DE19818120A1 - Kurbelwellengleitlagerung - Google Patents

Abstract

Es ist eine Kurbelwellengleitlagerung für Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen mit einem Lagerstuhl, einer in dem Lagerstuhl gelagerten Kurbelwelle und einer zwischen dem Lagerstuhl und der Kurbelwelle angeordneten Lagerschale vorgesehen. Zwischen der Lagerschale und dem Lagerstuhl ist am äußeren Umfang der Lagerschale wenigstens abschnittweise zusätzlich eine Kompensationseinrichtung angeordnet, deren Wärmeausdehnungskoeffizient alpha_K derart größer ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient alpha_L des Lagerstuhles, daß sie eine temperaturabhängige Aufweitung eines Lagerspaltes zwischen der Lagerschale und der Kurbelwelle wenigstens reduziert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kurbelwellengleitlagerung für Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen mit einem Lagerstuhl, einer in dem Lagerstuhl gelagerten Kurbel­ welle und einer zwischen dem Lagerstuhl und der Kur­ belwelle angeordneten Lagerschale.

Aus der DE 9 48 377 ist ein Leichtmetall-Lager bekannt, bei dem eine ungeteilte Laufbuchse eines Gleitlagers in einem Lagergehäuse, die unter Ausnutzung der ver­ schieden großen Wärmeausdehnungskoeffizienten der La­ gerwerkstoffe während des Betriebes nur bei hohen La­ gertemperaturen an dem Lagergehäuse anliegt. Das Spiel der ungeteilten Buchse ist derart bemessen, daß sie bei geringen Lagertemperaturen auf der Welle aufsitzt, wobei nur zwischen der aufsitzenden Buchse und dem Lagergehäuse Spiel vorhanden ist. Bei einem Ansteigen der Lagerbetriebstemperatur verlagert sich dieses Spiel in Richtung der Welle bis zum Anliegen der Lauf­ buchse an dem Lagergehäuse, wobei eine bleibende Ver­ formung der Buchse ausgeschlossen sein soll.

Nachteilig ist dabei jedoch, daß für die beschriebene Lösung ein hoher Fertigungsaufwand bzw. eine sehr gro­ ße Präzision bei der Herstellung der Buchse erforder­ lich ist.

Die DE-OS 14 25 123 offenbart ein Koppelgehäuse mit eingegossenen Stahlringen, mittels denen eine Anglei­ chung der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen der La­ gerbauteile erreicht werden soll. Darüber hinaus soll das ursprüngliche Lagerspiel als auch Sitz zwischen Lager und Gehäuse erhalten bleiben. Die einzugießenden Stahlringe sind zwecks guter Verankerung mit dem Leichtmetallwerkstoff vorzugsweise verzahnt ausgebil­ det.

Dabei ist jedoch von Nachteil, daß die Stahlringe die temperaturabhängige Ausdehnung des Leichtmetallkurbel­ gehäuses aufgrund eines kleineren Wärmeausdehnungs­ koeffizienten inhomogen behindern, so daß es bei höhe­ ren Lagertemperaturen zu irreversiblen Veränderungen im Werkstoffgefüge des Leichtmetallkurbelgehäuses kom­ men kann.

Die DE 39 01 167 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Einhaltung kleinster Spaltweiten zwischen Rotor und Gehäuse einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Kreiselpumpe. Die den Spalt umgebenden Gehäusewandun­ gen sind mit einer Einrichtung zum Beheizen versehen, wobei die die Spaltweite begrenzende Wandfläche nach­ gebend gestaltet ist. Alternativ zu der Einrichtung zum Beheizen der Gehäusewandungen wird eine Lösung vorgestellt, welche zwischen dem Gehäuse der Kreisel­ pumpe und der Pumpenwelle eine elastisch nachgebende Einrichtung aufweist. Die elastische Einrichtung und das zwischen der elastischen Einrichtung und der Pum­ penwelle angeordnete Bauteil kompensieren die Schwin­ gungen der Pumpenwelle.

Diese Lösung weist jedoch den Nachteil auf, daß mit­ tels der elastischen Einrichtung im wesentlichen Druckspannungen im Lager kompensiert werden, jedoch eine Lagerspaltaufweitung aufgrund unterschiedlichen Wärmeausdehnungsverhaltens der einzelnen Lagerelemente nicht zufriedenstellend vermieden werden kann.

Allgemein mit der Kurbelwellengleitlagerung befassen sich auch die DE 33 09 792 C2 und die DE 81 12 507 U1.

Bei allen aus der Praxis bekannten Gleitlagern für Verbrennungsmotoren mit einer Kurbelwelle aus Stahl und einem Kurbelgehäuse bzw. Lagerstühlen aus Leicht­ metall, wie z. B. Aluminium, ist die Höhe des Lager­ spaltes temperaturabhängig. Die Tragfähigkeit des Gleitlagers nimmt mit steigender Lagertemperatur auf­ grund einer stärkeren Aufweitung des Lagerspaltes ab.

Damit ist nachteilhafterweise eine Leckage verbunden, welche zur Folge hat, daß mit einer zunehmenden Auf­ weitung des Lagerspaltes die für die Schmierung not­ wendige Öldurchsatzmenge ansteigt. Das wiederum erfor­ dert für eine ausreichende Schmiermittelversorgung des Gleitlagers eine höhere Ölpumpenleistung.

In extremen Betriebssituationen bzw. bei hohen Lager­ temperaturen entweicht bei einigen Motoren so viel Öl durch die Lagerspalte, daß der Öldruck derart absinkt, daß die Pleuellager nicht mehr ausreichend mit Öl ver­ sorgt werden können.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einer Kurbelwellengleitlagerung und ins­ besondere bei einem Kurbelgehäuse aus Leichtmetall die temperaturabhängige Aufweitung des Lagerspaltes zu minimieren, so daß ein geringer Ölbedarf und eine aus­ reichende Schmiermittelversorgung der Kurbelwel­ lengleitlagerung über den gesamten Betriebsbereich einer Brennkraftmaschine gewährleistet ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Pa­ tentanspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Dadurch, daß zwischen der Lagerschale und dem Lager­ stuhl am äußeren Umfang der Lagerschale eine wenig­ stens abschnittsweise ausgebildete Kompensationsein­ richtung, deren Wärmeausdehnungskoeffizient α_K größer ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient α_L des Lager­ stuhles, vorgesehen ist, wird einem unterschiedlichen Wärmeausdehnungsverhalten des Lagerstuhles und der Kurbelwelle entgegengewirkt. Dabei ist von Vorteil, daß sich die Kompensationseinrichtung bei einer Erhö­ hung der Lagertemperatur stärker ausdehnt als das Ma­ terial der Lagerschale, wodurch letztere entgegen der Kurbelwelle gedrückt wird und die Höhe des Lagerspal­ tes zwischen Kurbelwelle und Lagerschale minimiert wird.

Die Erfindung löst vor allem das Problem der Lager­ spaltaufweitung bei einer Kurbelwellengleitlagerung in Leichtmetall-Motoren, bei denen sie die thermische Aufweitung des Lagerspaltes in Grenzen hält. Dadurch reduziert sich vorteilhafterweise das Problem auf die Lagerproblematik herkömmlicher Motoren, die im Prinzip beherrschbar ist.

Da die Öldurchsatzmenge im Lagerspalt etwa mit der dritten Potenz zur Spalthöhe steigt, wird bereits mit einer Reduzierung der Spaltaufweitung gemäß der Erfin­ dung der exponentiell steigende Leckölstrom drastisch begrenzt. Dadurch kann die Ölpumpe kleiner ausgelegt werden. Damit sinkt die Verlustleistung und die Öltem­ peratur.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig be­ schriebenen Ausführungsbeispiel.

Es zeigt:

Fig. 1 einen schematisierten Längsschnitt durch eine Kurbelwellengleitlagerung mit einem Lager­ stuhl, einer Kurbelwelle, einer Lagerschale und einer zwischen der Lagerschale und dem Lagerstuhl angeordneten Kompensationseinrich­ tung;

Fig. 2 eine Seitenansicht der Lagerschale gemäß Fig. 1 in zweiteiliger Ausführung; und

Fig. 3 die Lagerschale gemäß Fig. 1, wobei zwischen den beiden Teilen der Lagerschale eine zahnartige Verbindung vorgesehen ist.

In Fig. 1 ist eine Kurbelwellengleitlagerung für Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen mit einem La­ gerstuhl 1 eines nicht näher dargestellten Kurbelge­ häuses und einer in dem Lagerstuhl 1 gelagerten Kur­ belwelle 2 dargestellt. Zwischen dem Lagerstuhl 1 und der Kurbelwelle 2 ist eine zweiteilig ausgeführte La­ gerschale 3 und eine Kompensationseinrichtung 4 in der Art einer Hinterfütterung vorgesehen, deren Wärmeaus­ dehnungskoeffizient α_K größer ist der Wärmeausdeh­ nungskoeffizient α_L des Lagerstuhles 1.

Die Kompensationseinrichtung 4 ist am äußeren Umfang der Lagerschale 3 zwischen dem Lagerstuhl 1 und der Kurbelwelle 2 angeordnet.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Wärmeaus­ dehnungskoeffizient α_K um den Faktor 3 größer als der Wärmeausdehnungskoeffizient α_L des Lagerstuhles 1, womit eine temperaturabhängige Aufweitung eines zwi­ schen der Lagerschale 3 und der Kurbelwelle 2 ausge­ bildeten Lagerspaltes 5 mit zunehmender Temperatur im wesentlichen verhindert werden kann.

Es liegt selbstverständlich im Ermessen des Fachman­ nes, ein hiervon abweichendes Größenverhältnis zwi­ schen den Wärmeausdehnungskoeffizienten α_K und α_L zu wählen, um für den jeweiligen Anwendungsfall die best­ mögliche Minimierung der Lagerspaltbreite zu errei­ chen.

Aufgrund der unterschiedlich ausgebildeten Wärmeaus­ dehnungskoeffizienten α_K und α_L entsteht ein gegen­ sätzliches Ausdehnungsverhalten der Materialien der Kurbelwellengleitlagerung, welches im Optimalfall aus­ geglichen wird.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Kurbelge­ häuse bzw. der Lagerstuhl 1 aus Leichtmetall, wie Alu­ minium oder Magnesium, ausgebildet, welches wesentlich stärker zur Aufweitung neigt als der bei Kurbelwellen üblicherweise verwendete Stahl. Die Kompensationsein­ richtung 4 stellt einen Hinterfütterungsring dar, wel­ cher aus einem Werkstoff gebildet ist, der eine im wesentlichen in radialer Richtung des Lagerstuhles 1 ausgerichtete temperaturabhängige Ausdehnung aufweist. Im Betrieb steigt die Lagertemperatur üblicherweise bis zu einer Betriebstemperatur an, bei der die Lager­ schale 3 in radialer Richtung expandiert, so daß zwi­ schen der Kurbelwelle 2 und dem Innenradius der Lager­ schale 3 ein Lagerspalt 5 entsteht.

Das radiale Expandieren der Kompensationseinrichtung 4 führt bei freier Dehnung zu einer Vergrößerung des Durchmessers. Im eingebauten Zustand wird die freie Dehnung jedoch von dem Lagerstuhl 1 behindert, so daß die radiale Volumendehnung der Kompensationseinrich­ tung 4 - gegebenenfalls bei einer axialen Schrumpfung - auf die Lagerschale 3 drückt und diese auf die Kur­ belwelle 2 zubewegt. Diese relative Bewegung wirkt der gesamten Wärmedehnung entgegen, so daß der Lagerspalt 5 kompensiert oder wesentlich reduziert wird.

Damit die einwandfreie Funktion der Kurbelwellengleit­ lagerung gewährleistet ist, dürfen die auftretenden Spannungen in der Kompensationseinrichtung 4 den ela­ stischen Bereich der Werkstoffkennwerte nicht über­ steigen.

Das bedeutet, um ein plastisches Fließen der Kompensa­ tionseinrichtung 4 zu vermeiden, kann es in einer nicht näher dargestellten Ausführungsform vorgesehen sein, daß die Kompensationseinrichtung 4 ein eingebet­ tetes Armierungsmaterial aufweist, welches die Festig­ keit des Werkstoffes der Kompensationseinrichtung 4 erhöht. Das Armierungsmaterial kann beispielsweise aus Drahtglas und/oder einem faserverstärkten Kunststoff gebildet sein.

Eine funktional zweckmäßige und kostengünstige Ausge­ staltung der Kompensationseinrichtung 4 ergibt sich, wenn wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Mate­ rial ein Polytetrafluoräthylen-Kunststoff gewählt wird, welcher eine Richtungsabhängigkeit besitzt.

Alternativ hierzu kann aber auch ein "konstruierter Werkstoff" gewählt werden, dessen Ausdehnungskoeffizi­ ent eine Richtungsabhängigkeit besitzt, welche in der Weise genutzt wird, daß der Werkstoff in Richtung des Lagerdurchmessers expandiert und in axialer Richtung schrumpft.

Wie in Fig. 1 ersichtlich, ist eine von dem Lagerstuhl 1 ausgehende, durch die Kompensationseinrichtung 4 und die Lagerschale 3 hindurchtretende Ölbohrung 6 vorge­ sehen, welche in den Lagerspalt 5 mündet. Durch diese Bohrung 6 wird auf bekannte Art und Weise Öl zur Schmierung in den Lagerspalt geführt. Damit die Boh­ rung 6 nicht durch eine Relativbewegung der einzelnen Lagerelemente zueinander verschlossen werden kann, ist an der Lagerschale 3 eine Verdrehsicherung 7 vorgese­ hen. Am Bohrungsinnendurchmesser entsteht naturgemäß eine Vergrößerung der Zwangsspannung.

Damit es dort nicht zu lokalem Fließen kommt, und die Bohrung sich gegebenenfalls verschließt, kann in die Bohrung ein Stützrohr eingeführt werden.

In den Fig. 2 und 3 ist die Lagerschale 3 in zwei­ teiliger Ausführung dargestellt, wobei zwischen dem oberen und unteren Teil der Lagerschale 3 eine Deh­ nungsausgleichsfuge 8 vorgesehen ist. Die Dehnungsaus­ gleichsfuge 8 dient dazu, bei hohen Temperaturen und daraus resultierenden hohen Umfangsspannungen in den Teilen der Lagerschale 3, eine unzulässige Verformung bzw. Verquetschung der Lagerschalenteile zu vermeiden.

Generell kann in weiteren Ausführungen das Problem unzulässig hoher thermischer Zwangsspannungen in Um­ fangsrichtung der Lagerschale 3 durch einen bei Kol­ benringen bekannten Dehnungsausgleich behoben werden.

Die Lagerschale 3 kann in einer weiteren, nicht darge­ stellten, Ausführungsvariante derart ausgestaltet sein, daß die Kompensationseinrichtung 4 und die La­ gerschale 3 bzw. deren Hälften jeweils einstückig aus­ gebildet sind, wodurch die Vormontage vereinfacht wird.

Bei sehr großen Verbrennungsdrücken, wie sie bei­ spielsweise bei aufgeladenen Dieselmotoren auftreten, können die Lagerkräfte so groß werden, daß die Span­ nungen in der Kompensationseinrichtung 4 zu plasti­ schen Verformungen in dieser führen.

In diesem Fall kann es in einer weiteren Ausführung vorgesehen sein, daß nur die der Gas kraft abgewandte Seite der Lagerschale 3 mit der Kompensationseinrich­ tung 4 versehen wird, welche die Aufweitung des Lagerspaltes 5 allein ausgleicht oder mindert.

Claims (11)

1. Kurbelwellengleitlagerung für Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen mit einem Lagerstuhl (1), ei­ ner in dem Lagerstuhl (1) gelagerten Kurbelwelle (2) und einer zwischen dem Lagerstuhl (1) und der Kurbelwelle (2) angeordneten Lagerschale (3), wo­ bei zwischen der Lagerschale (3) und dem Lager­ stuhl (1) am äußeren Umfang der Lagerschale (3) wenigstens abschnittsweise zusätzlich eine Kompen­ sationseinrichtung (4) vorgesehen ist, deren Wär­ meausdehnungskoeffizient α_K derart größer ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient α_L des Lagerstuh­ les (1), daß sie eine temperaturabhängige Aufwei­ tung eines Lagerspaltes (5) zwischen der Lager­ schale (3) und der Kurbelwelle (2) wenigstens re­ duziert.

2. Kurbelwellengleitlagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationseinrichtung (4) aus einem Werk­ stoff gebildet ist, der eine im wesentlichen in radiale Richtung des Lagerstuhles (1) ausgerichte­ te temperaturabhängige Ausdehnungsfähigkeit auf­ weist.

3. Kurbelwellengleitlagerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationseinrichtung (4) mit einem Armie­ rungsmaterial ausgebildet ist.

4. Kurbelwellengleitlagerung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Armierungsmaterial aus Drahtglas und/oder ei­ nem faserverstärkten Kunststoff gebildet ist.

5. Kurbelwellengleitlagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationseinrichtung (4) aus einem Poly­ tetrafluoräthylen-Kunststoff gebildet ist.

6. Kurbelwellengleitlagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerschale (3) und die Kompensationseinrich­ tung (4) einstückig ausgebildet sind.

7. Kurbelwellengleitlagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationseinrichtung (4) nur auf der der Gaskraft abgewandten Seite des Lagerstuhles (1) vorgesehen ist.

8. Kurbelwellengleitlagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine von dem Lagerstuhl (1) ausgehende, durch die Kompensationseinrichtung (4) und die Lagerschale (3) hindurchtretende und in den Lagerspalt (5) mündende Bohrung (6) vorgesehen ist.

9. Kurbelwellengleitlagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der Bohrung (6) ein Stützrohr vorgesehen ist.

10. Kurbelwellengleitlagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerschale (3) mittels einer Verdrehsicherung (7) in dem Lagerstuhl (1) fixiert ist.

11. Kurbelwellengleitlagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagerstuhl (1) aus Leichtmetall ausgebildet ist.