DE19826460C2 - Lageranordnung - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung für drehende Teile mit in Stärke und
Richtung periodisch sich ändernder äußerer Belastung, insbesondere ein
Kurbelwellenlager für Großdieselmotoren, mit einer einen zugeordneten
Lagerzapfen aufnehmenden Lagerschale, deren Lauffläche mit der Lauffläche des
Lagerzapfens einen zum Tragbereich hin keilförmig sich verengenden Spalt
begrenzt, dessen Position mit der. Last periodisch sich ändert, wobei die
Winkelgeschwindigkeit des Spalts etwa der Winkelgeschwindigkeit der äußeren
Last entspricht, und der über lagerschalenseitige Schmierölzugänge mit Schmieröl
versorgbar ist.
Aus der EP 0 773 376 A1 ist ein Kurbelwellenlager bekannt, bei dem der Spalt
über an den Teilfugen zwischen den Lagerhalbschalen angeordneten Taschen,
die an eine Ölzuleitung angeschlossen sind, mit Schmieröl versorgt werden. Bei
derartigen Kurbelwellenlagern ergeben sich jedoch erfahrungsgemäß in
bestimmten Umfangsbereichen Konstellationen, in denen die
Durchflussgeschwindigkeit des Öls durch den Spalt bis auf Null absinkt. Dies ist
dann der Fall, wenn die Winkelgeschwindigkeit des Lagerzapfens etwa doppelt so
hoch ist, wie die Winkelgeschwindigkeit der äußeren Last. In diesem Fall fehlt es
an einem Nachschub von Frischöl. Die Folge davon ist, dass sich der Lagerzapfen
an die Lagerschale annähert, wobei noch vorhandenes Öl seitlich ausgepresst
wird. Da es sich dabei nicht um Frischöl handelt, sondern um noch vorhandenes
Restöl, ist dieses Öl zudem stark erhitzt, so dass die Viskosität niedrig ist, was das
seitliche Auspressen begünstigt. Es kann daher zu einer lokalen Überhitzung des
Lagermaterials und damit zu einem schnellen Verschleiß kommen.
Um dem entgegenzuwirken, ist es aus der DE 27 11 983 A1 bekannt, die untere
Lagerhalbschale auf ihrer Innenseite mit mehreren Schmiernuten zu versehen, die
an eine Schmierölversorgung angeschlossen sind. Diese sorgen zwar für
Frischölzufuhr, unterbrechen jedoch die Lauffläche der Lagerschale und
verursachen somit einen großen Verlust an Lagerfläche. Es ist daher eine
vergleichsweise große Lagerbreite erforderlich, um zu akzeptablen Pressungen,
d. h. zu einem akzeptablen hydrodynamischen Druck des Ölfilms, zu kommen.
Dies führt aber zu einer vergleichsweise voluminösen Bauweise. Vielfach wird
aber eine kompakte Bauweise gefordert. Dies gilt insbesondere für moderne
Großdieselmotoren.
Hiervon ausgehend ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Lageranordnung eingangs erwähnter Art mit einfachen und kostengünstigen
Mitteln so zu verbessern, dass nicht nur eine kompakte Bauweise, sondern auch
eine lange Lebensdauer erreichbar sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass im Bereich einer
gefährdeten Zone, in der die Winkelgeschwindigkeit des Spaltes etwa der Hälfte
der Winkelgeschwindigkeit des Lagerzapfens entspricht, zumindest ein
zusätzlicher Schmierölzugang vorgesehen ist, dessen nicht als Nut ausgebildeter
Mündungsquerschnitt kleiner als die freie Oberfläche einer Nut ist, deren Breite
der lichten Weite des Mündungsquerschnitts entspricht.
Mit diesen Maßnahmen werden die eingangs geschilderten Probleme beseitigt.
Über den der gefährdeten Zone zugeordneten Schmierölzugang kann dieser
Zone ausreichend frisches Schmieröl zugeführt werden. In der Phase, in der der
sich bewegende Lagerzapfen von dem genannten Ölzugang weit abgehoben ist,
kann so viel frisches Schmieröl zugeführt werden, dass das gebrauchte, heiße
Schmieröl zuverlässig weggespült wird und ein tragfähiger Schmierfilm erreicht
wird. Jeder im Bereich der gefährdeten Zone vorgesehene Schmierölzugang
beeinflusst zwar den hydrostatischen Druck, der sich aufbaut, wenn sich der
Lagerzapfen annähert. Da der Mündungsquerschnitt der genannten
Schmierölzugänge aber vergleichsweise klein ist und die Lauffläche nicht
vollständig unterbricht, ist dieser Einfluss vergleichsweise klein. Der sich
aufbauende hydrodynamische Druck bleibt daher in einem aktzeptablen Rahmen.
Die erfindungsgemäßen Maßnahmen ermöglichen somit einen guten Kompromiss
zwischen Öldruck und Schmierung.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten
Maßnahmen sind in den Unteransprüchen angegeben. So kann zweckmäßig jeder
im Bereich der gefährdeten Zone vorgesehene Schmierölzugang einfach als
Bohrung mit vergleichsweise kleinem Durchmesser ausgebildet sein. Dies ergibt
nicht nur eine einfache Herstellbarkeit, sondern führt auch zu einem besonders
kleinen Verlust an Lauffläche.
Eine weitere zweckmäßige Maßnahme kann darin bestehen, dass mehrere, im
Bereich der gefährdeten Zone angeordnete Schmierölzugänge vorgesehen sind,
die über wenigstens eine im Bereich der Rückseite der Lagerschale angeordnete
Versorgungsausnehmung mit Schmieröl versorgbar sind. Die mehreren
Schmierölzugänge lassen sich in vorteilhafter Weise so verteilen, dass auch eine
gute Verteilung des zugeführten Frischöls erreichbar ist. Zusätzlich können vom
inneren Bohrungsrand abgehende, kleine Verteilnuten vorgesehen sein, um die
Verteilung noch zu verbesern. Vielfach kann auf diese Maßnahme jedoch
verzichtet werden. Ebenso wäre es denkbar, jedem Schmierölzugang eine
separate Versorgungsausnehmung zuzuordnen, um die Stabilität der Lagerschale
zu verbessern.
Bei einem Kurbelwellenlager für Großdieselmotoren können die der gefährdeten
Zone zugeordneten Schmierölzugänge zweckmäßig in einem von dem in
Drehrichtung des Lagerzapfens vorderen Ende der unteren Lagerschalenhälfte
30°-60° entfernten Winkelbereich angeordnet sein. Hierdurch wird erreicht, dass
die genannten Schmierölzugänge in einem Winkelbereich sich befinden, der dem
Bereich, in dem der höchste Lagerdruck zu erwarten ist, nachgeordnet ist, was
sich günstig auf die Einhaltung einer akzeptablen Höhe des sich ausbildenden,
hydrodynamischen Drucks auswirkt.
Eine weitere vorteilhafte Maßnahme kann darin bestehen, dass zumindest im
Bereich der gefährdeten Zone ein der Lagerschale seitlich benachbartes
Schmierölreservoir vorgesehen ist. Da sich der Lagerzapfen bewegt, ergibt sich
bei sich öffnendem Spalt eine Saugwirkung, die zum Ansaugen von frischem
Schmieröl aus dem genannten Schmierölreservoir führt und damit die
Schmierölversorgung in der gefährdeten Zone unterstützt.
Zweckmäßig können der gefährdeten Zone vor- und nachgeordnete
Schmierölzugänge vorgesehen sein, die einen größeren Mündungsquerschnitt als
die im Bereich der gefährdeten Zone angeordneten Schmierölzugänge aufweisen.
Von den vor- und nachgeordneten Schmierölzugängen profitieren auch die
benachbarten Bereiche der gefährdeten Zone, so dass die dieser zugeordneten
Schmierölzugänge auf einen vergleichsweise engen Winkelbereich beschränkt
sein können.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der
übergeordneten Maßnahmen sind in den restlichen Unteransprüchen angegeben
und aus der nachstehenden Beispielsbeschreibung anhand der Zeichnung näher
entnehmbar.
In der nachstehend beschriebenen Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ein Kurbelwellenlager eines Großdieselmotors,
Fig. 2 ein Last- und Umlaufbahndiagramm des Lagerzapfens des
Kurbelwellenlagers gemäß Fig. 1 und
Fig. 3 eine schematische Ansicht der unteren Hälfte der Lagerschale des
Kurbelwellenlagers gemäß Fig. 1.
Der grundsätzliche Aufbau und die Wirkungsweise von Großdieselmotoren,
beispielsweise Zweitakt-Großdieselmotoren wie sie für Schiffsantriebe
Verwendung finden, sind an sich bekannt und bedürfen daher im vorliegenden
Zusammenhang keiner näheren Erläuterung mehr. Die Kurbelwelle eines
derartigen Motors besitzt mehrere, miteinander fluchtende Lagerzapfen die jeweils
in einem Hauptlager der der Fig. 1 zugrundeliegenden Art gelagert sind. Das in
Fig. 1 dargestellte Hauptlager besteht aus einem zweiteiligen Lagergehäuse mit
einem in das Maschinengestell integrierten Unterteil 1 und einem abnehmbaren
Oberteil 2. Die beiden Teile des Lagergehäuses sind mit einander zu einer
Bohrung sich ergänzenden Ausnehmungen versehen, in die jeweils eine
zugeordnete Hälfte einer Lagerschale 3 eingesetzt ist. Diese wird vom jeweils
zugeordneten Lagerzapfen 4 durchsetzt. Zum Einlegen des Lagerzapfens 4 ist
das Oberteil 2 samt zugeordneter oberer Hälfte der Lagerschale 3 abgenommen.
Der Außendurchmesser des Lagerzapfens 4 und der Innendurchmesser der
Lagerschale 3 sind so aufeinander abgestimmt, dass sich das erforderliche
Laufspiel ergibt. Dieses Spiel führt dazu, dass sich der Lagerzapfen 4 gegenüber
der Lagerschale 3 in radialer Richtung bewegen kann. Unter der Wirkung der Last
wird der Lagerzapfen 4 daher so verschoben, dass sich ein dem Tragbereich
benachbarter, an den Enden keilförmig sich verjüngender Spalt 5 ergibt. Dieser
Spalt ist in der Praxis vergleichsweise klein und in Fig. 1 lediglich zur Erzielung
einer übersichtlichen Darstellung starkt vergrößert gezeichnet.
Bei einem Motor hier vorliegender Art ändert sich die vom Lagerzapfen 4 auf das
Lagergehäuse zu übertragende Last in an sich bekannter Weise periodisch und
zwar sowohl hinsichtlich der Größe als auch hinsichtlich der Richtung. Die Kurve 6
in Fig. 2 zeigt die periodische Änderung der Last. Die von der periodisch in
Größe und Richtung sich ändernden Last bewirkte, periodische Verschiebung des
Lagerzapfens 4 ergibt sich aus der Kurve 7 der Fig. 2. Aus der Bewegung des in
Fig. 1 durch einen Pfeil 8 angedeuteten Lastvektors und der Verschiebung des
Lagerzapfens 4 ergibt sich auch eine hiervon abhängige Änderung der Position
des Spalts 5. Dieser bewegt sich mit einer etwa der Winkelgeschwindigkeit des
Lastvektors 8 entsprechenden Winkelgeschwindigkeit. Für die praktische
Betrachtung können diese Werte gleichgesetzt werden.
Die Laufflächen von Lagerschale 3 und Lagerzapfen 4 werden mit Schmieröl
geschmiert. Hierzu sind das Lagergehäsue 1, 2 und die Lagerschale 3 mit an eine
in Fig. 1 angedeutete Versorgungsleitung 9 angeschlossenen Kanälen versehen,
denen in den Zwischenraum zwischen Lagerschale 3 und Lagerzapfen 4
ausmündende Schmierölzugänge zugeordnet sind. Dementsprechend ist die der
Fig. 3 zugrundeliegende, untere Halbschale 3a mit durch rückwärtige Nuten
gebildeten, mit Schmieröl beaufschlagbaren Kanälen 10 versehen, von denen
radiale Bohrungen 11, 12 abgehen, über welche das Schmieröl in den
Zwischenraum zwischen Lagerschale 3 und Lagerzapfen 4 einbringbar ist.
Im Bereich der beiden teilfugenseitigen Enden der Halbschale 3a ist jeweils eine
Bohrung 11 vorgesehen. Diese der Teilfuge benachbarten Bohrungen 11 münden
jeweils innen in eine zugeordnete, nach innen offene, umfangsnutartige Tasche
13, die einen Schmierölzugang mit einem vergleichsweise großen
Mündungsquerschnitt bildet. Die Taschen 13, deren Tiefe mit der Entfernung von
der Teilfuge kontinuierlich abnimmt, so dass sich ein keilartiger Querschnitt ergibt,
können sich im in Fig. 3 nicht dargestellten Oberteil der Lagerschale 3 nutförmig
fortsetzen.
Das den Taschen 13 zugeführte Schmieröl wird durch den rotierenden
Lagerzapfen 4 dem Spalt 5 zugeführt. Für die Durchflußgeschwindigkeit U durch
den Spalt ergibt sich, wenn die Winkelgeschwindigkeiten von Spalt 5 und Last, wie
oben erwähnt, als gleich angenommen werden, folgende Beziehung:
U = (ωb + ωj)/2 - ωl
wobei
ωb die Winkelgeschwindigkeit der Lagerschale 3,
ωj die Winkelgeschwindigkeit des Lagerzapfens 4 und
ωl die Winkelgeschwindigkeit des Lastvektors 8 bedeuten.
ωb die Winkelgeschwindigkeit der Lagerschale 3,
ωj die Winkelgeschwindigkeit des Lagerzapfens 4 und
ωl die Winkelgeschwindigkeit des Lastvektors 8 bedeuten.
Von außen betrachtet, d. h. bei der stationären Lagerschale 3 zugeordnetem
Koordinatensystem, ist ωb = O. Wenn nun die Winkelgeschwindigkeit des
Lagerzapfens 4 doppelt so groß wird, wie die Winkelgeschwindigkeit der Last,
welche, wie schon erwähnt der Winkelgeschwindigkeit des Spalts 5 entspricht,
wird U = O.
Dasselbe gilt vom Spalt 5 aus gesehen, also bei dem Spalt 5 zugeordneten
Koordinatensystem. Dabei ist ωl = O, und ωb = -ωj, womit die Durchfluss
geschwindigkeit U ebenfalls gegen Null geht.
Bedingungen dieser Art liegen in der in Fig. 2 mit Z bezeichneten, gefährdeten
Zone vor. Ohne geeignete Abhilfemaßnahmen kommt es dabei, wie aus Fig. 2
ersichtlich ist, zu einer starken Annäherung der Laufflächen von Lagerzapfen 4
und Lagerschale 3, da in Folge fehlender Frischölzufuhr und seitlichen
Wegpressens des noch vorhandenen Altöls, das erhitzt ist und daher eine
vergleichsweise niedrige Viskosität besitzt, die Dicke des Schmierölfilms sehr
gering wird.
Um eine derartige und damit überhöhte Temperaturen und Verschleiß im Bereich
der Zone Z zu vermeiden, wird im Bereich der Zone Z frisches Schmieröl
zugeführt. Zur Bildung der entsprechenden Schmierölzugänge sind die oben
bereits erwähnten Bohrungen 12 vorgesehen. Diese befinden sich in einem
Winkelbereich zwischen 30°-60° bezogen auf das in Drehrichtung des
Lagerzapfens vordere, hier links gezeichnete Ende der Halbschale 3a. Dieser
Winkelbereich gehört bei einem Kurbelwellenlager hier vorliegender Art zur
gefährdeten Zone Z und ist dem Bereich, in dem der höchste Lagerdruck zu
erwarten ist, nachgeordnet. Die Funktion der Bohrungen 12 wird nachstehend
noch näher erläutert.
Über diese Bohrungen 12 wird in einer nicht der Zone Z zugeordneten Phase des
Bewegungszyklusses des Lagerzapfens 4, also wenn der Lagerzapfen 4 von dem
die Bohrungen 12 enthaltenden Bereich der Lagerschale 3 entfernt ist, so viel
frisches Schmieröl zugeführt, dass das benutzte, erhitzte Öl weggespült wird und
dann, wenn sich der Lagerzapfen 4 annähert, also in den der Zone Z
zugeordneten Abschnitt der Kurve 7 kommt, sich ein ausreichend tragfähiger
Schmierfilm bilden kann.
Durch die Bohrungen 12 wird zwar die tragende Fläche der Halbschale 3a etwas
verkleinert, was zwangsläufig zu einer Erhöhung des hydrostatischen Drucks
führen muss. Der Durchmesser und damit der Mündungsquerschnitt der
Bohrungen 12 ist jedoch gegenüber der Lagerbreite vergleichsweise klein, so dass
der hierdurch bewirkte Verlust an tragender Fläche nur gering ist, jedenfalls viel
geringer als bei in axialer Richtung über die ganze Lagerbreite durchgehenden
Nuten gleicher Breite. Der sich aufbauende hydrostatische Druck bleibt daher in
einem akzeptablen Bereich. In diesem Zusammenhang ist es auch vorteilhaft,
dass der die Bohrungen 12 enthaltende Bereich dem Bereich, in dem die höchste
Last erwartet wird, nachgeordnet ist.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind im erwähnten Winkelbereich zwischen
30° und 60° zwei Bohrungen 12 vorgesehen. Selbstverständlich könnten auch
weniger oder mehr Bohrungen 12 vorgesehen sein. Die beiden Bohrungen 12 sind
hier in Umfangsrichtung und in axialer Richtung gegeneinander versetzt, um eine
möglichst gute Verteilung des Schmieröls auf den gesamten zugeordneten
Lagerbereich zu erreichen. Zur Verbesserung der Verteilung könnten zusätzlich
noch vom inneren Rand der Bohrungen 12 abgehende, kleine Verteilnuten
vorgesehen sein. In den meisten Fällen ist dies jedoch nicht notwendig und im
dargestellten Beispiel daher auch nicht angedeutet.
Die Bohrungen 12 sind hier durch einen rückwärtigen Versorgungskanal 10
miteinander und mit der benachbarten, teilfugenseitigen Bohrung 11 verbunden.
Der Kanal 10 benötigt daher einen vergleichsweise großen Querschnitt. Sofern
hierunter die Stabilität der Halbschale 3a leiden sollte, könnte selbstverständlich
jeder Bohrung 12 bzw. 11 ein eigener, kleinerer Versorgungskanal zugeordnet
sein.
Der Lagerzapfen 4 kann auf Grund seiner radialen Bewegung eine gewisse
Saugwirkung ausüben. Zweckmäßig ist daher im Bereich der Zone Z ein der
Lagerschale 3 in axialer Richtung benachbartes, in Fig. 1 durch unterbrochene
Linien angedeutetes Schmierölreservoir 14 vorgesehen. Aus diesem kann
zusätzliches Frischöl angesaugt werden, wenn sich der Spalt 5 im Bereich der
Zone Z öffnet, d. h. wenn der Lagerzapfen 4 im dargestellten Beispiel nach rechts
oben bewegt wird.
Die den durch die Bohrungen 12 gebildeten, der Zone Z zugeordneten
Schmierölzugängen vor- und nachgeordneten, durch die Bohrungen 11 mit jeweils
zugeordneter Tasche 12 gebildeten Schmierölzugänge stellen eine zuverlässige
Schmierung außerhalb der Zone Z sicher, wobei hier in Folge der
Relativbewegung zwischen dem Lagerzapfen 4 und dem Spalt 5 dieser
zuverlässig mit Schmieröl versorgt wird. Davon profitieren auch die Randbereiche
der Zone Z, so dass der Winkelbereich mit den Bohrungen 12 vergleichsweise eng
sein kann.
Claims (11)
1. Lageranordnung für drehende Teile mit in Stärke und Richtung periodisch
sich ändernder, äußerer Belastung, insbesondere Kurbelwellenlager für
Großdieselmotoren, mit einer einen zugeordneten Lagerzapfen (4)
aufnehmenden Lagerschale (3), deren Lauffläche mit der Lauffläche des
Lagerzapfens (4) einen zum Tragbereich hin keilförmig sich verengenden
Spalt (5) begrenzt, dessen Position mit der Last periodisch sich ändert,
wobei die Winkelgeschwindigkeit des Spalts (5) etwa der
Winkelgeschwindigkeit der äußeren Last entspricht, und der über
lagerschalenseitige Schmierölzugänge (11, 13; 12) mit Schmieröl versorgbar
ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich einer gefährdeten Zone
(Z), in der die Winkelgeschwindigkeit des Spalts (5) der Hälfte der
Winkelgeschwindigkeit des Lagerzapfens (4) entspricht, zumindest ein
Schmierölzugang (12) vorgesehen ist, dessen nicht als Nut ausgebildeter
Mündungsquerschnitt kleiner als die freie Oberfläche einer Nut ist, deren
Breite der lichten Weite des Mündungsquerschnitts entspricht.
2. Lageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder
im Bereich der Zone (Z) vorgesehene Schmierölzugang (12) als Bohrung
mit vergleichsweise kleinem Durchmesser ausgebildet ist.
3. Lageranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass vom
inneren Bohrungsrand abgehende, kleine Verteilnuten vorgesehen sind.
4. Lageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass mehrere, im Bereich der gefährdeten Zone (Z)
angeordnete Schmierölzugänge (12) vorgesehen sind, die über wenigstens
eine im Bereich der Rückseite der Lagerschale (3) angeordnete
Versorgungsausnehmung (10) mit Schmieröl versorgbar sind.
5. Lageranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jedem
Schmierölzugang (12) eine separate Versorgungsausnehmung zugeordnet
ist.
6. Lageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass jeder der gefährdeten Zone (Z) zugeordnete
Schmierölzugang (12) in einem Winkelbereich angeordnet ist, der dem
Bereich, in dem der höchste Lagerdruck auftritt, nachgeordnet ist.
7. Lageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass bei einem Kurbelwellenlager für Großdieselmotoren
jeder der gefährdeten Zone (Z) zugeordnete Schmierölzugang (12) in einem
von dem in Drehrichtung des Lagerzapfens (4) vorderen Ende der unteren
Lagerschalenhälfte (3a) 30°-60° entfernten Winkelbereich angeordnet ist.
8. Lageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass zumindest im Bereich der gefährdeten Zone (Z) ein
der Lagerschale (3) in axialer Richtung benachbartes Schmierölreservoir
(14) vorgesehen ist.
9. Lageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass den der gefährdeten Zone (Z) zugeordneten
Schmierölzugängen (12) vor- bzw. nachgeordnete Schmierölzugänge
(11, 13) vorgesehen sind, die einen größeren Mündungsquerschnitt
aufweisen als die der gefährdeten Zone (Z) zugeordneten
Schmierölzugänge (12).
10. Lageranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die
außerhalb der gefährdeten Zone (Z) vorgesehenen Schmierölzugänge
(11, 13) jeweils eine den Mündungsquerschnitt bildende, nutförmige Tasche
aufweisen.
11. Lageranordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet,
dass bei einem Kurbelwellenlager für Großdieselmotoren die außerhalb der
gefährdeten Zone (Z) vorgesehenen Schmierölzugänge (11, 13) im Bereich
der teilfugenseitigen Enden der unteren Lagerschalenhälfte (3a)
vorgesehen sind.
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