DE4205760C2 - Gleitlager - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gleitlager für Verbrennungsmotoren mit einer Stützschicht und mindestens einer Gleitschicht, die eine Innenfläche aufweist und eine rotierbare Welle trägt, wobei sich ein Ölfilm zwischen der Gleitschicht und der rotierbaren Welle befindet. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Verbesserung an einem für Verbrennungsmotoren bestimmten Gleitlager.

Moderne Verbrennungsmotoren müssen sich durch große Kompaktheit und die Fähigkeit auszeichnen, extremen Laufbedingungen Stand zu halten.

Gleitlager sind so gestaltet, daß sie unter hydrodynamischen Bedingungen arbeiten, d. h., ein Ölfilm mit einer Mindestdicke muß zwischen der rotierenden Welle und der entsprechenden Kontaktfläche zwischen der Welle und dem Lager vorhanden sein, um einen freien Umlauf und einen sanften Lauf der Welle zu ermöglichen, bei dem es zu keinem (direkten) Kontakt zwischen den Teilen kommt.

Insbesondere bei großen mechanischen Lasten, die auf das Lager wirken und die wiederum das Ergebnis eines hohen Verbrennungsdruckes in der Verbrennungskammer und eine Folge der bei einer hohen Motorendrehzahl entstehenden Trägheitskräfte sind, ist es nicht immer möglich, diese minimale Ölfilmdicke zwischen den Teilen aufrecht zu erhalten. Wenn der Ölfilm abgeschert wird, fällt das Lager vorzeitig infolge der extrem hohen Beanspruchung seiner Gleitschicht aus, was in extremen Fällen sogar zu einer Beschädigung der Welle führen kann.

Aus diesen Gründen ist es üblich, die Gleitlagerschichten mit mindestens einer weichen Phase durch Zugabe von Elementen, wie beispielsweise Pb, Sn, Cd, Bi und anderen herzustellen, sodaß in Notlaufsituationen, beispielsweise, wenn der Spitzenölfilmdruck (POFP) größer als die spezifizierten Werte sind oder wenn die minimale Ölfilmdicke (MOFT) die untere Grenze unterschreitet, oder wenn beide Fälle eintreten. Das Hinzufügen dieser Elemente ist jedoch nicht ausreichend, um den Kontakt zwischen der Welle und dem Gleitlager zu verbessern und um Dotierungen (Verunreinigungen) in das Schmieröl einzufügen. Als weitere Lösung des Problems kann eine höhere Lagerlastkapazität dadurch erreicht werden, daß Nuten, die in der Umfangsrichtung der Gleitlagerschicht vorgesehen sind, mit weicherem Material ausgefüllt werden. Dadurch kann das Lager größeren Belastungen standhalten und Verunreinigungen in einer eher zufrieden stellenden Weise einbetten. Solche Bauformen sind beispielsweise in der US-Patentschrift 4 400 099 und in der brasilianischen Patentanmeldung PI 8602877 beschrieben. Diese Lösungen sind zwar technisch akzeptierbar, führen jedoch zu erhöhten Herstellungskosten und stehen daher den Bestrebungen, die Herstellungskosten von Verbrennungsmotoren zu reduzieren, entgegen.

Gemäß einer weitverbreiteten anderen Lösung wird der Radius der inneren Lagerfläche in Bereichen vergrößert, wo die Wahrscheinlichkeit einer Ölfilmabscherung größer und folglich auch die Oberflächenabnutzung größer ist, d. h., in der Nähe der Trennlinie der oberen und unteren Lagerhalbschalen. Dadurch wird eine Öltasche in diesem Bereich erzeugt, wodurch eine zusätzliche Sicherheit für das Lager erreicht wird. Die US-Patentschriften 3 625 580 und 4 311 349 zeigen solche Lösungsansätze. Wenngleich diese Lösungsansätze akzeptabler als die zuvor genannten sind, bleiben die restlichen Bereiche des inneren Lagers, die im zentralen Bereich des Lagers weiter entfernt von den Öltaschen liegen, ohne Schutz.

Der Erfindung liegt daher die Hauptaufgabe zugrunde, ein Gleitlager der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die Gefahr der Abnutzung der Lagerflächen verringert ist. Das Gleitlager soll sich für den Automobilbereich eignen, wo starke Belastungen auftreten. Das Lager soll kostengünstig herzustellen sein und jeder Teil des Lagers soll vor vorzeitiger Abnützung geschützt sein.

Nach der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Gleitlager gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß wird zur Lösung dieser Aufgabe ein Gleitlager geschaffen, das eine Stützplatte und wenigstens eine Gleitschicht aufweist, die mit einer Innenfläche versehen ist, um eine rotierbare Welle mit einem Schmierölfilm zwischen den beiden Teilen zu lagern.

Erfindungsgemäß ist die Lagerinnenfläche mit mindestens einer Umfangsausnehmung versehen, und zwar mindestens auf einem Abschnitt der axialen Lagerlänge der Innenfläche, wo bei laufendem Motor der Ölfilmdruck (POFP) größer als der für das Lager berechnete Maximalwert ist. Die Umfangsausnehmung kann auch (zusätzlich) in einem Bereich liegen, der unter Berücksichtigung der Wellendrehrichtung bis zu 45° stromaufwärts des Bereiches liegt, wo die minimale Ölfilmdicke (h_min) kleiner ist als der für sie berechnete Minimalwert.

Jede Umfangsausnehmung ist durch eine minimale und eine maximale Umfangsweite, eine maximale radiale Tiefe E und einen Umfangsbereich α bestimmt, die alle sich entsprechend spezifischen baulichen Merkmalen ändern und die mit Hilfe mathematischer Simulation ermittelt worden sind, um die Werte für Öldruck und/oder Ölfilmdicke in den für das Lager festgelegten Grenzen zu halten. Die radiale Tiefe E der Ausnehmung ist dabei gegeben durch den Ausdruck:

wobei e die Basis des natürlichen Logarithmus ist.

Die räumliche Anordnung einer jeden Ausnehmung folgt einer Axialverteilung und einer allgemeinen axialen Ausrichtung, wobei für jeden Zweck entweder eine Ausnehmung geschaffen wird, die den Öldruck reduziert, oder eine Ausnehmung, die die Dicke des Ölfilms steigert, je nachdem ob Bereiche vorliegen, wo der Öldruck zu hoch oder die Ölfilmdicke nicht ausreichend ist. Es wurde gefunden, daß das Vorsehen solcher Ausnehmungen die Schäden mildert, die sowohl dem Lager als auch der Welle zugefügt werden können, wie das nachstehend im Detail erörtert wird.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1: Einen schematisch dargestellten Schnitt einer Lageranordnung, die aus zwei Lagerhalbschalen und einer Welle besteht, nach dem Stand der Technik, wobei die Verteilung des Ölfilmdruckes illustriert ist;

Fig. 2: Die Anordnung gemäß Fig. 1, jedoch mit einer Ausnehmung versehen, durch die der Öldruck gesenkt wird, gemäß einem Aspekt der Erfindung; es ist ebenfalls der Verlauf des Ölfilmdruckes gemäß der Erfindung dargestellt; und

Fig. 3: einen Schnitt durch die Anordnung gemäß Fig. 1, die jedoch eine Ausnehmung aufweist, um die Ölfilmdicke zu verbessern, wobei die Ausnehmung im wesentlichen in axialer Ausrichtung angeordnet ist, gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung.

Ein Gleitlager 10 weist eine Trennlinie P-P auf, die eine obere Halbschale 10s von einer unteren Halbschale 10i trennt. Eine jede Halbschale weist eine äußere Schicht oder Stützschicht 11, im allgemeinen aus Stahl, eventuell eine Zwischenschicht aus einer Aluminiumlegierung, Bleilegierung oder einem anderen geeigneten Material und eine innere Gleitschicht 13 auf, die aus einer Cu-Sn-Pb-Legierung bestehen kann. Bei dieser Ausführungsform ist die Trennlinie P-P um einige Grade in Bezug auf die Horizontalebene geneigt.

Das Lager 10 trägt eine rotierende Welle 20, wobei zwischen den beiden Teilen ein Ölfilm 30 vorhanden ist, um perfekte hydrodynamische Bedingungen im Laufbetrieb des Lagers zu ereichen. Infolge einer auf die Welle 20 an der Oberfläche 13a wirkenden Überlast kann jedoch die minimale Ölfilmdicke (MOFT) und/oder der Spitzenölfilmdruck Werte annehmen, die außerhalb der Konstruktionsspezifikationen liegen, wodurch ein Verlust oder eine ernsthafte Verringerung der Lagerschmierung infolge Ölmangels oder infolge eines überhöhten Druckes, der einige Bereiche der Lagerinnenfläche 13a überlastet, auftritt.

Wenn sich der Öldruck übermäßig erhöht, nimmt die Öldruckverteilung die Form an, wie sie in der graphischen Darstellung der Fig. 1 an Hand von Pfeilen in der Fläche D1 gezeigt ist. Diese Überlastung infolge des exzessiven Öldruckes führt zu einem frühzeitigen Lagerschaden durch Deformierung der Oberfläche 13a infolge des extremen Verschleißes, wodurch letztlich die Welle beschädigt wird.

Um das Problem einer schädlichen Ölfilmdruckverteilung, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, zu vermeiden, wird die innere Fläche 13a des Lagers 10 durch spanabhebende Bearbeitung oder eine andere geeignete Verfahrensweise mit einer Umfangsausnehmung oder Nut 15 mindestens in einem Axialbereich versehen.

Bei dem Beispiel der Fig. 1 weist die Druckverteilung des Ölfilms nur eine einzige ausgeprägte Deformation auf, die durch die Linie DA angedeutet ist.

Um die Deformation zu beseitigen, wird die Umfangsausnehmung entsprechend einer axialen Ausrichtung in dem Bereich der Innenfläche 13a angebracht, wo die Deformation stattfindet. Es soll darauf hingewiesen werden, daß die Bestimmung der Bereiche, wo die innere Lagerfläche 13a verstärkt einer vorzeitigen Abnutzung durch einen zu hohen Ölfilmdruck unterworfen ist, durch mathematische Simulationen erhalten wird.

Bei dem Beipiel der Fig. 1 wurde gefunden, daß der Bereich, der einem vorzeitigen Verschleiß infolge einer ungleichmäßigen Druckverteilung des Ölfilms unterworfen wird, in der unteren Halbschale 101 des Lagers 10 liegt, genauer, in dem Bereich, der in einer mit der Trennlinie P-P einen Winkel β 1 bildenden Ebene enthalten ist. Das Vorsehen der Ausnehmung 15 längs der Innenfläche 13a des Lagers 10 an dem Punkt, an dem die Ungleichmäßigkeit der Ölfilmverteilung auftritt, beseitigt diese Deformation, wie dies in der Druckverteilungsfläche D2 in Fig. 2 gezeigt ist.

In Fig. 3 ist eine Ausnehmung 16 gezeigt, die zur Vergrößerung der Ölfilmdicke führt. Diese liegt in einem anderen Winkelbereich längs der Innenfläche 13 des Lagers 10. Diese Ausnehmung 16 liegt in einem Bereich, der bis zu 45° stromaufwärts - unter Berücksichtigung der Wellendrehrichtung - gelegen ist, ausgehend von einem Bereich, der durch mathematische Simulation als möglicherweise kritisch in Bezug auf eine zu geringe Ölfilmdicke bestimmt worden ist. Die räumliche Anordnung dieser Ausnehmung 16 kann des weiteren durch aufeinanderfolgende Rechenschritte justiert werden, um genauere Ergebnisse zu erhalten. Bei der Dimensionierung der Ausnehmung 16 zur Wiederherstellung der Ölfilmdicke müssen drei Variable beachtet werden.

• - E oder maximale Ausnehmungstiefe 16, gemessen von der Innenfläche 13a des Lagers 10;
• - α oder Winkel in Radiangraden des Umfangsbereichs, über den sich die Ausnehmung 16 erstreckt;
• - eine dritte Variable (nicht gezeigt), die sich auf die axiale Ausdehnung der Ausnehmung bezieht und sich je nach Baumuster ändert; die Ausnehmung kann sich über die ganze Lagerlänge oder einen Teil der Innenfläche 13a erstrecken.

Die Dimensionierung der Ausnehmung 16 wird durch folgende Ausdrücke definiert:

wobei r der geometrische Radius ist, dessen Größe äquivalent zur Hälfte des inneren Radius R des Lagers 10 plus der Maximaltiefe E der Ausnehmung 16 ist, wobei K ein Regulierfaktor für die Tiefe E ist, der sich im umgekehrten Verhältnis mit der Härte des Gleitlagermateriales 13a ändert, d. h. je größer die Härte des Lagermateriales, umso kleiner ist der Wert von K, wobei dieser Wert immer größer oder gleich S ist, vorzugsweise liegt er zwischen 5 und 10 (5 ≦ K ≦ 10);

• - E ist die maximale Tiefe der Ausnehmung 16, gemessen von der Innenfläche 13a des Lagers 10;
• - e ist die Basis des natürlichen Logarithmus;
• - S ist die relative Differenz zwischen dem theoretischen Wert der minimalen Ölfilmdicke MOFT (h_min) für den Ölfilm 30 und dem Wert, der durch mathematische Simulation erhalten wird, und der als der aktuelle Wert des Ölfilms 30 betrachtet wird (h_calc) zu einem gegebenen Moment der Drehung der Welle 20.
• - h_max ist die maximale Ölfilmdicke unter Beachtung der Ausnehmung 16.

Wenn einmal bekannt ist, daß in der Position β = + 45° die Dicke h_calc des Ölfilms 30 geringer als die Dicke h_min ist (beispielsweise h_min = 2,0 µm und h_calc = 0,5 µm), ist es möglich, über den Ausdruck "c" festzustellen, daß die Relativdifferenz S zwischen den genannten Werten sich ergibt als:

Sodann wird der Wert der Tiefe E der Ausnehmung 16 bestimmt, die in die Lageroberfläche eingearbeitet werden muß. Somit wird der Wert von K als K = 5 ermittelt bei einer Ausrichtung, die mit der Ebene zusammenfällt, die den Winkel β 2 mit der Trennlinie P-P einschließt:

E = K × [1,0 - e^-s];

E = 5 × [1,0 - e^-3];

E = 5 × [1,0 - 0,049];

E = 4,75 µm;

In dem besonderen Fall der Ausnehmung 16, die zur Wiederherstellung der Ölfilmdicke dient, kann die Dimensionierung ihrer maximalen Tiefe E und ihrer radialen Erstreckung α als Funktion der theoretischen Minimalwerte von h_min für das Lager und von h_calc (ermittelt durch mathematische Simulationen) erhalten werden. In der bevorzugten in den Fig. 2 und 3 gezeigten Ausführungsform weisen die Ausnehmungen 15 und 16 einen Längsabschnitt einer Zirkumferenzialform auf. Es sollte jedoch bemerkt werden, daß es in einigen Fällen der Öldruckreduzierung oder Ölfilmverdickung auch möglich oder ratsam sein kann, longitudinale Abschnitte für die Ausnehmungen festzulegen, die eine andere als eine Zirkumferenzialform aufweisen, wie beispielsweise eine Dreieckform, Rechteckform, Polygonalform - regelmäßig oder unregelmäßig - immer unter angemessener Berücksichtigung der Grenzen der maximalen Tiefe E und des Winkelbereiches, der für jeden Fall erforderlich ist.

Claims (8)

1. Gleitlager (10) für Verbrennungsmotoren mit einer Stützschicht und mindestens einer Gleitschicht, die eine Innenfläche (13a) aufweist und eine rotierbare Welle (20) trägt, wobei sich ein Ölfilm (30) zwischen der Gleitschicht und der rotierbaren Welle befindet und die Innenfläche (13a) mindestens eine Umfangsausnehmung (15, 16) aufweist, wobei jede Umfangsausnehmung sich über wenigstens einen Teil der axialen Länge des Gleitlagers erstreckt, wobei jede Ausnehmung (15, 16) in einem Bereich der Innenfläche (13a) des Lagers (10) angeordnet ist, die einem Ölfilmdruck (POFT) ausgesetzt ist, der größer als ein für diesen Bereich berechneter Maximalwert ist und/oder in einem Bereich der Innenfläche (13a) angeordnet ist, der bis zu 45° in Drehrichtung der Welle (20) stromaufwärts eines Bereiches liegt, wo die minimale Ölfilmdicke (h_min) geringer als der berechnete Wert ist, wobei jede Ausnehmung eine maximale radiale Tiefe E und eine Umfangsausdehnung α aufweist, wobei die Abmessungen so definiert sind, daß die Werte für den Öldruck und die Ölfilmdicke innerhalb von durch Bauweise und Betriebsbedingungen des Lagers (10) vorbestimmten Grenzen liegen, wobei die radiale Tiefe E der Ausnehmung (16) durch den Ausdruck
gegeben ist, wobei e die Basis des natürlichen Logarithmus ist.

2. Gleitlager (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangsausdehnung α einer jeden Ausnehmung (16) durch folgende Beziehung begrenzt ist:
wobei r der Abstand zwischem jedem Ende der Ausnehmung (16) auf der Fläche (13a) und dem Mittelpunkt des inneren Radius R des Lagers (10) ist, dessen Verlängerung die Ausnehmung (16) in zwei gleiche Teile teilt.

3. Gleitlager (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Ausnehmung (16) eine maximale Tiefe E im Mittelpunkt ihrer Umfangsausdehnung hat, welche sich zu den gegenüberliegenden Enden der Ausnehmung (16) hin verringert.

4. Gleitlager (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Grund einer jeden Ausnehmung (16) rund geformt ist und den Mittelpunkt der minimalen Dicke und die gegenüberliegenden Enden der Fläche (13a) enthält.

5. Gleitlager (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius des Grundes der Ausnehmung (16) die Entfernung r zwischen den gegenüberliegenden Enden der Ausnehmung (16) und der Mitte des Innenradius R ist, dessen Verlängerung die Ausnehmung (16) in zwei gleiche Teile teilt.

6. Gleitlager (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Ausnehmung einen rund geformten longitudionalen Abschnitt aufweist.

7. Gleitlager (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleitlager eine Zwischenschicht aufweist, die hauptsächlich aus Aluminium oder Blei oder einem anderen geeigneten Antifriktion-Material besteht und die zwischen der Stützschicht (11) und der Gleitschicht (13) liegt.

8. Gleitlager (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitschicht aus einer Bronzelegierung besteht.