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Anordnung zum Schmieren eines durch periodische Druckspitzen belasteten
Gleitlagers im Kolben bzw. Kreuzkopf eines Zweitakt dieselmotors Die Erfindung betrifft
eine Anordnung zum Schmieren eines durch periodische Druckspitzen belasteten Gleitlagers
im Kolben bzw. Kreuzkopf eines Zweitaktdieselmotors mittels einer in eine Schmierleitung
fördernden Schmierpumpe, unter Verwendung eines Rückschlagventils und einer Dichtung.
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Bei Kolben- und Kreuzkopflagern von Kolbenmaschinen bestehen allgemein
Schwierigkeiten bezüglich der Schmierung, da sie periodisch hohe Drücke aufnehmen
müssen und nur geringe Bewegungen ausführen, so daß sich ein dynamischer Schmierfilm
nicht ausbilden kann. Bei Zweitaktmotoren kommt der Umstand hinzu, daß diese Lager
dauernd unter gleichgerichteter Belastung stehen. Es tritt bei diesen Motoren nicht
die bei Viertaktmotoren während des Saughubes eintretende Belastungsumkehrung auf,
welche das Eindringen von Schmieröl zwischen die Lagerflächen begünstigt. Die Schwierigkeiten
sind derart, daß z. B. bei aufgeladenen Tauchkolbenmotoren die Belastung des Kolbenlagers
einer sonst vorteilhaften Erhöhung des Lade-und damit des Zünddruckes Grenzen setzt.
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Es sind andererseits sogenannte hydrostatische Lager bekannt, bei
welchen dem Lager Schmiermittel unter einem derart hohen Druck zugeführt wird, daß
dieser ein Aufliegen der Lagerfläche auch bei größter vorgesehener Belastung verhindert.
Diese Lager weisen eine minimale Reibung und praktisch keine Abnützung auf. Es ist
jedoch nicht möglich, z. B. dem Kolbenlager oder den Kreuzkopflagern eines Dieselmotors
auf dem üblichen Wege, d. h. durch die Kurbelwelle und die Pleuelstange Öl mit dem
für einen solchen Zweck erforderlichen hohen Druck zuzuführen. Es ist deshalb vorgeschlagen
worden, das Kreuzkopf- oder das Kolbenbolzenlager mit einer zusätzlichen, lokal
angeordneten Schmierpumpe zu versehen, welche das Schmieröl dem normalen Schmiersystem,
mit für die übrigen Lager ausreichenden Schmierdruck entnimmt, und dieses auf den
gewünschten höheren Druck bringt. Derartige Anordnungen machen jedoch den Motor
kompliziert und in erhöhtem Maße störungsanfällig.
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Es ist auch ein hydrostatisches Lager in der Form eines hydrostatischen
Entlastungskissens für Wellen bei der Bearbeitung bekanntgeworden, bei welchem der
tragende Druckraum mit einer elastischen Dichtung umgeben ist. Dieses Lager weist
jedoch keine tragende Gleitfläche auf und wird daher- bei Druckverlust in der Schmierleitung
sofort funktionsunfähig. Außerdem erfordert dieses Lager, wie alle hydrostatischen
Lager, den erwähnten hohen Druck des Schmiermittels. Es ist auch bei einer Kolbenbrennkraftmaschine
mit einem Rollenlager im Kolbenauge der Pleuelstange eine Schmieranordnung bekanntgeworden,
bei welcher Rückschlagventile in der Schmierleitung und eine Dichtung in der Nachbarschaft
des Rollenlagers verwendet werden. Bei den Rückschlagventilen handelt es sich um
die Ventile einer Schmierpumpe, welche durch Trägheitskraft betätigt, das Schmieröl
aus der Schmierleitung in der Kurbelwelle in das zu schmierende Rollenlager pumpen
soll. Die Dichtung ihrerseits soll einen ölabfluß zwischen dem Kolbenauge der Pleuelstange
und dem Kolben ins Kolbeninnere verhindern und das Öl durch Kanäle im Kolben zur
Zylinderwand lenken. Diese Anordnung ist kompliziert und kann dabei für den erfindungsgemäßen
Zweck nicht herangezogen werden, da sie keinen Einfluß auf die Belastbarkeit eines
Gleitlagers, ausübt.
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Schließlich ist eine Schmiereinrichtung für Kolbenbolzenlager von
Zweitaktbrennkraftmaschnen bekanntgeworden, bei welcher das Lager mit einer als
Ringnut ausgebildeten Ölkammer versehen ist. Zwischen dieser Ölkammer und der Schmierleitung
ist ein Rückschlagventil angeordnet, welches ein Zurückfließen des Öles aus des
Ölkammer in die Schmierleitung verhindern soll. Diese Schmieranordnung eignet sich
jedoch nur für niedrige Lagerbelastungen. Wird nämlich das Lager über das bei Gleitlagern
übliche Maß hinaus belastet, so wird das Öl von der tragenden Fläche weggedrückt,
und zwar
teils bei den Lagerenden heraus und teils auf den unbelasteten
Teil des Lagers zu. Diese Verdrängung zum unbelasteten Teil des Lagers wird durch
die das Lager umgebende Ölkammer noch begünstigt.
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Die erfindungsgemäße Anordnung, welche diese Nachteile nicht aufweist,
ist dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung die tragenden Gleitflächen des Gleitlagers
umgibt, das Rückschlagventil in der Schmierleitung unmittelbar vor deren Mündung
in die betreffende Gleitfläche angeordnet ist, und der von der Schmierpumpe entwickelte
Druck in der Schmierleitung geringer als die größte auftretende Flächenbelastung
der Gleitfläche des Lagers, jedoch größer als die geringste auftretende Flächenbelastung
ist. Dadurch wird während des Zeitraumes niedriger Belastung den Gleitflächen Schmiermittel
zugeführt und während des Zeitraumes höherer Belastung ein nennenswertes Entweichen
des Schmiermittels vor der Gleitfläche verhindert.
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Die erfindungsgemäße Anordnung gestattet also trotz einem Schmierdruck,
welcher wesentlich niedriger ist als die periodisch auftretende Druckspitze, die
dauernde Aufrechterhaltung eines Ölpolsters zwischen den zu schmierenden Flächen
nach der Art eines hydrostatischen Lagers, und weist im übrigen auch dessen Vorteile
bezüglich Reibungskoeffizient und Abnutzung auf. Dabei wird im Gegensatz zu den
bisher bekannten hydrostatischen Lagern eine weit geringere Schmierölzufuhr benötigt,
da das Entweichen des Schmieröles aus dem Lager durch die Dichtung gedrosselt wird.
Der Energieverbrauch für die Schmierung ist also bedeutend geringer.
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Die Erfindung wird an Hand einiger in den Zeichnungen schematisch
dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt F i g. 1 die erfindungsgemäße
Ausführung eines Kolbenlagers eines Dieselmotors, F i g. 2 die Dichtung aus F i
g. 1 in vergrößerter Darstellung, Fig.3 ein erfindungsgemäßes Kreuzkopflager eines
Großdieselmotors, F i g. 4 eine Seitenansicht zur F i g. 3, F i g. 5 den Verlauf
der Belastung des Kolben-bzw. des Kreuzkopflagers bei einem Dieselmotor, In F i
g. 1 ist in einem Kolben 1 eine Pleuelstange 2 mit einem Kugelkopf 3 in einer Lagerschale
4 gelagert. Die Lagerschale ist mit einer Dichtung 5 versehen. Die Pleuelstange
2 weist in bekannter Weise eine Bohrung 6 auf, die an das Schmiersystem des Motors
angeschlossen ist und das Schmieröl unter Druck dem Kolbenlager zuführt. Knapp vor
dem Austrittsende der Bohrung 6 ist ein Rückschlagventil 7 angeordnet, welches den
Durchfluß des Schmieröles aus der Bohrung 6 zum Lager zuläßt, in .umgekehrter Richtung
jedoch sperrt. Von der unteren Seite wird der Kugelkopf 3 von einer Lagerschale
9 umfaßt.
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Die Dichtung 5 besteht aus einem in einer Nut 8 befindlichen Dichtungsring
10 (vgl. F i g. 2), welcher durch einen Gummiring 11 elastisch gegen den
Kugelkopf 3 gedrückt wird. Der Gummiring 11 ist durch einen Dichtungsring mit kreisförmigem
Querschnitt, einen sogenannten O-Ring gebildet. Zwischen dem Dichtungsring 10 und
der unteren Begrenzungsfläche 9' der Nut 8 befindet sich ein Spalt a.
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In Fi g. 5 ist der Verlauf der Belastung p des Kolbenlagers bei einem
Dieselmotor während einer Kurbelwellenumdrehung ao dargestellt. Das Diagramm zeigt,
daß die Belastung des Lagers während mehr als der Hälfte einer Umdrehung verhältnismäßig
niedrig ist, und nur in der Nähe des oberen Totpunktes OTP eine hohe Spitze pmax
aufweist. Wird dem Lager das Schmieröl mit einem im Diagramm mit p, bezeichneten
Druck zugeführt, so gelangt dieses während der Zeit mit kleiner Belastung zwischen
die zu schmierenden Flächen, würde jedoch ohne besondee Vorkehrungen während der
Zeit der Druckspitzen aus dem Lager wieder verdrängt werden.
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Erfindungsgemäß wird diese Verdrängung durch die Dichtung 5 und das
Rückschlagventil 7 verhindert. Auf diese Weise bleibt das Öl auch während des Druckanstieges
zwischen den Lagerflächen gefangen und kann nicht entweichen, so daß eine metallische
Berührung der Lagerschale 4 mit dem Kugelkopf 3 verhindert wird. Ein übermäßiges
Abheben des Kugelkopfes 3 von der Lagerschale 4 durch den Schmierdruck in unbelastetem
Zustand, welches zu einer Beschädigung der unteren Lagerschalen 9 führen könnte,
wird durch die Begrenzungsfläche 9' der Nut 8 verhindert. Wird nämlich durch die
Einwirkung des Schmieröldruckes die Schale 4 vom Kugelkopf 3 abgehoben, so bewegt
sich in F i g. 2 die Lagerschale 4 zusammen mit der Nut 8 nach oben, während der
Dichtungsring 10 durch den Einfluß des auf ihn wirkenden Druckes und der elastischen
Kraft des Gummiringes 11 in Berührung mit dem Kugelkopf 3
gehalten
wird, so daß sich der Spalt zwischen dem Dichtungsring 10 und der Begrenzungsfläche
9' verringert. Dieser in F i g. 2 eingezeichnete und mit a bezeichnete Spalt
ist dabei so gewählt, daß beim Erreichen des höchstzulässigen Abstandes zwischen
den Auflageflächen des Kugelkopfes 3 und der Lagerschale 4 die Begrenzungsfläche
9' auf den Dichtungsring 10 anschlägt. Bei einer weiteren Bewegung der Schale
4 wird der Ring 10 mitgenommen und ermöglicht ein Ausströmen des Öles aus dem Lager.
Dadurch wird der im Lager wirkende Druck zum Sinken gebracht und eine weitere Auseinanderbewegung
der Lagerteile verhindert.
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An der Mündung der Ölzuführung kann eine Abplattung 12 vorgesehen
sein, welche eine Angriffsfläche für den öldruck aus der Schmierleitung auch dann
bietet, wenn nach einem längeren Stillstand die eigentlichen Gleitflächen vollständig
dicht aufeinander aufliegen, so daß bei einsetzendem Schmierdruck vor oder unmittelbar
beim Start ein Abheben der Lagerflächen voneinander erfolgt. Es versteht sich, daß
diese Angriffsfläche z. B. auch durch eine in F i g. 1 gestrichelt dargestellte
Ausnehmung 13 in der Lagerschale 4 gebildet sein kann.
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Die F i g. 3 und 4 zeigen eine Anwendung des erfindungsgemäßen Lagers
bei einem Kreuzkopf. In F i g. 3 sind eine Kolbenstange 30 und eine Pleuelstange
31 mittels eines Kreuzkopfzapfens 32, welcher an seinen Enden Gleitschuhe 33 trägt,
verbunden. Die Pleuelstange 31 stützt sich gegen den Zapfen 32 mit einer Lagerschale
34. Die Lagerschale 34 ist erfindungsgemäß mit einer Dichtung versehen, welche aus
bogenförmigen Teilen 35 und geraden Dichtungsleisten 36 besteht. Die Teile 35 und
die Leisten 36 werden durch elastische Mittel, wie z. B. Federn 37, gegen den Zapfen
32 gedrückt. Die Bewegung der Bögen 35 ist durch Anschlagstifte 41 begrenzt, deren
Funktion der der Anschlagfläche 9 in F i g. 2 entspricht.
Die Pleuelstange
ist mit einer ölführenden Bohrung 38, einem Rückschlagventil 39 und einer Ausnehmung
40, zur Erleichterung des Anhebens, ausgestattet. Die Funktion der in den F i g.
3 und 4 dargestellten Anordnung entspricht derjenigen nach den F i g. 1 und 2.
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Es ist wegen des geringen Öldurchsatzes ohne weiteres möglich, in
die Schmierölzufuhr der erfindungsgemäßen Anordnung lokale Ölfilter einzubauen,
um besonders gereinigtes Schmieröl zuzuführen, was die Betriebssicherheit noch weiter
verbessert.
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Die erfindungsgemäße Anordnung hat noch den bedeutenden Vorteil, daß
bei einem Ausfallen des Schmierdruckes nicht sofort die Tragfähigkeit des Lagers
verschwindet, wie dies bei den bekannten hydrostatischen Lagern der Fall ist. Durch
die Wirkung der Dichtung und des Rückschlagventils dauert es einige Zeit, bevor
das Schmieröl in dem Maße aus dem Lager entweicht, daß es zur gegenseitigen Berührung
der Lagerflächen kommt. Während dieser Zeit ist es möglich, entweder z. B. den Motor
abzustellen oder andere Maßnahmen zur Behebung des Defektes zu ergreifen, bevor
eine Zerstörung des Lagers stattfindet.