Kurbelgehäuse, einem Zylinderkopf einem Triebwerk, das aus Kolben, Pleuel und Kurbelwelle zusammengesetzt ist, und einer Lagerung für das Triebwerk im Kurbelgehäuse, die wiederum aus einem Lagerstuhl und einem Lagerdeckel besteht. Der Lagerstuhl ist ein separates Bauteil und wird zusammen mit dem Triebwerk und dem Lagerdeckel außerhalb des Kurbelgehäuses vormontiert. Diese Einheit aus Lagerstuhl, Lagerdeckel und Triebwerk wird als Ganzes in das Kurbelgehäuse eingesetzt.

Diese Anordnung der Lagerung des Triebwerks bietet Vorteile bei der Montage und im Betrieb der Brennkraftmaschine. Eine Montage auf einer externen Montagevorrichtung ist einfacher und leichter zu bewerkstelligen als eine Montage in einem Kurbelgehäuse, das zur Triebwerksmontage mehrfach gedreht werden muss, und in dem beengte Platzverhältnisse herrschen. Weiterhin ist eine Montage des Triebwerks außerhalb des Kurbelgehäuses in den Lagerstuhl und den Lagerdeckel unempfindlicher gegen Fertigungstoleranzen. Bei herkömmlicher Montage der Kurbelwelle in einen kurbelgehäusefesten Lagerstuhl besteht bei einer toleranzbehafteten Bearbeitung der Lagergasse (Versatz der Lagermitten) die Gefahr, dass die Kurbelwelle im Betrieb klemmt oder bei jeder Umdrehung auf Biegung belastet wird. Bei der erfindungsgemäßen Montage sind die Lager aufgrund der externen Vormontage alle auf die Kurbelwelle zentriert und bleiben auch bei und nach der Montage auf die Kurbelwelle zentriert. Eine Passung der Einheit Kurbeltrieb-Lagerung im Kurbelgehäuse erfolgt zum Beispiel an zwei Punkten und die übrigen Lagerstellen richten sich bei der Montage nach der Kurbelwellenmitte aus. Dadurch ist es möglich, dass die Kurbelwelle versetzt im Kurbelgehäuse gelagert ist, aber nicht klemmt oder verbogen ist. Ein Versatz in einem Bereich, wie er aufgrund von Montagetoleranzen auftritt, ist so gering und daher für die Triebwerkskinematik und insbesondere für die Kolbenbewegung nicht von Nachteil. Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird die Gefahr eines Klemmens oder Verbiegens der Kurbelwelle aufgrund von Fertigungstoleranzen vermieden, bei gleichzeitig einfacherer Montage gegenüber einer herkömmlichen Triebwerkslagerung.

Durch die Möglichkeit einer beanspruchungsgerechten Werkstoffauswahl bietet die erfindungsgemäße Lagerung den Vorteil zum Beispiel ein Leichtmetallkurbelgehäuse mit einem Lagerstuhl und einem Lagerdeckel zu kombinieren, die die Belastungen aus den Gas- und Massenkräften ertragen und die Anforderungen an Wärmedehnung im Lagerbereich erfüllen. Dadurch ist es möglich das Kurbelgehäuse bzw. die Brennkraftmaschine als Ganzes leichter zu bauen, was Vorteile im Verbrauch ergibt.

In Ausgestaltung der Erfindung (Anspruch 2) ist in der Trennfläche zwischen dem Lagerstuhl und dem Kurbelgehäuse eine Nut vorgesehen. Die Nut ist im Lagerstuhl und/oder im Kurbelgehäuse und bildet einen Ölkanal. Auf diese Weise ist einfach ohne zu Bohren ein Ölkanal zum Beispiel beim Giessen herzustellen.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung (Anspruch 3) verläuft der Ölkanal in Gehäusequerrichtung und weist einen Zweigkanal zu einem Grundlager für die Kurbelwelle auf. Bei einem querverlaufenden Ölkanal ist es auf kostengünstige Weise möglich einen Zweigkanal zum Kurbelwellengrundlager vorzusehen, der in einem Bereich des Lagerstuhles verläuft, der für die Festigkeit des Lagerstuhles nicht von besonderem Interesse ist.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung (Anspruch 4) umspült das Öl für die Kurbelwellenschmierung die Schrauben zur Befestigung des Zylinderkopfes und/oder des Lagerstuhles. Durch Umspülen der Schrauben mit Schmieröl werden die Schrauben schnell auf die gleiche Temperatur wie die Brennkraftmaschine gebracht, wodurch eine übermäßige und ungleichförmige Ausdehnung aufgrund ungleicher Wärmedehnungen des Gehäuses und der Schrauben vermieden wird.

In einer förderlichen Ausgestaltung der Erfindung (Anspruch 5) sind die Schrauben zur Befestigung des Zylinderkopfes als Zuganker im Lagerdeckel eingeschraubt oder unterhalb des Lagerdeckel mit Muttern befestigt. Durch Einsatz von Zugankern werden das Kurbelgehäuse und die Lagerstühle von Zugkräften, die von den Gas- und Massenkräften der Brennkraftmaschine herrühren, entlastet. Wenn Muttern unterhalb des Lagerdeckels auf die Zuganker geschraubt sind, wird auch der Lagerdeckel von Zugkräften entlastet, jedoch benötigt eine derartige Lösung mehr Platz unterhalb des Triebwerks und dessen Lagerung.

Bei einer weiteren Ausführung der Erfindung (Anspruch 6) sind der Lagerstuhl und der Lagerdeckel durch Bruchtrennen (Cracken) aus einem einteiligen Werkstück hergestellt. Das Bruchtrennverfahren ermöglicht den Verzicht auf Hilfsmittel zur Passung des Lagerdeckels zum Lagerstuhl. Der Lagerstuhl und der Lagerdeckel sind zum Beispiel aus einem Eisenwerkstoff (GG oder Stahl), einer Aluminium-Faserverbund-Legierung oder aus einer Aluminium-Keramik-Legierung hergestellt.

Bei einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung (Anspruch 7) sind der Lagerdeckel und der Lagerstuhl aus einem Werkstoff hergestellt, dessen Wärmedehnung gleich oder kleiner der Wärmedehnung von Stahl ist. Bei einer Ausführung aller das Grundlager der Kurbelwelle umgebenden Bauteile mit einer Wärmeausdehnung, die kleiner oder gleich der von Stahl ist, vergrößert sich der Schmierspalt im Lager bei einer Temperaturerhöhung nicht. Der Lagerspalt ( d.h. der Schmierspalt) wird beim Zusammenbau der Einzelteile bei Umgebungstemperatur festgelegt. Bei Erwärmung der Brennkraftmaschine und des Schmieröls dehnen sich alle Bauteile aus. Bei gleicher Wärmeausdehnung bleibt bei erfindungsgemäßer Werkstoffwahl der Lagerspalt gleich groß. Bei einem Al-Lagerstuhl wird zum Beispiel der Lagerspalt größer mit steigender Temperatur. Bei einer Wärmeausdehnung des Lagerstuhles und des Lagerdeckels, die kleiner als die von Stahl (dem üblichen Kurbelwellenwerkstoff) ist, wird der Lagerspalt mit zunehmender Temperatur kleiner. Da aber mit zunehmender Temperatur das Schmieröl immer dünnflüssiger wird, bleiben die Eigenschaften im Lager trotz engerem Spalt erhalten. Insbesondere ist bei hohen Temperaturen nicht mit einem vergrößertem Öldurchsatz durch das Kurbelwellenlager zu rechnen, was Vorteile bei der Ölpumpenauslegung der Brennkraftmaschine ergibt, da die Ölpumpe nicht auf den großen Öldurchsatz bei heißem Betriebszustand und großem Lagerspalt ausgelegt werden muss. Ein über den gesamten Betriebsbereich gleich großes Lagerspiel hat zusätzlich akustische Vorteile.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung sind der Lagerstuhl und der Lagerdeckel direkt mit einer Gleitlagerlaufbahn beschichtet. Da beide Teile nicht besonders groß und einfach handzuhaben sind, ist es vorteilhaft die Gleitlagerlaufbahn direkt aufzubringen, d. h. auf sogenannte Lagerschalen zu verzichten. Die Lagerdeckel und Lagerstühle können mit der Laufschicht vermessen werden und den ebenfalls vermessenen Grundlagern zugeordnet werden, da sie beliebig im Kurbelgehäuse einsetzbar sind. Bei herkömmlicher Anordnung der Lager ist der Lagerstuhl fest mit dem Kurbelgehäuse verbunden, ein Austausch nicht möglich und die Zuordnung der Lagerdurchmesser nur über Lagerschalen möglich.

Das erfindungsgemäße Verfahren (Anspruch 9) zeichnet sich dadurch aus, dass bei der Montage einer Brennkraftmaschine in einem ersten Verfahrensschritt die Pleuel mit den Kolben auf einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine montiert werden, in einem zweiten Verfahrensschritt Lagerdeckel und Lagerstühle an Grundlagern der Kurbelwelle montiert werden und in einem weiteren Verfahrenschritt die vormontierte Einheit aus Lagerstühlen, Lagerdeckel und dem Triebwerk in das Kurbelgehäuse eingesetzt wird. Durch eine Montage des Triebwerkes und seiner Lagerung außerhalb des Kurbelgehäuses vereinfacht sich der Montagevorgang des Triebwerkes. Wenn der Lagerstuhl und der Lagerdeckel an allen Grundlagern der Kurbelwelle mit Schrauben verbunden sind, so dass die Teile bei der Montage nicht getrennt werden können, ist nur ein Montagevorgang zum Einlegen des gesamten Triebwerkes einschließlich der Lager ins Kurbelgehäuse notwendig. Anschließend werden die als Zuganker ausgebildeten Zylinderkopf schrauben, die bis zu den Lagerdeckeln reichen, eingeschraubt. Alternativ werden die Lagerdeckel mittels Schrauben, die durch die Lagerstühle führen, am Kurbelgehäuse festgeschraubt. Bei beiden Varianten wird aufgrund der Vormontage der Baugruppe Triebwerk mit Lagerung die Montagezeit in der eigentlichen Fertigungslinie der Brennkraftmaschine verringert. Eine externe Vormontage des Triebwerks in seiner Lagerung bietet den Vorteil, dass während und nach der Montage kein Klemmen oder Verkanten der Kurbelwelle in ihrer Lagerung auftreten kann, da die Lagerstühle und Lagerdeckel sich selbst auf dem Grundlager der Kurbelwelle zentrieren und bei der Montage im Kurbelgehäuse nur in Zylinderrichtung verspannt werden. Ein möglicherweise horizontaler Versatz der Kurbelwelle im Kurbelgehäuse, der bei der Montage der Lagerstühle und Lagerdeckel durch toleranzbehaftete Schraubenbohrungen auftritt, ist für das Triebwerk nicht schädlich, da die Toleranzen sich im Bereich von Bruchteilen von Millimetern bewegen.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung (Anspruch 10) werden der Lagerstuhl und der Lagerdeckel mit klassifizierten Lagerdurchmessern dem Durchmesser des Grundlagers der Kurbelwelle angepasst. Bei herkömmlicher Bauweise werden die Grundlagerdurchmesser der Kurbelwelle und der Lagerdurchmesser am Lagerstuhl und Lagerdeckel gemessen. Mit unterschiedlich dicken Gleitlagereinsätzen wird anschließend der gewünschte Lagerspalt eingestellt. Bei der erfindungsgemäßen Montagereihenfolge wird der Grundlagerdurchmesser der Kurbelwelle gemessen und anschließend werden die mit einer Gleitlagerschicht versehenen Lagerstuhl-Lagerdeckel-Einheiten entsprechend ihrer Durchmesserklassifikation den Kurbelwellenlagern zugeordnet. Da die Lagerstuhl-Lagerdeckel-Einheiten einfach handhabbar sind und weil gleichzeitig ein Vermessen und zuordnen der Gleitlagereinsätze entfällt ist eine erfindungsgemäße Montage des Triebwerkes einschließlich der Lagerung wirtschaftlicher.

Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt einen Querschnitt durch eine Brennkraftmaschine.
Eine Brennkraftmaschine 1 besteht aus einem Kurbelgehäuse 2, einem Lagestuhl 3, einem Lagerdeckel 4 und einer Ölwanne 5. Der Lagerstuhl 3 und der Lagerdeckel 4 umschließen ein Grundlager 6 einer nicht gezeigten Kurbelwelle. Unterhalb des Lagerdeckels 4 ist ein Versteifungsrahmen 7 mit dem Lagerdeckel und dem Kurbelgehäuse 2 verschraubt. Der Versteifungsrahmen 7 versteift die Triebwerkslagerung (Lagerstuhl 3, Lagerdeckel 4) und schließt den Triebwerksraum im Kurbelgehäuse 2 gegen den Ölwannenraum 8 in der Ölwanne 5 ab, damit aus der Ölwanne durch die Triebwerksbewegung kein Öl mitgerissen wird.
Der Lagerdeckel 4 ist durch zwei Schrauben 9 an den Lagerstuhl 3 geschraubt. Der Lagestuhl ist mittels zweier nicht gezeigter Zuganker mit dem nicht gezeigten Zylinderkopf verbunden. Die Zuganker befinden sich in Bohrungen 10, 11 im Kurbelgehäuse 2.
Das Schmieröl fließt im Öllängskanal 12 in Kurbelgehäuselängsrichtung. Bei der Übertrittstelle 13 fließt das Schmieröl vom Öllängskanal 12 in die Bohrung 10 für den Zuganker. In der Bohrung temperiert das Öl den Zuganker und fließt gleichzeitig in den Ölkanal 14. Der Ölkanal 14 ist im Bereich der Bohrungen 10, 11 im Kurbelgehäuse 2 zum Beispiel durch Vorgießen eingelassen. Ein Teil des Ölkanals 14 ist im Lagerstuhl 3 eingelassen. Dies kann durch Fräsen, Räumen oder ebenfalls durch Vorgießen erfolgen und ist abhängig vom Werkstoff des Lagerstuhls 3. Sowohl im Kurbelgehäuse 2 als auch im Lagerstuhl 3 ist der Ölkanal 14 als Nut ausgeführt, deren Ränder den Ölkanal (14) mit dem jeweils gegenüberliegenden Bauteil gegen den Kurbelraum abdichten.
Vom Ölkanal 14 fließt ein Teil des Öls über den Zweigkanal 15 durch den Lagerstuhl 3 zum Grundlager 6 der Kurbelwelle. Der Zweigkanal 15 ist so angeordnet, dass er an einer gering belasteten Stelle im Lagerstuhl 3 verläuft und an einer für das Gleitlager im Grundlager 6 vorteilhaften Stelle austritt. Der Lagerstuhl 3 und der Lagerdeckel 4 sind direkt mit einer Gleitlagerschicht versehen, es sind keine Lagerschalen eingesetzt. Der andere Teil des Schmieröls fließt durch den Ölkanal 14 zur Bohrung 11 für den Zuganker, um den dort befindlichen Zuganker zu temperieren. Durch schnelles Erwärmen der Zuganker durch das Schmieröl auf die Temperatur des Öls und des Kurbelgehäuses, wird eine übermäßige Zugbeanspruchung der Zuganker vermieden.
Da ein Kurbelgehäuse 2 aus einer Aluminiumlegierung eine höhere Wärmedehnung aufweist als ein Zuganker aus Stahl, würde ein Zuganker, der zusätzlich noch kälter ist als das umgebende Gehäuse, unnötig hoch auf Zug belastet werden, falls er nicht schnell auf die Temperatur des Kurbelgehäuses 2 gebracht werden würde.

Claims

Brennkraftmaschine (1) mit – einem Kurbelgehäuse (2), – einem Zylinderkopf, – einem Triebwerk, bestehend aus Kurbelwelle, Pleuel und Kolben und – einer Lagerung des Triebwerks im Kurbelgehäuse, bestehend aus mindestens einem Lagerdeckel (4) und mindestens einem Lagerstuhl (3), der separat in das Kurbelgehäuse eingesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Triebwerk mit Lagerdeckel und Lagerstuhl eine vormontierte Einheit bildet und die Lagerstühle und Lagerdeckel über die Kurbelwelle ohne jeweilige Passung der einzelnen Lagerstühle zum Kurbelgehäuse positioniert sind.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Nut im Kurbelgehäuse (2) und/oder im Lagerstuhl (3) in einer Trennfläche zwischen Kurbelgehäuse und Lagerstuhl einen Ölkanal (14) bildet.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ölkanal(14) in Gehäusequerrichtung verläuft und einen Zweigkanal (15) zu einem Grundlager (6) für die Kurbelwelle aufweist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Öl für die Kurbelwellenschmierung Schrauben zur Befestigung des Zylinderkopfes und/oder des Lagerstuhls (3) umspült.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Schrauben zur Befestigung des Zylinderkopfes als Zuganker im Lagerdeckel (4) eingeschraubt sind oder unterhalb des Lagerdeckels mit Muttern den Lagerdeckel halten.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerstuhl (3) und der Lagerdeckel (4) aus einem einteiligen Werkstück durch Bruchtrennen hergestellt sind.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerstuhl (3) und der Lagerdeckel (4) aus einem Werkstoff mit einer Wärmedehnung hergestellt sind, die gleich oder kleiner als die Wärmedehnung von Stahl ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerstuhl (3) und der Lagerdeckel (4) direkt mit einer Gleitlagerlaufbahn beschichtet sind.
Verfahren zur Montage einer Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit – einem Kurbelgehäuse (2) – einem Triebwerk, bestehend aus Kurbelwelle, Pleuel und Kolben und – einer Lagerung des Triebwerks im Kurbelgehäuse, bestehend aus einem Lagerdeckel (4) und einem Lagerstuhl (3), der separat in das Kurbelgehäuse eingesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass – in einem ersten Verfahrensschritt das Pleuel mit dem Kolben auf der Kurbelwelle montiert wird, – danach die Lagerstühle und die Lagerdeckel an Grundlagern (6) der Kurbelwelle montiert werden und – im Folgenden die vormontierte Einheit aus Lagerstühlen, Lagerdeckel, Kurbelwelle, Pleuel und Kolben im Kurbelgehäuse montiert werden.
Verfahren zur Montage einer Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerstuhl (3) und der Lagerdeckel (4) mit klassifizierten Lagerdurchmessern dem Durchmesser des Grundlagers (6) der Kurbelwelle angepasst werden.