DE4330565C1 - Kurbelwellenlager - Google Patents

Kurbelwellenlager

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Description

Die Erfindung betrifft ein Kurbelwellenlager für Brennkraftmaschinen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die Lagerspielgröße von Brennkraftmaschinen-Kurbelwellenlager hat einen signifikanten Einfluß auf die Geräuschentstehung und -übertragung, ebenso auf den Schmieröldurchsatz. Erhebliche Lagerspielvergrößerungen bei steigender Temperatur treten vor allem bei Brennkraftmaschinen auf, die ein Gehäuse aus einer Leichtmetal-Legierung umfassen, dessen Kurbelwellenlager eine eisenmetallische Kurbelwelle aufnehmen. Die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von leichtmetallischem Gehäuse und eisenmetallischer Kurbelwelle bewirken temperaturabhängig eine Vergrößerung der Lagerbohrung des jeweiligen Kurbelwellenlagers, was beim Betrieb der Brennkraftmaschine eine Geräuschzunahme nach sich zieht.
Zur Vermeidung dieses Nachteils ist es aus der DE 31 35 683 A1 bekannt, in einem aus einer Leichtmetall-Legierung bestehenden Lagerdeckel eines Kurbelwellenlagers einen eisenmetallischen Kern einzugießen, der durch einen Streifen gebildet wird und sich quer zum Lagerdeckel sowie mit Abstand zum Kurbelwellenzapfen erstreckt. Da sich bei dieser Ausführung die Bohrung des Lagerdeckels nach wie vor ausdehnt, wird die angestrebte Geräuschminderung mit den vorgeschlagenen Mitteln nicht erreicht.
Bei einer anderen bekannten Lagerung der Kurbelwelle, wie aus der DE-34 26 208 C1 bekannt, werden in einem Gehäuse aus einer Leichtmetall-Legierung gute Ergebnisse bezüglich der Geräuschabsenkung erzielt; denn der in die Leichtmetall-Kurbelwellenlagerung eingegossene eisenmetallische Kern umgibt den Kurbelzapfen, so daß eine unerwünschte Lagerspielvergrößerung vermieden wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kurbelwellenlager einer Brennkraftmaschine mit einem Gehäuse aus einer Leichtmetall-Legierung weiter zu verbessern, und zwar mit dem Ziel, eine hochwirksame Vorrichtung zur Lagerspielreduktion zu vereinfachen und ihre Herstellkosten zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Weitere, die Erfindung ausgestaltende Merkmale sind in den nachfolgenden Ansprüchen enthalten.
Die mit der Erfindung hauptsächlich erzielten Vorteile sind darin zu sehen, daß die Vorrichtung ein Kompensatorglied umfaßt, das zwischen Lagerbohrung und Kurbelzapfen angeordnet ist und einen wesentlich größeren Ausdehnungskoeffizienten besitzt als seine benachbarten Teile, wodurch die Lagerspielvergrößerung beim Betrieb der Brennkraftmaschine, insbesondere hervorgerufen durch das Brennkraftmaschinengehäuse aus einer Leichtmetall-Legierung, gezielt minimiert wird. Außerdem wird der Öldurchsatz günstig beeinflußt, weil der Ölfilm in der Lagerbohrung eine verbesserte Tragfähigkeit aufweist.
Um funktionsgerechte Laufeingeschaften der Kurbelwelle bzw. ihres Kurbelzapfens sicherzustellen, ist zwischen Kompensatorglied und Kurbelwelle eine Lagerschale aus einem metallischen Werkstoff, z. B. Stahl, vorgesehen. Soweit vergleichbare Laufeigenschaften erzielbar sind, ist aber auch eine andere Bauweise, z. B. Kompensatorglied mit Folie oder ähnliches, denkbar.
Als besonders geeigneter Werkstoff für das Kompensatorglied wird Kunststoff und hier hochfestes Thermoplast, z. B. Polyamid, angesehen. Drüberhinaus dürfte ein anisthoroper Werkstoff die Anforderungen an das Kompensatorglied erfüllen, wobei dieser Werkstoff in radialer Richtung relativ große und in axialer sowie tangentialer Richtung geringe Wärmedehnung aufweist. Vorstellbar als Werkstoff für das Kompensatorglied ist auch Zink oder eine Zinklegierung.
Das Kompensatorglied und die Lagerschale bilden ein Modul, das sich auf einfache Weise als Zulieferteil herstellen und/oder zusammensetzen sowie in das Kurbelwellenlager bei der Montage der jeweiligen Brennkraftmaschine einsetzen läßt. Das Kompensatorglied kann mittels Formschluß von der im Querschnitt U-förmigen Lagerschale in Lage gehalten werden, wobei auch andere Formschluß bewirkende Konfigurationen möglich sind. Als Variante kann das Kompensatorglied mit der Lagerschale durch Kleben, Vulkanisieren oder dergleichen verbunden sein. Eine andere Ausführung ist: Das Kompensatorglied stoffschlüssig - Kleben, Vulkanisieren - mit der Lagerbohrung zu verbinden.
Das Kompensatorglied, z. B. mit Lagerschale als Modul, eignet sich nicht nur für einteilige Kurbelwellenlager, wie sie in Einzylindermotoren verwendet werden, sondern auch für geteilte Kurbelwellenlager, bestehend aus einem Gehäuseabschnitt eines Zylinderkurbelgehäuses, auch Lagerstuhl genannt, und einem Lagerdeckel, z. B. einer Lagerbrücke oder eines Kurbelgehäuseunterteils. In diesem Fall wird die Vorrichtung - Kompensatorglied, Lagerschale - durch zwei schalenartige Hälften gebildet, die in die Lagerbohrung eingesetzt werden.
Schließlich ist die Vorrichtung nicht nur zur Lagerung von Kurbelwellen in Kolbenbrennkraftmaschinen geeignet, sondern auch in Kolbenkompressoren.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, die nachstehend näher beschrieben werden.
Es zeigt
Fig. 1 einen Teilquerschnitt einer Brennkraftmaschine im Bereich eines Kurbelwellenlagers mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II der Fig. 1, jedoch als nichtmaßstäbliche Prinzipdarstellung, und die
Fig. 3 bis 10 Teilansichten X der Fig. 2 mit verschiedenen schematisch gezeigten Ausführungsformen.
Von einer nicht näher gezeigten mehrzylindrigen Brennkraftmaschine 1 - nach Hubkolbenart - ist ein aus einer Leichtmetall-Legierung bestehendes Zylinderkurbelgehäuse 2 gezeigt, wovon eine Wand 3 sich zwischen Zylindern erstreckt, was nicht aus der Fig. 1 hervorgeht. Am mit Versteifungsrippen 4 versehenen Zylinderkurbelgehäuse 2 angebracht ist ein Kurbelwellenlager 5, das durch einen mit dem Zylinderkurbelgehäuse 2 aus einem Stück hergestellten Lagerabschnitt 6 und einen Lagerdeckel 7 gebildet wird. Beide Lagerteile sind in einer Ebene A-A zusammengesetzt, die das Zentrum Z eines einer Kurbelwelle 8 zugehörigen Kurbelzapfens 9 schneidet und sich senkrecht zur Zylinderachse erstreckt.
Der Lagerdeckel 7 kann Bestandteil einer das Zylinderkurbelgehäuse 2 versteifenden Brücke sein, die mehrere Lagerdeckel 7 trägt und aus einer Leichtmetall-Legierung besteht. Brücken dieser Art sind in der DE-OS 22 57 651 und EP-0 038 560 dargestellt. Der Lagerdeckel 7 ist am Lagerabschnitt 8 mittels senkrecht zur Ebene A-A wirkender und mit Abstand zueinander angeordneter Schrauben 10, 11 gehalten, die in Gewinde 12, 13 des Lagerabschnitts 6 eingedreht sind. Auf der jeweils freien Seite der Schrauben 10, 11 greifen Schraubenmuttern 14, 15 an, die unter Zwischenschaltung von Sicherungsringen 16, 17 den Lagerdeckel 7 gegen den Lagerabschnitt 6 spannen.
In Fig. 2 sind der Lagerabschnitt 6 und der Lagerdeckel 7 an Lagerstühlen 18, 19 vorgesehen, die sich stegartig zwischen Wangen 20, 21 und 22, 23 der Kurbelwelle 8 erstrecken.
Jeder Lagerstuhl 18 oder 19 ist mit einer Lagerbohrung 24 versehen, die den Kurbelzapfen 9 umgibt. Zwischen Lagerbohrung 24 und Kurbelzapfen 9 ist eine Vorrichtung 25 angeordnet, die zur kontrollierten Reduktion der Lagerspielvergrößerung - zwischen Lagerbohrung 24 und Kurbelzapfen 9 - während des Betriebs der Brennkraftmaschine beiträgt.
Die Vorrichtung 25 umfaßt ein den Kurbelzapfen 9 ringartig umgebendes Kompensatorglied 26, das aus einem Werkstoff mit relativ großem Ausdehnungskoeffizienten besteht. Der Querschnitt des Kompensatorgliedes 26 ist rechteckig, wobei andere geometrische Formen oder Formkombinationen vorstellbar sind. Zwischen Kompensatorglied und Kurbelwellenzapfen 9 ist eine Lagerschale 27 vorgesehen, die im Ausführungsbeispiel aus metallischem Werkstoff, beispielsweise Stahl, besteht und auf der dem Kurbelzapfen 9 zugekehrten Seite, die als Lauffläche 28 ausgebildet ist, mit einer geeigneten Einlaufbeschichtung versehen ist.
Als Werkstoff für das Kompensatorglied geeignet ist:
w₁: Kunststoff, z. B. hochfestes Thermoplast; Polyamid.
w₂: Anisthoroper Werkstoff, z. B. Thermoplast mit unidirektionaler Faserverstärkung - anisthorope Körper verhalten sich in verschiedenen Raumrichtungen physikalisch unterschiedlich -.
w₃: Zink bzw. Zinklegierung.
Die Werkstoff-Auswahl und/oder -Neuentwicklung wird entscheidend von mechanischen, thermischen und Umgebungs-Belastungen des Kompensatorgliedes 26 beeinflußt.
Die Dicke D (Fig. 2) des Kompensatorgliedes 26 wird in Abhängigkeit der räumlichen Umgegung und des Werkstoffes - w₁; w₂; w₃ - rechnerisch/iterativ oder empirisch bestimmt. Dabei wird die Dicke D so dimensioniert, daß sich folgende Verhalten v₁ und v₂ realisieren lassen:
v₁: Das Lagerspiel zwischen Kurbelzapfen 9 und Vorrichtung 25 bleibt bei steigender Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine konstant.
v₂: Das Lagerspiel zwischen Kurbelzapfen 9 und Vorrichtung 25 verkleinert sich bei steigender Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine.
Die Lagerschale 27 ist ein Träger für das Kompensatorglied 26, dergestalt, daß beide eine Art Modul 29 bilden, das sich entweder als Ringteil in ein einteiliges Kurbelwellenlager eines Einzylindermotors - siehe US-4,549.510 - oder als aus zwei halbkreisförmigen Schalenhälften 30, 31 bestehendes Bauteil in das zweiteilige Kurbelwellenlager 5 gemäß Fig. 1 leicht einsetzen läßt.
Gemäß der im Lagerstuhl 18 vorgesehenen Vorrichtung 25 weist die Lagerschale 27 einen U-förmigen Querschnitt auf, der als Aufnahme für das im Querschnitt rechteckige Kompensatorglied 26 dient. Anders ausgedrückt: Das Kompensatorglied 26 wird von Schenkeln 32, 33 der Lagerschale in etwa teilweise gekammert und begrenzt dergestalt, daß es unter Formschluß in Lage gehalten wird. Gegebenenfalls kann zwischen Kompensatorglied 26 und Lagerschale 27 bei 34 eine Folie, Beschichtung oder dergleichen aus wärmeisolierendem Material, vorgesehen werden.
Beim Lagerstuhl 19 sind die Schenkel 32, 33 der Lagerschale 27 derart lang ausgebildet, daß sie parallele Wandungen 35, 36 umgreifen, die hierzu örtlich mit Ausnehmungen 37, 38 versehen sind. Die Schenkel 32, 33 arbeiten mit geringem Spiel mit den Ausnehmungen 37, 38 zusammen und das Kompensatorglied 26 ist vollständig gekammert.
In Fig. 3 ist dargestellt, daß das Kompensatorglied 26 und die Lagerschale 27 stoffschlüssig durch Kleben, Vulkanisieren oder dergleichen verbunden sind.
Dagegen ist nach Fig. 4 die Lagerschale 27 in vorgenannter Weise mit der Lagerbohrung 23 des Lagerstuhls 17 verbunden.
Gemäß Fig. 5 sind die Lagerschale 27 und das Kompensatorglied 26 ohne Form- oder Stoffschlußverbindungen zusammengesetzt.
Aus der Fig. 6 ist ersichtlich, daß die Länge der Schenkel 32, 33 der Lagerschale 27 derart bemessen ist, daß sie kürzer sind als eine Anlagefläche 39 des Kompensatorgliedes 26, die sich benachbart der Lagerbohrung 24 sich erstreckt; dies ist mit dem Abstand D₁ bezeichnet.
Wie in Fig. 7 gezeigt, weist der Lagerstuhl 18 bzw. der Lagerdeckel 7 im Bereich der Lagerbohrung 24 eine U-förmige Ausnehmung 40 auf, in die das Kommpensatorglied 26 mit korrespondierenden Abmessungen eingesetzt ist - Teilkammerung -, dabei ragt aber eine Anlagefläche 41, die benachbart der Lagerschale 27 verläuft, über die Lagerbohrung 24 hinaus; dies wird mit Abstand D₂ verdeutlicht.
Die Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform, bei der zwischen Lagerbohrung 24 und Kompensatorglied 26 ein Stützteil 42 angeordnet ist, das einen U-förmigen Querschnitt aufweist und aus Metall, Kunststoff oder dergleichen hergestellt sein kann.
Bei der Ausführung nach Fig. 9 besteht das Kompensatorglied 26 aus einem anisthoropen Werkstoff w₂. Dabei handelt es sich um ein Thermoplast mit unidirektionaler Faserverstärkung. Bei diesem Beispiel treten in radialer Richtung r relativ große und in axialer und tangentialer Richtung a bzw. t relativ kleine Wärmedehnungen auf.
Schließlich wird in Fig. 10 der Aufbau der Vorrichtung 25 gezeigt, bei der das Kompensatorglied 26 aus Zink bzw. einer Zinklegierung besteht. Beide Teile können entweder als ein miteinander verbundenes Modul oder getrennt voneinander in das Kurbelwellenlager 7 eingesetzt werden.
Das Anwendungsgebiet der Vorrichtung 25 ist nicht auf Kurbelwellenlager von ein- oder mehrzylindrigen Brennkraftmaschinen der Hubkolbenbauart beschränkt. Es besteht auch die Möglichkeit, sie z. B. bei Kolbenkompressoren, wo vergleichbare technische Anforderungen gestellt werden, einzusetzen.

Claims (22)

1. Kurbelwellenlager für Brennkraftmaschinen, das in einem aus einer Leichtmetall-Legierung bestehenden Gehäuse der Brennkraftmaschine vorgesehen ist, eine Lagerbohrung für einen Kurbelzapfen einer Kurbelwelle umfaßt und mit einer Vorrichtung zur Reduktion der Lagerspielvergrößerung während des Betriebs der Brennkraftmaschine versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (25) zwischen Kurbelzapfen (9) und Lagerbohrung (4) vorgesehen ist und ein den Kurbelzapfen (29) umgebendes ringartiges Kompensatorglied (26) aufweist, das aus einem Werkstoff mit einem relativ großen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besteht.
2. Kurbelwellenlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Kompensatorglied (26) und Kurbelwellenzapfen (9) eine Lagerschale (27) angeordnet ist.
3. Kurbelwellenlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompensatorglied (26) aus Kunststoff, z. B. hochfestem Thermoplast, besteht.
4. Kurbelwellenlager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompensatorglied (26) aus Polyamid besteht.
5. Kurbelwellenlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompensatorglied (26) aus einem anisthoropen Werkstoff, z. B. Thermoplast mit unidirektionaler Faserverstärkung besteht, der in radialer Richtung relativ große und in axialer und tangentialer Richtung relativ geringe Wärmedämmung aufweist.
6. Kurbelwellenlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß da Kompensatorglied (26) aus Zink oder einer Zinklegierung besteht.
7. Kurbelwellenlager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerschale (27) aus einem metallischen Werkstoff hergestellt ist.
8. Kurbelwellenlager nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (D) des Komparatorgliedes (26) derart dimensioniert ist, daß das Lagerspiel zwischen Kurbelzapfen (9) und Vorrichtung (25) bei steigender Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine konstant bleibt.
9. Kurbelwellenlager nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (D) des Kompensatorgliedes (26) derart dimensioniert ist, daß das Lagerspiel zwischen Kurbelzapfen (9) und Vorrichtung (25) sich bei steigender Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine verkleinert.
10. Kurbelwellenlager nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerschale (27) und das Kompensatorglied (26) ein Modul (29) bilden.
11. Kurbelwellenlager nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerschale (27) als Träger für das Kompensatorglied (26) ausgebildet ist.
12. Kurbelwellenlager nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerschale (27) im Querschnitt U-förmig ausgebildet ist und eine Aufnahme für das Kompenssatorglied (26) bildet.
13. Kurbelwellenlager nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Schenkel (32, 33) der Lagerschale (27) derart bemessen ist, daß sie kürzer sind als eine Anlagefläche (39) des Kompensatorgliedes (26), die benachbart der Lagerbohrung (24) verläuft.
14. Kurbelwellenlager mit einem parallele Wandungen aufweisenden Lagerstuhl nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schenkel (32, 30) der Lagerschale (27) derart ausgebildet sind, daß sie die parallelen Wandungen (35, 36) umgreifen.
15. Kurbelwellenlager nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerbohrung (24) mit einer U-förmigen Ausnehmung (40) zur Aufnahme des Komparatorgliedes (26) aufweist.
16. Kurbelwellenlager nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Lagerschale (27) zugekehrte Anlagefläche (41) des Kompensatorgliedes (26) über die Lagerbohrung (24) übersteht.
17. Kurbelwellenlager nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Lagerbohrung (24) und Kompensatorglied (26) ein Stützteil (42) vorgesehen ist.
18. Kurbelwellenlager nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützteil (42) eine im Querschnitt U-förmige Aufnahme für das Kompensatorglied (26) bildet.
19. Kurbelwellenlager nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompensatorglied (26) stoffschlüssig durch Kleben, Vulkanisieren oder dergleichen mit der Lagerschale (27) verbunden ist.
20. Kurbelwellenlager nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompensatorglied (26) stoffschlüssig durch Kleben, Vulkanisieren oder dergleichen mit der Lagerbohrung (24) verbunden ist.
21. Kurbelwellenlager, bestehend aus einem an einem Zylinderkurbelgehäuse angebrachten Gehäuseabschnitt und einem Lagerdeckel eines Kurbelgehäuseunterteils, die in einer Mittellängsebene des Kurbelzapfens zusammengesetzt durch beiderseits der Kurbelzapfen angeordnete und in Richtung Längsachse zylindrisch ausgerichtete Verschraubungen miteinander verbunden sind, nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (25) aus zwei halbkreisförmigen Schalenhälften (30, 31) besteht, die in die Lagerbohrung (24) eingesetzt sind.
22. Kurbelwellenlager nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (25) für Kurbelwellenlager von Kolbenkompressoren verwendbar ist.
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