DE19606992C1

DE19606992C1 - Lagerschale sowie Verfahren und Gesenk zum Umformen von Lagerschalen

Info

Publication number: DE19606992C1
Application number: DE19606992A
Authority: DE
Inventors: Uwe Dr Lehmann
Original assignee: GLYCO METALL WERKE; Glyco Metall Werke Glyco BV and Co KG
Current assignee: Federal Mogul Wiesbaden GmbH
Priority date: 1996-02-24
Filing date: 1996-02-24
Publication date: 1997-07-17
Anticipated expiration: 2016-02-25

Description

Die Erfindung betrifft eine Lagerschale gemäß des Oberbegriffs von Patentanspruch 1 Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren und auf ein Gesenk zum Umformen von Lagerschalen.

Hauptanwendungsgebiete von Lagerschalen sind die Lagerung von Kurbelwellen und Pleueln in Verbrennungskraftmaschinen. Da die Lagerschalen hierbei den Betriebskräften und hohen thermischen Belastungen ausgesetzt sind, müssen ein optimaler und unverrückbarer Sitz der Lagerschale im Lagergehäuse bzw. dem Pleuel angestrebt werden, um Lagerschäden zu vermeiden. Man spricht in diesem Zusammenhang vom Tragbild der Lagerschale, das durch den Preßsitz und eine einwandfreie Geometrie der Lagerschale, wie Planheit und Rundheit bestimmt wird.

Ein schlechtes Tragbild kann folgende negative Auswirkungen hervorrufen:

- die Lagerschale kann bei Nichtanliegen des Lagerrückens am Gehäuse infolge der auftretenden wechselnden Druckbelastungen im Betrieb durchfedern. Dadurch erfolgt eine zusätzliche schwingende Beanspruchung der Lagerschale.
- Die Wärmeabfuhr der im Lager entstehenden Reibungswärme ist schlechter.
- Es tritt eine Ölkohlebildung auf dem Lagerrücken auf. Dies kann zu Aufwerfungen in der Lauffläche (Durchdrücken der Ölkohle) und lokalem Verschleiß an dieser Stelle führen, wie dies beispielsweise in W. J. Bartz, "Schäden an geschmierten Maschinenelementen", Kontakt & Studium, Band 28, Kap. 6 von E. Roemer mit dem Titel "Gleitlagerschäden in Kolbenmaschinen und ihre Verhütung", S. 151f beschrieben wird. In diesem Aufsatz wird auch darauf hingewiesen, daß es sich bei der Reibkorrosion nicht nur um eine Aufrauhung von Berührungsflächen handelt, sondern daß bei entsprechend hoher Beanspruchung auch Risse entstehen, die zu Dauerbrüchen von Maschinenteilen, wie beispielsweise Pleuelstangen, führen können.
- Zwischen Lagerschale und Gehäuse treten Relativbewegungen auf, die zu Fretting und Materialaufwerfungen führen können. Dies verstärkt die genannten negativen Auswirkungen.

Um einen guten Sitz der Lagerschale in der Aufnahmebohrung bei der Montage zu erzielen, muß der Außendurchmesser des aus zwei Lagerschalen gebildeten Zylinders größer sein als der Durchmesser der Aufnahmebohrung. Dies wird dadurch erreicht, daß man die Lagerschale, die in die Aufnahmebohrung mit dem Durchmesser Q eingebaut werden soll, mit einer Spreizung s versieht (vergl. DE-PS 6 40 449). Eine Lagerschale mit dem gewünschten Durchmesser Q und der Spreizung s wird so hergestellt, daß die Lagerschale in Gesenken mit dem Durchmesser Q + s (oder etwas größer) umgeformt wird. Dabei ist die Lagerschale etwas kurzer als die Umfangslänge des Halbkreises mit dem Durchmesser Q + s.

Nach dem Umformen hat die Lagerschale einen Außenradius von (Q + s)/2.

Beim Einbau wird die Spreizung s aufgehoben, wodurch sich die Lagerschale verformt. Die so verformte Lagerschale besitzt keine Kreiskontur mehr sondern etwa eine "Glockenform". Die größten Abweichungen von der Kreisform stellen sich in den Bereichen von ca. 30° unterhalb der Teilflächen ein. Dies bedeutet, daß die Lagerschale im Bereich der Teilflächen und im Scheitelpunkt mit größeren Drücken anliegt als in den übrigen Bereichen.

Diese Abweichung von der Kreisform kann zwar beim Einbau durch eine genügend hohe Tangentialspannung aufgehoben werden, jedoch führt dies zu folgenden Nachteilen:

- der Radialdruck zwischen der Lagerschale und dem Gehäuse ist an den Stellen, die Abweichungen von der Kreisform (nach innen) aufweisen, nicht so hoch wie an den Stellen mit einwandfreier Kontur, da ein Teil des Radialdruckes für eine Verformung der Lagerschale zur Aufhebung der Abweichung von der Kreisform aufgebraucht wird,
- unter Betriebskräften und/oder der Temperatur weitet sich das Gehäuse bzw. der Pleuel und die Tangentialspannung läßt nach. Eine Aufweitung unter Temperatur erfolgt dann, wenn der Wärmeausdehnungskoeffizient des Gehäuses bzw. Pleuels größer als der Wärmeausdehnungskoeffizient der Lagerschale ist. Dies ist z. B. bei Motorgehäusen aus Aluminium der Fall, die heute häufig eingesetzt werden. Die Lagerschale nimmt ggf. ihre Ausgangsform, nämlich ihre "Glockenkontur" wieder an und es kann zu einem Abheben der Lagerschale vom Gehäuse bzw. Pleuel kommen.

Aufgabe der Erfindung ist daher eine Lagerschale, die auch unter Betriebsbedingungen an ihrer gesamten Umfangsfläche einwandfrei am Gehäuse bzw. Pleuel anliegt. Es ist auch Aufgabe, ein Verfahren und ein Gesenk zum Umformen von solchen Lagerschalen bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird mit einer Lagerschale gemäß Patentanspruch 1, einem Verfahren gemäß Patentanspruch 2 und einem Gesenk gemäß Patentanspruch 4 gelöst.

Die Aufgabe wird mit einer Lagerschale gelöst, bei der im nicht eingebauten Zustand für den Außenradius R_L gilt:

R_L (ϕ_L) = (Q/2 - Δ (ϕ_L)

mit Δ(ϕ_L) = [s/2-(1/2-ϕ_L/π)·s· cosϕ_L-s/2· sinϕ_L]·a
und ϕ_L = Umfangswinkel der Lagerschale,
wobei a Werte zwischen 0,1 und 2 annehmen kann, für die Größen R_L, Q und s die gleichen Längeneinheiten, vorzugsweise mm einzusetzen sind und der Winkel ϕ_L zwischen 0 und 180° bzw. 0 und, π liegt.

Die erforderliche Abweichung Δ (ϕ_L) des Radius R_L von der Kreisform (Q + s)/2 läßt sich aus der Kontur einer herkömmlichen Lagerschale mit dem Radius R_L = (Q + s)/2 ermitteln, die von ihr in einer Aufnahmebohrung mit dem Durchmesser Q aufgrund der Aufhebung der Spreizung s angenommen wird. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die hierbei auftretende negative Verformung Δ(ϕ_L) der Lagerschale, die eingangs als Glockenkontur beschrieben wurde, als positive Verformung |Δ(ϕ_L)| bei der Uniformung der Lagerschale berücksichtigt werden muß, damit die Lagerschale beim Einbau in die Lagerbohrung eine kreisrunde Gestalt annimmt und mit ihrer gesamten Umfangsfläche an der Lagerbohrung anliegt. Der nach wie vor erforderliche Preßsitz der Lagerschale durch Aufbringen entsprechender Kräfte auf die Teilflächen bewirkt, daß der Radialdruck an jedem Punkt der Lagerschale gleich groß ist, wenn man voraussetzt, daß durch die Erschütterungen im Betrieb ein kurzes Aufheben der Reibungswiderstände zwischen Lagerrücken und Gehäuse auftritt, so daß überall in der Lagerschale gleich große Tangentialkräfte wirken. Wenn im Betriebszustand sich die Tangentialkräfte in der Lagerschale in der Größe verändern sollten, bleibt trotzdem an jedem Punkt der Lagerschale ein Radialdruck zwischen Lagerrücken und Gehäusebohrung (Pleuelbohrung) erhalten und ein Abheben der Lagerschale an gewissen Stellen wird verhindert. Die bei herkömmlichen Lagerschalen beobachteten Verschleißerscheinungen als Folge eines unsauberen Tragbildes am Lagerrücken treten nicht auf, so daß die Lebensdauer der erfindungsgemäßen Lagerschale deutlich gesteigert werden konnte.

In die Formel für Δ(ϕ_L) geht der Durchmesser D der Lagerschale dann nicht ein, wenn die beim Einbau in die Lagerbohrung auf die Teilflächen einwirkende äußere Kraft gerade die Spreizung aufhebt.

Um die erfindungsgemäße Lagerschalenkontur zu erzielen, sind entsprechende Umformverfahren notwendig.

Gemäß einer ersten Verfahrensvariante wird die Umformung des bandförmigen Halbzeugs in einem Gesenk mit dem Radius R_G durchgeführt, für den gilt:

R_G (ϕ_G) = (Q+s)/2 - Δ(ϕ_G)

mit Δ(ϕ_G) = [s/2 - (1/2 - ϕ_G/π) ·s· cos ϕ_G - s/2 sin ϕ_G] · a
und ϕ_G = Umfangswinkel des Gesenks,
wobei a Werte zwischen 0,1 und 2 annehmen kann, für die Größen R_G, Q und s die gleichen Längeneinheiten, vorzugsweise mm einzusetzen sind und der Winkel ϕ_G zwischen 0 und 180° bzw. 0 und π liegt.

Nach dem Verlassen des Gesenks weist die umgeformte Lagerschale die erfindungsgemäße Kontur auf.

Gemäß einer zweiten Verfahrensvariante wird die Lagerschale in einem Gesenk mit dem Radius R_G = Q/2 durchgeführt. Anschließend wird zur Ausbildung der erforderlichen Spreizung s die Lagerschale an ihrer Innenseite benachbart zu den Teilflächen erfaßt und aufgebogen. Vorzugsweise wird die umgeformte Lagerschale mit einer Kraft größer

F = 2s· (E.Z)/(πR_L³)

aufgebogen, wobei E der Elastizitätsmodul des Lagerschalenmaterials und Z eine dem Flächenträgheitsmoment verwandte Größe (s. Göldner/Holzweissig "Leitfaden der technischen Mechanik" VEB Fachbuchverlag, 11. Aufl. 1989, S. 181) bedeutet. Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Lagerschale,

Fig. 2 eine Auftragung des Außenradius der in Fig. 1 gezeigten Lagerschale,

Fig. 3 eine Seitenansicht einer Lagerschale zur Verdeutlichung eines der beiden Umformverfahren,

Fig. 4 ein Lagergehäuse mit einer eingebauten herkömmlichen Lagerschale,

Fig. 5 ein Lagergehäuse mit einer eingebauten erfindungsgemäßen Lagerschale,

Fig. 6 eine graphische Darstellung der Verformung einer Lagerschale und

Fig. 7 eine graphische Darstellung der Abweichung Δ.

In der Fig. 1 ist eine Lagerschale 1 dargestellt, die den Außenradius R_L(ϕ_L) besitzt. ϕ_L bedeutet den Umfangswinkel, der in der hier gezeigten Ausführungsform von der Teilfläche 3 aus gerechnet wird. An der Teilfläche 3 ist ϕ = 0. Zwischen der Teilfläche 3 und der Teilfläche 2 überstreicht der Winkel ϕ_L insgesamt 180°.

Die erfindungsgemäße Kontur der in Fig. 1 gezeigten Lagerschale ist deutlicher in der schematischen Darstellung der Fig. 2 zu sehen. Der Verlauf des die Außenkontur der Lagerschale bestimmenden Außenradius R_L(ϕ_L) = (Q + s)/2 - Δ (ϕ_L) ist als durchgezogene Linie eingezeichnet. Ein Kreisbogen mit dem Radius (Q + s)/2 ist gestrichelt eingezeichnet, so daß die positive Verformung, d. h. der Betrag der Abweichung Δ(ϕ_L) zu erkennen ist.

Um zu der in Fig. 2 gezeigten Kontur zu gelangen, kann gemäß einer Verfahrensvariante zunächst eine Umformung der Lagerschale in einem Gesenk durchgeführt werden, das den Radius Q/2 aufweist. Eine derart umgeformte Lagerschale 1′ ist in der Fig. 3 in Seitenansicht dargestellt. Um die erforderliche Spreizung s herbeizuführen, werden an der Innenseite 7 der Lagerschale 1′ in der Nähe der Teilflächen 2 und 3 Kräfte F größer als F = 2s · (E.Z)/(πR_L3) angelegt, um die Lagerschale in die Lagerschale 1 mit dem Außenradius R_L(ϕ_L) = (Q + s)/2 - Δ(ϕ) zu überführen.

In der Fig. 4 ist eine herkömmliche Lagerschale 10 in einem Lagergehäuse 5 eingebaut. Die Lagerbohrung 6 des Lagergehäuses 5 besitzt einen Radius Q/2 und die herkömmliche Lagerschale 10 besitzt einen (hier nicht eingezeichneten) Außenradius (Q + s)/2. Aufgrund des Einbaus wird die Spreizung aufgehoben und die Lagerschale 10 nimmt eine Glockenform ein, was bedeutet, daß die Lagerschale 10 im Bereich der Teilflächen 20 und 30 sowie im Scheitelpunkt 40 an der Lagerbohrung 6 anliegt und in den übrigen Bereichen u. U. Freiräume auftreten können.

In den Fig. 6 und 7 ist für eine solche herkömmliche Lagerschale mit einem Durchmesser von 57 mm und eine Spreizung von s = 2 mm die hierbei auftretende radiale Verformung, d. h. die Verformung in Richtung des Mittelpunktes, dargestellt. An den Unfangsstellen 0° und 180° tritt jeweils eine radiale Verformung von 1 mm auf, wodurch die in diesem Beispiel gewählte Spreizung im freien Zustand von 2 mm gerade aufgehoben wird. Es ist deutlich zu sehen, daß die Kurve in Fig. 6 eine Glockenkurve darstellt. Die entsprechende Abweichung von der Kreisform, die der Abweichung Δ entspricht, ist in Fig. 7 eingezeichnet. Der Bereich, in dem sich die Δ-Kurve aufgrund der Wahl des Faktors a bewegen kann, ist schraffiert eingezeichnet.

Im Vergleich dazu ist in der Fig. 5 eine erfindungsgemäße Lagerschale 1 in einem Lagergehäuse 5 eingebaut. Aufgrund der zusätzlich berücksichtigten Verformung Δ liegt die Lagerschale 1 in der Lagerbohrung 6 im Betrieb überall an und die Radialdrücke S_R sind an allen Stellen gleich groß.

Bezugszeichenliste

1 Lagerschale
1′ Lagerschale
2 Teilfläche
3 Teilfläche
4 Scheitelpunkt
5 Lagergehäuse
6 Lagerbohrung
7 Innenfläche
10 Lagerschale
20 Teilfläche
30 Teilfläche
40 Scheitelpunkt.

Claims

1. Lagerschale mit dem Außenradius R_L, die im nicht eingebautem Zustand eine Spreizung s aufweist, für den Einbau in eine Lagerbohrung mit dem Durchmesser Q, dadurch gekennzeichnet,
daß im nicht eingebauten Zustand für den Außenradius R_L gilt: R_L(ϕ_L) = (Q)/2 - Δ(ϕ_L)mit Δ(ϕ_L) = [s/2 - (1/2 - ϕ_L/π) ·s · cos ϕ_L - s/2 · sinϕ_L] · a
und ϕ_L = Umfangswinkel der Lagerschale,
wobei a Werte zwischen 0, 1 und 2 annehmen kann, für die Größen R_L, Q und s die gleichen Längeneinheiten, vorzugsweise mm einzusetzen sind und
der Winkel ϕL zwischen 0 und 180° bzw. 0 und π liegt.

2. Verfahren zum Umformen einer Lagerschale mit dem Außenradius R_L für den Einbau in eine Lagerbohrung mit dem Durchmesser Q, bei dem das bandförmige Halbzeug in eine runde Schale mit einer Spreizung s umgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Umformen in einem Gesenk mit dem Radius R_L durchgeführt wird, für den gilt: R_G(ϕG) = (Q+s)/2 - Δ(ϕG)mit Δ(ϕG) = [s/2 - (1/2 - ϕG/π) ·s· cosϕ_G - s/2 sinϕ_G]· a
und ϕG = Umfangswinkel des Gesenks,
wobei a Werte zwischen 0, 1 und 2 annehmen kann, für die Größen R_G, Q und s die gleichen Längeneinheiten, vorzugsweise mm einzusetzen sind und der Winkel ϕG zwischen 0 und 180° bzw. 0 und π liegt.

3. Verfahren zum Umformen einer Lagerschale mit dem Außenradius R_L gemäß Anspruch 1 für den Einbau in eine Lagerbohrung mit dem Durchmesser Q, bei dem das bandförmige Halbzeug in eine Schale mit einer Spreizung s umgeformt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß das Umformen in einem Gesenk mit dem Radius R_G = Q/2 erfolgt und
daß anschließend zur Ausbildung der Spreizung s die Lagerschale an ihrer Innenseite benachbart zu den Teilflächen erfaßt und aufgebogen wird.

4. Gesenk mit dem Radius R_G zum Umformen von Lagerschalen gemäß Anspruch 1 für den Einbau in eine Lagerbohrung mit dem Durchmesser Q, dadurch gekennzeichnet, daß für den Radius R_G gilt: R_G = Q/2 oder
R_G(ϕ_G) = (Q+s)/2 - Δ(ϕ_G)mit s = Spreizung der Lagerschale
ϕG = Umfangswinkel des Gesenks und
Δ(ϕ_G) = [s/2 - (1/2 - ϕ_G/π) ·s· cosϕ_G - s/2 sin ϕ_G] · a
wobei a Werte zwischen 0,1 und 2 annehmen kann, für die Größen R_G, Q und s die gleichen Längeneinheiten, vorzugsweise mm einzusetzen sind und
der Winkel ϕ_G zwischen 0 und 180° bzw. 0 und π liegt.