DE3905450A1 - Gleitlager - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Lager für Innenverbrennungs
motoren, insbesondere auf Mehrschichtlager für starke Belastungen, ins
besondere für Dieselmotoren.
Die Lager von Innenverbrennungsmotoren sind starken mechanischen
Lasten unterworfen, die durch den Druck der Verbrennungsgase an dem
Kolbenkopf erzeugt werden, und die auf die Lager durch die
Pleuelstangen übertragen werden. Diese Lager müssen eine Anzahl von
Eigenschaften haben: Widerstandsfähigkeit gegen Reibungsabnützung,
Beständigkeit gegen Ermüdung durch zyklischen Lastwechsel, die
Möglichkeit, Fremdpartikel in dem Motorenöl einzubetten und
Paßfähigkeit, um Fehlausrichtungen der Welle zu kompensieren.
Wegen dieser Vielfalt von Eigenschaften müssen Gleitlager aus unter
schiedlichen Materialien für die erforderliche Leistungsfähigkeit
hergestellt sein. Eine bekannte Lagerbauart ist das sogenannte Mehr
schichtlager, das aus einer Stützplatte, im allgemeinen aus Stahl oder
Aluminium, mindestens einer Zwischenschicht, im allgemeinen eine Alumi
niumlegierung oder eine Legierung mit Kupferbasis, und einer Lager-
oder Gleitschicht besteht, im allgemeinen eine Kupfer-Zinn-Bleilegierung.
Eine Diffusions- oder Bindungsschicht kann zwischen der Lagerschicht
und der Zwischenschicht vorgesehen sein. Es ist jedoch bekannt, daß bei
bestimmten Anwendungen diese Lager häufig eine geringe Standzeit
haben, wenn sie extrem großen Belastungen und Reibung, wie bei
spielsweise in derzeitigen Dieselmotoren, unterworfen werden, weil das
Material der Gleitschicht zwar geeignet ist, die Reibung zwischen der
Welle und dem Lager herabzusetzen, jedoch nicht die Verschleißfestigkeit
und Ermüdungsfestigkeit eines härteren Materials aufweist. Andererseits
würde ein härteres Material auf der Gleitschicht eine zu große Reibung
und eventuell ein Festfressen der Welle bewirken.
Zur Lösung dieser Probleme wurde vorgeschlagen, Gleitlager mit Nuten
zu versehen, die mit weicherem Material gefüllt sind, so daß sich das här
tere Material mit dem weicheren Material in der Gleitschicht abwech
selt, mit dem Ziel, bessere Verschleißfestigkeit und Ermüdungsfestigkeit
zu erreichen.
Das Konzept der mit Nuten versehenen Lager ist ziemlich alt. Eine erste
Beschreibung dieser Lösung geht aus der britischen Patentschrift Nummer
5 24 128 vom 30. Juli 1940 hervor. Auch die US-Patentschriften 27 57 055
vom 31. Juli 1956, 29 71 248 vom 14. Februar 1961 und - als neuere -
die US-Patentschriften 44 00 099 vom 23. August 1983 zeigen Lager mit
Nuten zur Verwendung bei Innenverbrennungsmotoren. Abgesehen von den
in den genannten Patentschriften beschriebenen und illustrierten Details,
haben die dort gezeigten Lager alle eine Gleitschicht mit abwechselnd
härteren und weicheren Materialien. Eine weitere grundsätzliche Eigen
schaft dieser Lager ist, daß die Nuten auf dem härteren Material eine
einheitliche Tiefe und einheitliche Nutabstände aufweisen.
Wenngleich die Lager gegenüber konventionellen Gleitlagern für gewisse
Anwendungsfälle eine Verbesserung aufweisen, werden bei den vorgenann
ten Vorschlägen einige spezifische Eigenschaften von Motoren und dem
nach die Anforderungen an die Lagerleistung nicht berücksichtigt. Mit
anderen Worten: das Vorsehen von Nuten mit einheitlicher Tiefe und
einheitlichen Nutabständen definiert eine gleichmäßige Verteilung von
härterem Material und weicherem Material, so daß das Lager einheitliche
Eigenschaften erhält, unabhängig von den besonderen Anforderungen eines
jeden Bereiches des Lagers.
Aus diesem Grund besteht das Ziel der Erfindung darin, ein Mehrschich
tenlager zu schaffen, bei dem die Zwischenschicht quer über die La
gerlänge mit Nuten versehen ist und mit Material gefüllt ist, das weicher
als das Material der Zwischenschicht ist.
Demgemäß liegt die Aufgabe der Erfindung darin, ein Mehrschichtgleit
lager mit einer Zwischenschicht zu schaffen, in der Nuten ausgebildet
sind und die mit einem Lager oder Gleitmaterial angefüllt sind, in wobei
eine selektive Verteilung von härterem Material und weicherem Material
in ausgewählten Flächenbereichen des Lagers vorgesehen ist, in Ab
hängigkeit von spezifischen Lagerbetriebsbedingungen.
Die vorgenannte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß interne periphere mit
Nuten versehene Abschnitte quer über die Lagerlänge vorgesehen werden,
die in Längsrichtung gegenseitig beabstandet sind und deren Eigenschaf
ten wie Tiefe und Abstand in Längsrichtung durch irgendeine variable und
uniforme Bedingung definiert sind, wobei mindestens eine der Eigenschaf
ten nach zwingender Vorschrift variabel ist. Eine solche Bauweise ermög
licht grundsätzlich eine bessere Dimensionierung der Gleitschicht auf den
Lagerteilen, die in stärkerem Maße große Lasten und Wellenfehlausrich
tungen unterworfen sind. Sie führt auch zu einer gleichmäßigeren
Druckverteilung auf diesen Lagerteilen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der in den Figuren schematisch
dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1, 2 und 3: Schnitte von Gleitlagern, die mit
Nuten unterschiedlicher Formen versehen
sind und gleichmäßige Abstände aufweisen;
Fig. 4: einen Schnitt eines Mehrschicht
gleitlagers, das mit Nuten gleichmäßi
ger Tiefe und variablen Abständen zwi
schen den Nuten versehen ist;
Fig. 5: einen Schnitt eines Mehrschicht
gleitlagers, das mit Nuten unterschied
licher Tiefe versehen ist und gleichmäßi
ge Abstände zwischen den Nuten aufweist;
Fig. 6: einen Schnitt eines Mehrschicht
gleitlagers mit Nuten unterschiedlicher
Tiefe und variablen Nutabständen;
Fig. 7 und 7a: grafische Darstellung zur Erläuterung
der Auswirkungen der Nuten auf den
Spitzendruck in dem Lager;
Fig. 8: eine schematische Darstellung der Last
deformation des die Nuten ausfüllenden
Materials;
Fig. 9: eine vergleichende grafische Darstel
lung der Druckverteilung bei einem kon
ventionellen Gleitlager ohne Nuten,
einem bekannten Gleitlager mit Nuten und
einem Gleitlager gemäß der Erfindung;
Fig. 10: eine schematische Darstellung der Win
kelverteilung der Last im Druckbe
reich eines konventionellen Gleitlagers
oder eines Lagers mit gleichmäßig beab
standeten Nuten;
Fig. 10a: eine schematische Darstellung der Last
winkelverteilung des Druckbereichs eines
Gleitlagers mit Nuten, die variable Tie
fen und Abstände aufweisen;
Fig. 11: den Steigungswinkel der Nuten in bezug
zur Lagertraversalachse;
Fig. 12: eine perspektivische Ansicht eines Gleit
lagers der Erfindung mit Nuten über seine
gesamte Umfangslänge und
Fig. 13: eine perspektivische Ansicht des Gleit
lagers der Erfindung, das Nuten nur über
einen Teil seiner Umfangslänge aufweist.
Die Fig. 1, 2 und 3 zeigen drei verschiedene Konfigurationen von be
kannten Lagern, die mit Nuten versehen sind und eine Stützschicht 1,
eine Nuten aufweisende Zwischenschicht 2 und eine Diffusions- oder Bin
dungsschicht 3 sowie ein Lager- oder Gleitmaterial 4 aufweisen, das die
Nuten der Zwischenschicht 2 ausfüllt. Bei dieser Lagerbauart sind die Tie
fe der Nuten und die Abstände zwischen den Nuten gleichmäßig, wodurch
das Lager gleichmäßige Eigenschaften erhält.
Lager gemäß der Erfindung sind in den Fig. 4, 5 und 6 dargestellt. In
diesen Figuren ist auf der Stützschicht 11 die Zwischenschicht 12 ange
ordnet, die mit Nuten versehen ist, die mit Gleitmaterial 14 ausgefüllt
sind. Eine Diffusions- oder Bindungsschicht 13 kann zwischen der Zwi
schenschicht 12 und dem Gleitmaterial 13 angebracht sein. Bei dem in
Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel haben die Zwischenschichtnuten
gleichmäßige Tiefe, jedoch ist der Abstand zwischen den Nuten variabel.
Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Tiefe der
Nuten variabel und die Nutabstände sind gleichmäßig. Bei dem in Fig. 6
dargestellten Ausführungsbeispiel sind sowohl die Tiefen der Nuten als
auch die Abstände zwischen den Nuten variabel. Die Auswahl einer dieser
Charakteristiken oder eine Kombination von zwei oder drei Ausführungs
formen hängt von den spezifischen Anforderungen an das Lager ab. Bei
spielsweise ist für ein Lager, das großen Lasten ausgesetzt ist, das Vor
sehen eines größeren Anteils von weicherem Material, d. h. Gleitmaterial,
an dem Teil des Lagers zu empfehlen, der am stärksten beansprucht
wird. Das gleiche trifft zu für diejenigen Teile des Lagers, die eine
Wellenfehlausrichtung kompensieren müssen.
Der Druck längs des Longitudinalquerschnitts des Lagers ändert sich nach
einer parabolischen Kurve. Das Einsetzen einer Nut in das Lager verur
sacht eine Änderung des Druckprofils. Wenn die Tiefe der Nut größer als
das diametrale Lagerspiel ist, d. h. größer als das Spiel zwischen der Wel
le und dem Lager ist, ändert sich das Druckprofil wie in der Skizze in
der Fig. 7 gezeigt. wenn in einem solchen Fall ein Drucktal infolge des
Einführens einer Nut erreicht würde, würden gleichzeitig Druckspitzen er
zeugt, die noch größer sind als die ursprüngliche Druckspitze. Wenn
jedoch die Tiefe der Nut kleiner als der Ölfilm zwischen der Welle und
dem Lager ist, ändert sich das resultierende Profil wie in Fig. 7a ge
zeigt. Das Vorsehen von Nuten mit geeigneten Tiefen und Abständen als
Funktion von spezifischen Druckwerten ermöglicht eine gleichmäßigere
Druckverteilung auf den am meisten belasteten Teilen des Lagers mit
einer Abflachung des Ölfilmspitzendrucks, der sich aus dem Effekt einer
induzierten elastischen Deformation des Gleitmaterials (Fig. 8) ergibt.
Das Schaubild in Fig. 9 zeigt die Druckverteilung bei einem Gleitlager
ohne Nuten, bei einem konventionellen Gleitlager mit Nuten und einem
Gleitlager mit Nuten, gemäß der Erfindung.
Die Lösung gemäß der Erfindung führt auch dazu, daß der Druck über
einen größeren Winkelbereich (Fig. 10a) verteilt ist, verglichen mit dem
Winkelbereich, der bei einem konventionellen Nutenlager (Fig. 10) einge
schlossenist, wodurch der Kavitationsbereich verringert wird.
Ein weiterer wichtiger Vorteil bezieht sich auf die Schmierung: die Ver
teilung und damit verbundene Abflachung der Druckspitze führt zu einer
Vergrößerung der Verdichtsteife der Druckableitung in bezug auf die La
gerecken, was zu einem stärkeren Strom an Schmieröl führt, wodurch die
Öltemperatur verringert und die Viskosität des Öls vergrößert wird.
Gemäß der Erfindung können Nuten über die gesamte Umfangsfläche oder
nur ein Teil der Umfangsfläche des Lagers oder der Lagerschale wie in
Fig. 12 und 13 jeweils gezeigt, vorgesehen sein. Für gewisse
Anwendungsfälle beispielsweise kann es ausreichend sein, Nuten nur auf
definierten Abschnitten des Lagers vorzusehen, während es an anderen
Stellen von Bedeutung sein kann, eine konventionelle Struktur
beizubehalten, um bestimmten Anforderungen zu entsprechen.
Die Nuten verlaufen wendelförmig in Richtung der Lagerachse und
müssen unter einem Winkel angeordnet sein, der zwischen 0° und 45°,
wie in Fig. 11 gezeigt, liegt. Es ist wünschenswert, daß dieser Winkel so
nahe wie möglich bei Null liegt. Es sei darauf hingewiesen, daß beim
Überschreiten eines gewissen Winkelwertes Schaden für das Gleitlager bei
Betrieb bestehen kann, beispielsweise ein Herauswischen von Gleit
material aus den Nuten.
Claims (3)
1. Gleitlager mit einer Stützschicht (11), einer Zwischenschicht (12)
auf der Stützschicht (11), die mit Teilen von internen peripheren Nuten
quer zur Lagerlänge versehen ist, die longitudinal gegenseitig beabstandet
sind, gegebenenfalls mit einer Diffusions- oder Bindungsschicht (13) auf
der Oberfläche der Nutteile; mit einer Gleitschicht aus einem Material,
das weicher ist als das Material der Zwischenschicht, und das die mit
Nuten versehenen Teile ausfüllt, wobei die mit Nuten versehenen Teile
Charakteristiken der Tiefe und des longitudinalen Abstands aufweisen, die
durch ein variables und/oder gleichmäßiges Muster definiert sind, wobei
mindestens eine der Charakteristiken zwingenderweise variabel ist.
2. Gleitlager nach Anspruch 1, bei dem die mit Nuten versehenen
Teile mindestens über einen Teil der Lagerumfangslänge vorgesehen sind.
3. Gleitlager nach Anspruch 1, bei dem die mit Nuten versehenen
Teile unter einem Winkel von 0 bis 45° in bezug auf die Radialrichtung
angeordnet sind.
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