DE3637983A1 - Gleitlager - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein mehrschichtiges Gleitlager für Brennkraftmaschinen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Bei großen Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Die­ selmotoren, bei denen in den Zylindern sehr hohe Maximal­ drücke auftreten, ist die mechanische Beanspruchung des Haupt- und Pleuellagers sehr stark. Als Hauptlager in mo­ dernen Maschinen dienen meistens Gleitlager in Schicht­ aufbau. Auf diese Weise bemüht man sich, die guten Gleit­ eigenschaften einiger Lagermetalle zu nutzen und gleich­ zeitig deren mechanisch schwache Merkmale dadurch zu umge­ hen, daß sie als verhältnismäßig dünne Oberflächenschich­ ten vorgesehen werden. Bei sogenannten Verbundlagern aus drei Komponenten ist auf der Stützschale des Lagers aus Stahl ein Lagermetall angeordnet, welches ca. 1 mm dick ist und gute Festigkeitseigenschaften sowie gute Wärme­ leitfähigkeit hat. Es besteht entweder aus Bleibronze oder einem Leichtmetall. Diese Zwischenschicht wird auch als Ausfütterung oder Bindeschicht bezeichnet. Als oberstes ist eine dünne Gleitschicht oder Auflage- bzw. Überzugs­ schicht aus Weißmetall vorgesehen, die bei den am stärk­ sten belasteten Lagern in einer Dicke zwischen 0,02 und 0,06 mm galvanisch aufgetragen ist. Zwischen diesen drei Werkstoffschichten können zusätzlich dünne Diffusions­ grenzschichten oder Schichten aus Bindemetallen angeord­ net sein. Zwar ist die Haltbarkeitsgrenze und Wärmeleit­ fähigkeit dieser Art von Lagern gut; aber sie bieten keine großen Möglichkeiten, kleine Einbaufehler aufzuneh­ men oder Schmutzteilchen in das Lagermetall absinken zu lassen. Ferner wird bei der Anpassung des Lagers an einen Zapfen die dünne Auflageschicht leicht zerstört.

Bei bekannten Gleitlagern besteht die oberste Gleit­ schicht aus einer Schicht einer Legierung oder eines sonstigen künstlichen Werkstoffs. Die galvanisch aufgetragene Auf­ lageschicht muß insbesondere aus Gründen der Festigkeit sehr dünn sein. Das bringt die verschiedensten Nachteile mit sich, von denen insbesondere die Neigung zu Beschädi­ gungen beim Verschleiß genannt sei. Wenn der Zwischenraum zwischen Zapfen und Gleitlager klein ist, besteht nur ge­ ringes Spiel, wenn das Lager sich erwärmt, so daß es zu einem Fressen des Lagers kommen kann. Das kann geschehen, wenn es zu von den normalen Bedingungen abweichenden Stö­ rungen in der Schmierung des Lagers kommt, so daß bei­ spielsweise Schmutzteilchen, die nicht absinken, den Öl­ film des Lagers durchbrechen. Da die Auflageschicht aus einem weicheren Werkstoff mit niedrigerem Schmelzpunkt als die Zwischenschicht besteht, wäre in Anbetracht des möglichen Fressens eine größere Dicke der Auflageschicht günstiger, wenn das Lager warm wird. Andererseits kann mit den bekannten Techniken keine dickere Auflageschicht er­ zeugt werden, weil dabei die Fähigkeit, Oberflächendruck standzuhalten angesichts von Ermüdung entscheidend abge­ schwächt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein zuverlässiges, schicht­ artig aufgebautes Haupt- und Pleuellager für Brennkraft­ maschinen zu schaffen, welches ohne Einbuße an Festig­ keitseigenschaften des Lagers eine bessere Anpassungsfähigkeit und eine größere Aufnahme- und "Absinkfähigkeit" hat.

Mit der Erfindung soll ein Gleitlager geschaffen werden, welches mit dickeren Auflageschichten als bekannte Lager versehen sein kann, so daß insbesondere die Materialkom­ ponente der Gleitschicht hinzukommen kann, die einen niedrigen Schmelzpunkt und geringere Härte aufweist.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird mit einem Aufbau gemäß Anspruch 1 gelöst.

Die Grundkonstruktion des Lagers gemäß der Erfindung ist ein Gleitlager aus drei Komponenten, bei dem die Auflage­ schicht aus drei oder mehr Metall- oder Legierungsschich­ ten besteht. Hierdurch kann die Gesamtdicke der Auflage­ schicht erhöht werden, ohne daß die Fähigkeit, Oberflä­ chendruck standzuhalten, verringert wird. Gleichzeitig wird für die Gleitfläche ein besseres Anpassen und eine bessere Fähigkeit zum "Absinken" erreicht, wodurch die Zuverlässigkeit des Lagers wesentlich erhöht wird. Bei einer vorteilhaften Lösung werden zwei Metalle oder Le­ gierungen benutzt, die von unterschiedlicher Härte sind und unterschiedliche Schmelzpunkte haben, wobei diese Werkstoffschichten zur Schaffung der Auflageschicht des Lagers abwechselnd aufeinander angeordnet sind. Bei einer solchen Lösung erhält die Auflageschicht angesichts der hohen Fließgrenze der Schichten aus härterem Werk­ stoff die Fähigkeit, Oberflächendruck zu tragen, während andererseits die Schichten aus weicherem Werkstoff der Gleitschicht eine günstige Dicke geben.

Gemäß einer Alternative können die verschiedenen Werk­ stofflagen der Auflageschicht aus Metallen oder Legierun­ gen mit der gleichen Härte bestehen, vorausgesetzt, daß die kombinierte Wirkung auf der Basis unterschiedlicher Kristallstrukturen der verschiedenen Materialschichten synergistisch eine größere Festigkeit erzeugt. Es müssen nicht alle Materiallagen der Auflageschicht unbedingt vollständig bedeckend sein, sondern es sind auch verschie­ dene netz- oder gitterartige Zwischenschichten möglich.

Es ist günstig, für die Herstellung der Gleitschicht ein physikalisches Beschichtungsverfahren mit Gasphase vorzu­ sehen. Derartige bekannte Verfahren, die nicht im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegen, sind beispielsweise ein Beschichtungsverfahren mittels Zerstäubung oder Ioni­ sierung. Die gewünschte Struktur der Gleitschicht wird durch abwechselndes Verdampfen unterschiedlicher Metalle oder Legierungen erzielt. Zur Herstellung der Gleit­ schicht können auch andere Beschichtungsverfahren benutzt werden, z. B. chemische Umsetzungsverfahren in der Gas­ phase oder das Aufsprühen von Metallen. Allerdings ist es bei Anwendung dieser Verfahren schwieriger, der Gleit­ schicht die Eigenschaften gemäß der Erfindung zu geben.

Beim Metallsprühen z. B. werden die verschiedenen Werk­ stoffschichten oft zu dick und haben den weiteren Nach­ teil, daß sie eine schwammige Oberfläche haben.

Bei stark belasteten Maschinen kann die Gesamtdicke der Auflageschicht 0,03 mm oder vorzugsweise mindestens 0,05 mm betragen. Mit anderen Worten heißt das, daß die Dicke der Gleitschicht im Vergleich zu bekannten Verfahren minde­ stens dreimal so groß sein kann, ohne daß ein Kompromiß hinsichtlich der Anforderung an die Festigkeit eingegangen werden muß. Wenn die Erfindung für ein Gleitlager für kleine Maschinen angewandt wird, kann die Auflageschicht eine Dicke bis herab zu 0,012 mm haben. Die Auflageschicht sollte mindestens drei verschiedene Lagen aufweisen, so daß die Auflage beispielsweise aus zwei Schichten eines weichen Werkstoffs und einer dazwischen liegenden Schicht aus härterem Werkstoff besteht. Durch Verdampfen und Zer­ stäuben können extrem dünne Werkstoffschichten gebildet werden. So kann eine Auflageschicht aus einer großen An­ zahl einzelner Lagen, beispielsweise zehn oder zwanzig abwechselnden Lagen aus zwei unterschiedlichen Werkstoffen gebildet werden. Statt zwei verschiedene Werkstoffe für die Auflageschicht zu benutzen, kann es vorteilhaft sein, drei oder mehr unterschiedliche Werkstoffe in der Auflage­ schicht vorzusehen. Wenn dann die oberste Schicht abge­ tragen ist, kann dafür gesorgt sein, daß anschließend nicht der härteste Werkstoff die Gleitfläche bildet.

Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand eines schematisch dargestellten Aus­ führungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 einen Teilschnitt durch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 den Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1.

Wie aus der Zeichnung hervorgeht, ist auf einer Stütz­ schale 1 aus Stahl eine Bindeschicht oder Zwischenschicht 2 angeordnet, die aus einer Blei-Bronze-Legierung oder dgl., Weißmetall oder Bronze besteht und eine hohe Belastungs­ festigkeit sowie gute Wärmeleitfähigkeit hat. Zwischen der Zwischenschicht 2 und einer eigentlichen Auflageschicht 4 ist eine Diffusionssperrschicht 3 angeordnet, die z. B. aus Nickel besteht.

Die Gleitfläche in Form derAuflageschicht 4, auf die sich die Erfindung besonders bezieht, ist mehrlagig aufgebaut und besteht aus zwei verschiedenen Metallen oder Legie­ rungen, nämlich den Werkstoffen A und B. Die Schichten aus Werkstoff A bestehen aus Metallen mit guter Gleitfä­ higkeit, geringer Härte und einem niedrigen Schmelzpunkt, z. B. aus Zinn-Antimon, während die Schichten aus dem Werkstoff B, z. B. Aluminium-Zinn eine größere Härte und Festigkeit haben. Durch das abwechselnde Aufeinander­ schichten von Lagen aus den Werkstoffen A und B kann die Gesamtdicke der Auflageschicht erhöht und die Menge an weicherem Werkstoff A beträchtlich vergrößert werden, ohne daß dies Nachteile für die Festigkeitsmerkmale des Lagers mit sich bringt. Bei dem in der Zeichnung darge­ stellten bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Schich­ ten aus dem weicheren Werkstoff A dicker als die Schich­ ten aus dem Werkstoff B, und außerdem bildet eine Schicht aus dem weichen Werkstoff A die oberste Lage bzw. Gleit­ fläche des Lagers. Die verschiedenen Lagen in der Auflage­ schicht sind je nach dem gewünschten Ergebnis mittels eines beliebigen bekannten Beschichtungsverfahrens mit Gasphase hergestellt, wobei beispielsweise abwechselnd das Verdampfungsmaterial oder die -quelle gewechselt wird. Damit ist es auch möglich, innerhalb der gleichen Schicht den Gehalt der Legierung an einem bestimmten Metall zu ändern.

Die Gleitschicht ist mit einer dünnen Korrosionsschutzschicht 5 überzogen, die vorzugsweise aus einer Legierung auf Blei- oder Zinnbasis besteht. Diese Schutzschicht dient gleich­ zeitig als Einlaufschicht für das Lager. Die Schutzschicht wird in verhältnismäßig kurzer Betriebszeit von der Gleitfläche abgetragen. Diese Art von Korrosionsschutz- und Einlaufschicht wird häufig auch als Glanzschicht (flash) oder Austriebsschicht bezeichnet.

Die Erfindung ist nicht auf das hier beschriebene Ausfüh­ rungsbeispiel beschränkt sondern läßt sich beispielsweise ohne weiteres insofern abwandeln, als die Anzahl Material­ schichten und die innere Dicke derselben geändert werden kann. Außerdem können mehr als zwei oder drei verschiedene Metalle oder Legierungen zur Schaffung der Auflageschicht benutzt werden.

Claims (6)

1. Hauptlager oder Pleuellager einer Verbrennungs­ kraftmaschine, z. B. eines großen Dieselmotors, welches vorzugsweise ein sogenanntes Dreikomponenten-Gleitlager ist und eine Stützschale (1), eine Zwischen- oder Bindeschicht (2) und eine die Gleitfläche bildende Auflage- oder Überzugsschicht (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflage­ schicht (4) des Gleitlagers aus zwei oder mehr verschiede­ nen Metallen oder Legierungen (A, B) unterschiedlicher Härteeigenschaften und unterschiedlicher Schmelzpunkte oder unterschiedlicher Kristallstrukturen besteht, wobei die Schichten der Werkstoffe (A, B) abwechselnd so auf­ einander angeordnet sind, daß die Auflageschicht aus minde­ stens drei zu unterscheidenden Werkstoffschichten gebildet ist.

2. Gleitlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflage­ schicht (4) von einer als Korrosionsschutz und Einlauf­ schicht dienenden Glanzschicht (5) bedeckt ist, die aus einer Legierung auf Blei- oder Zinnbasis oder dgl. besteht.

3. Gleitlager nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstoff­ schichten der Auflageschicht (4) durch Aufstäuben, Auf­ dampfen oder ein entsprechendes physikalisches Gasphasenbeschich­ tungsverfahren aufgebracht sind.

4. Gleitlager nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß einige der Schichten aus den Werkstoffen (A, B) der Auflageschicht nicht vollständig bedeckend sondern als netz- oder git­ terartige Schichten gebildet sind.

5. Gleitlager nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Fall schwer belasteter Maschinen die Gesamtdicke der Auflageschicht (4) mindestens 0,03 mm, vorzugsweise mindestens 0,05 mm be­ trägt.

6. Gleitlager nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstoffe der Auflageschicht Zinn-Antimon-Legierungen (A) und Alumi­ nium-Zinn-Legierungen (B) sind.