-
Die
vorliegende Erfindung betrifft Radiallager bzw. Quergleitlager,
und insbesondere, wenn auch nicht ausschließlich, Motor-Kurbelwellenlager.
-
In
ihrem weitesten Sinn werden die charakteristischen Eigenschaften
und Dimensionen eines Motors allgemein durch den Entwickler des
Motors bestimmt. Beispielsweise kann ein Vierzylindermotor eine
für ihn bestimmten
Kurbelwelle mit entweder drei oder fünf Hauptlagern haben, obwohl
heutzutage nahezu sicher eine Kurbelwelle mit fünf Lagern verwendet werden
würde.
Jeder Motorzylinder wird eine Pleuelstange haben, die allgemein
mit einem Lager versehen sein wird, das zwei Halbschalen aufweist.
Die maximale axiale Länge des
Lagers wird durch die Pleuelstangendicke (axiale Länge) bestimmt
werden, welche selbst durch den Raum bestimmt werden wird, der zwischen
den Kurbelwangen verfügbar
ist, die die Pleuelfußlagerzapfen
mit ihren benachbarten Hauptlager-Wellenzapfen verbinden. Lager
nach dem Stand der Technik haben nahezu immer virtuell die Gesamtheit
der möglichen
verfügbaren
Länge für das Vorsehen
des maximal möglichen
Lagerbereichs innerhalb der Grenzen von dem verwendet, was verfügbar ist.
In einigen Fällen
kann ein Lagerbereich durch das Vorsehen von Ölzufuhr- und -verteilungsnuten und ähnlichem
reduziert werden.
-
Einige
Konstruktionen von so genannten Hauptlagern mit Flansch mit integrierten
Druckscheiben zum Steuern eines Kurbelwellen-Axialspiels haben notwendigerweise
nicht die gesamte verfügbare
axiale Länge als
Lagerbereich verwendet, da etwas an verfügbarer Länge geopfert werden musste,
um Anbringeinrichtungen von separaten Flanschelementen zuzulassen,
um eine Verschmutzung der Kurbelwelle im Bereich einer Flanschanbringung
zu vermeiden. Beispiele für
solche Lager, die in diese Kategorie fallen, können in US-A-4 989 998 und
US-A-5 267 797 gefunden werden.
-
US-A-4
640 630 betrifft ein spezielles Lager für einen Turboladerrotor. Das
beschriebene Lager ist ein schwimmendes, allgemein zylindrisches
Lager vom Buchsentyp, das sich sowohl relativ zu seinem Gehäuse als
auch relativ zur Turboladerwelle dreht, die es somit stützt, und
das Lager ist nicht in seinem Gehäuse fixiert. Weiterhin hat
das Lager einen reduzierten Lagerbereich in der Bohrung, aber dies
dient zum Steuern der radialen Festigkeit des Lagers, welches wiederum
zum Steuern von Vibrationen bzw. Schwingungen verwendet wird, die
einen schädlichen
Effekt bezüglich
der Leistungsfähigkeit
bei Anwendungen sehr hoher Drehzahl haben können, wie beispielsweise bei
Turboladern. Über
ein Angeben eines optimalen Bereichs für das Verhältnis einer Außenseitendurchmesserlänge zu einer
Innenseitendurchmesserlänge
hinausgehende weitere Information ist nicht angegeben.
-
Der
Grund für
ein Maximieren des Lagerbereichs besteht darin, während eines
Betriebs des Motors eine spezifische Last in Bezug auf das Lager
bereitzustellen, die so niedrig wie möglich ist. Ein Minimieren der spezifischen
Last wird allgemein derart angesehen, dass es andere folgliche Lagervorteile
zur Verfügung
stellt, wie beispielsweise ein Erniedrigen einer Ölbetriebstemperatur
für irgendeine
gegebene Motorgeschwindigkeit und eine minimale Lagerabnutzung.
-
Es
wird darauf hingewiesen, dass es bei Lagern nach dem Stand der Technik
die gewöhnlichen
Lagermerkmale gibt, wie beispielsweise Hohlrinnen mit konvexer Krümmung, wenn
sie im Schnitt angeschaut werden, an der Lagerlegierung an den Lagerendflächen, die
dazu neigen, einen Lagerbereich um ein geringes Ausmaß zu reduzieren.
Jedoch besteht die universell akzeptierte Philosophie für die Entwicklung
von Lagern allgemein darin, einen Lagerbereich zu maximieren, und
zwar insbesondere bei modernen, hochgeschätzten hochdrehenden Motoren.
-
Somit
wäre es
angesichts des Obigen überraschend,
wenn ein Lager, das für
einen bekannten Motor produziert ist und das einen signifikant reduzierten
Lagerbereich im Vergleich mit demjenigen Bereich bei dem "standardmäßigen" Motorlager hat,
eine Lagerbetriebstemperatur erzeugen würde, die niedriger als beim
standardmäßigen Lager
ist.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist ein Radiallager zur Verfügung gestellt, das durch den
Anspruch 1 definiert ist.
-
Das
Radiallager kann ein separates Lager sein, das im Einsatz in einem
zugehörigen
Lagergehäuse eingefügt ist,
wobei die Lagerrückseite
in Kontakt mit dem Gehäuse
ist und sich im Wesentlichen zusammen mit dem Gehäuse in der
axialen Richtung ausdehnen kann.
-
Das
Radiallager kann im Einsatz in einem zugehörigen Gehäuse fixiert sein, d. h. das
Lager und das Gehäuse
behalten eine feste Beziehung bei und drehen sich relativ zueinander
nicht.
-
Das
Radiallager kann wenigstens ein starkes Stützmaterial mit einem Lagerlegierungsbelag
darauf aufweisen.
-
Das
Relief bzw. die Entlastung bei Lagern gemäß der vorliegenden Erfindung
kann diesbezüglich
unterschiedlich von normalen Hohlrinnen sein, die häufig an
Lagerenden gefunden werden, dass bekannte Hohlrinnen ein konvexes
Profil im Querschnitt haben, oder eine gerade Linie, die sich direkt
von der Lagerlauffläche zum äußeren Rand
der axialen Lagerendfläche
erstreckt. Das Relief von Lagern gemäß der vorliegenden Erfindung
kann als Nut bzw. Vertiefung oder Ausfalzung angesehen werden, die
sich entweder zum axialen Ende der Lagerendfläche ausdehnt oder eng benachbart
zur Lagerendfläche
ist.
-
Es
ist herausgefunden worden, dass Lager gemäß der vorliegenden Erfindung
trotz der Reduzierung bezüglich
eines Lageroberflächenbereichs
in niedrigeren Lagerlauftemperaturen resultieren.
-
Wenn
ein Lager in ein Gehäuse
eingebaut wird, und zwar normalerweise ein geteiltes Gehäuse, wobei jede
Gehäusehälfte eine
halbe Lagerschale enthält,
gibt es einen nominalen Freiraum zwischen der montierten Lagerbohrung
und dem zugehörigen
Kurbelwellenzapfen, um welchen das Lager montiert ist. Der Freiraum dient
dazu, das Vorsehen eines Ölfilms
zuzulassen, um das Lager und den Wellenzapfen beim Betrieb zu stützen. In
einem Motor ist ein Hauptlager in dem Kurbelgehäuse stationär und wird der sich drehende
Kurbelwellenzapfen auf einem Ölfilm
gestützt,
während
ein Pleuelfußlager
durch den Motorkolben angetrieben wird und durch den Wellenzapfen
auf einem dazwischen liegenden Ölfilm
gestützt
wird. Der Freiraum lässt
ein Beibehalten des Ölfilms
unter Bedingungen zu, bei welchen eine Ablenkung des Lagers in seinem
Gehäuse
auftreten kann, und lässt
auch Effekte einer thermischen Expansion beim Betrieb zu.
-
In
Bezug auf einen Faktor für
den nominalen gesamten Freiraum zwischen der Lagerbohrung und dem zugehörigen Wellenzapfen
ist es herausgefunden worden, dass der radiale Freiraum zwischen
einem Faktor von x2 bis zu etwa x15 von dem nominalen gesamten Freiraum
sein kann, der auf dem Durchmesser der Lagerbohrung und dem Durchmesser
des Wellenzapfens basiert. Wenn beispielsweise der nominale Freiraum zwischen
einem Lager und einer Welle 0,04 mm ist, dann kann der radiale Freiraum
in dem entlasteten Teil bzw. Reliefteil im Bereich von etwa 0,08
bis 0,60 mm liegen.
-
Die
axiale Länge
des entlasteten Teils kann als Anteil der maximalen verfügbaren Lagerlänge angesehen
werden, die ohne die axiale Entlastung verfügbar wäre. Es ist herausgefunden worden,
dass eine axiale Entlastung im Bereich von etwa 5 bis etwa 40% der
verfügbaren
Lagerlänge
vorteilhafte Effekte hervorruft. Ein bevorzugter Bereich kann von
etwa 10 bis etwa 30% sein.
-
Die
entlasteten Teile sind im Wesentlichen symmetrisch um die Lagerlänge angeordnet.
Als Beispiel ist dann, wenn die gesamte axiale Entlastung 6 mm ist,
dies vorzugsweise als zwei entlastete Teile vorgesehen, die jeweils
eine axiale Länge
von 3 mm haben.
-
In
einigen Fällen
ist es möglich,
dass die Entlastung innerhalb des normalen Lagerbereichs vorgesehen
sein kann. Jedoch soll verstanden werden, dass eine Entlastung gemäß dem Lager
der vorliegenden Erfindung nicht durch umfangsmäßige Ölzufuhrnuten bzw. -vertiefungen
nach dem Stand der Technik gebildet ist. In der Tat sind die entlasteten
Teile des Lagerbereichs der vorliegenden Erfindung allgemein in
Bereichen vorgesehen, in welche Öl
von einer entfernten Ölquelle
fließt,
was gegensätzlich
dazu ist, dass es Merkmale gibt, bei welchen Öl beispielsweise direkt über eine
Kurbelwellen-Ölversorgungsbohrung
zugeführt
wird. Somit können
die entlasteten Teile des Lagers der vorliegenden Erfindung Öl von einer Ölversorgungsvertiefung
aufnehmen, die im Fall von beispielsweise einem Motor-Hauptlager
selbst Öl
von beispielsweise einer Kurbelwellen-Ölversorgungsbohrung über einen
dazwischen liegenden Teil der nicht entlasteten Lageroberfläche aufnimmt.
Ein Pleuellager kann andererseits mit Öl von einem Ölversorgungsloch
in dem zugehörigen
Wellenzapfen versorgt werden, wobei das Ölloch allgemein etwa in der
Mitte zwischen den axialen Enden des Lagers angeordnet ist, so dass
die Ölversorgung
in Richtung zu den entlasteten Teilen axial nach außen erfolgt.
-
Die
entlasteten Teile sind in beiden Hälften eines Lagerpaars vorgesehen
und sind umfangsmäßig fortlaufend,
d. h. dass die entlasteten Teile umfangsmäßig in beiden Hälften ausgerichtet
sind. Es wird geglaubt, dass es keine "Stufe" oder keinen Mangel an Kontinuität des entlasteten
Teils bei der Lagerverbindungsfläche geben
sollte, was die Ölpfützen oder
-strudel stören
würde,
die bei den Lagerbereichen erzeugt werden, die die entlasteten Teile
enthalten. Somit sollten sich die entlasteten Teile in einer Lagerhälfte mit
den entlasteten Teilen in der benachbarten Lagerhälfte glatt
vermischen.
-
Die
Entlastungen von Lagern gemäß der vorliegenden
Erfindung sollten frei von Hindernissen gegenüber einem Ölfluss sein.
-
Obwohl
die entlasteten Teile oben in Bezug auf Lager mit getrennten Lagerhälftenschalen
diskutiert worden sind, ist die vorliegende Erfindung auch auf ein
beispielsweise in einer Pleuelstange ausgebildetes Lager anwendbar,
welches in seiner Bohrung direkt mit einer Lagerlegierung überzogen
worden ist, wie beispielsweise durch ein Sprühen eines Oxy-Brennstoffs mit
hoher Geschwindigkeit. Die vorliegende Erfindung würde gelten,
wenn eine axiale und eine radiale Entlastung angewendet würden, so
dass nicht das gesamte der verfügbaren
Lagerlänge
mit der Lagerlegierung überzogen
wäre, um
das auszubilden, was sonst eine "normale" Lageroberfläche mit
einem vorbestimmten Freiraum über
ihrer gesamten axialen Länge
sein würde.
-
Gleichermaßen gilt
die vorliegende Erfindung auch bei im Wesentlichen zylindrischen
Buchsenlagern, wo kreisförmige
entlastete Teile in der Lagerbohrung vorgesehen sein können.
-
Die
vorliegende Erfindung enthält
auch Lager, die beispielsweise direkt in einer Aluminiumlegierungs-Pleuel
ausgebildet sind. Viele kleine Motoren mit niedriger Drehzahl und
niedriger Leistung, wie beispielsweise Einzylindermotoren, die beispielsweise
bei Rasenmähern
und anderem Gartenbaugerät
verwendet werden, verwenden direkt bearbeitetes Pleuelmaterial als
das Lager per se.
-
Lager
gemäß der vorliegenden
Erfindung können
den Beginn eines so genannten Aufsetzen des Lagers unter Bedingungen
hoher Leistung und hoher Geschwindigkeit aufgrund der erhöhten Ölviskosität, die von
der reduzierten Öltemperatur
bei einer gegebenen Motorgeschwindigkeit stammt, verzögern.
-
Es
wird geglaubt, dass die reduzierten Lagerbetriebstemperaturen, die
durch Lager gemäß der vorliegenden
Erfindung gezeigt sind, aufgrund von einer oder beeinflusst durch
eine Turbulenz oder von Ölstrudeln sein
können,
die in den entlasteten Teilen ausgebildet werden und die eine Wärmeübertragung
vom Lager zum Öl,
das aus dem Lager fließt,
unterstützen.
-
Die
entlasteten Teile können
mit Eigenschaften versehen sein, die bei der Ausbildung und/oder
Zurückhaltung
von Ölstrudeln
helfen, um einen Neueintritt von Öl in das Lager zu veranlassen.
Solche Merkmale können
beispielsweise Lippen bzw. Ränder
aufweisen, die in dem oder benachbart zu dem entlasteten Teil ausgebildet
sind.
-
Es
wird weiterhin geglaubt, dass ein reduzierter Leistungsverlust ein
induzierter sekundärer
Verlust sein kann, der zu einer Reduktion bezüglich einer Lagerbetriebstemperatur
oder einem reduzierten Lagertemperaturanstieg führt.
-
Lager
gemäß der vorliegenden
Erfindung können
Pleuelfußlager
oder Pleuel-Hauptlager
oder irgendeinen anderen Typ von Lager und insbesondere dynamisch belastete
Lager aufweisen. Jedoch können Lager
gemäß der vorliegenden
Erfindung einen Einsatz bei Anwendungen finden, die andere als Verbrennungsmotoren
sind, und Beispiele für
einen solchen Einsatz können
enthalten, sind aber nicht darauf beschränkt: Kompressoren, Hydraulikgetriebepumpen,
Propellerwellenlager für
Schiffe und Boote und irgendwelche anderen Lager, die statisch oder
dynamisch belastet werden.
-
Damit
die vorliegende Erfindung vollständiger
verstanden werden kann, werden nun Beispiele anhand nur einer Illustration
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben werden, von welchen:
-
1 eine
perspektivische Ansicht eines halben Lagers gemäß dem Stand der Technik zeigt;
-
2 einen
Querschnitt durch einen Teil eines schematischen Ausführungsbeispiels
eines Lagers gemäß der vorliegenden
Erfindung und eines zugehörigen
Lagergehäuses
und eines Kurbelwellenzapfens zeigt;
-
3 eine
Vergrößerung des
Details "A" der 2 zeigt;
-
4 einen
Teil-Querschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Lagers
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
-
5 einen
Teil-Querschnitt eines dritten Ausführungsbeispiels eines Lagers
gemäß der vorliegenden Erfindung
zeigt;
-
6 einen
Teil-Querschnitt eines vierten Ausführungsbeispiels eines Lagers
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
-
7 einen
Teil-Querschnitt eines fünften
Ausführungsbeispiels
eines Lagers gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
-
8 einen
Teil-Querschnitt eines sechsten Ausführungsbeispiels eines Lagers
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
-
9 einen
Teil-Querschnitt eines siebten Ausführungsbeispiels eines Lagers
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
-
10 eine
Kurve eines Lagertemperaturanstiegs über einer Motorgeschwindigkeit
für Lager
gemäß der vorliegenden
Erfindung mit entlasteten Teilen mit einem Bereich von Dimensionen
im Vergleich mit einem "standardmäßigen" Lager zeigt;
-
11 eine ähnliche
Kurve zu derjenigen zeigt, die in 10 gezeigt
ist, aber bei unterschiedlichen Testbedingungen;
-
12 eine
Kurve ähnlich
der 10 zeigt, aber mit Lagern gemäß der vorliegenden Erfindung
mit unterschiedlichen dimensionsmäßigen Parametern; und
-
13 eine
Kurve ähnlich
derjenigen zeigt, die in 12 gezeigt
ist, aber bei unterschiedlichen Testbedingungen.
-
Nun
wird auf die 1 bis 9 Bezug
genommen, wobei dieselben Merkmale mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet
sind. Es ist zu beachten, dass die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele
im Wesentlichen schematisch und nicht maßstabsgerecht sind.
-
Ein
Halblager nach dem Stand der Technik für einen Verbrennungsmotor ist
in 1 allgemein mit 10 indiziert, das Lager 10 weist
eine starke Verstärkung 12 aus
einem Material wie beispielsweise Stahl auf, und einen Lagerlegierungsbelag 14,
der an die Verstärkung 12 bondiert
bzw. mit dieser verbunden ist, wobei der Belag im Einsatz mit einem
Wellenzapfen (nicht gezeigt) zusammenarbeitet. Die starke Verstärkung 12 kann irgendeine
Dicke von etwa 0,25 mm oder darüber
haben. Die Lagerlegierungsbelagsschicht 14 kann bezüglich der
Dicke zwischen etwa 0,25 mm und 1,5 mm sein und ist häufig aus
einer Aluminiumlegierung oder einer Kupferlegierung hergestellt.
Das Lager 10 kann oder kann nicht mit einer so genannten Überlagerungsschicht aus
einer Legierung versehen sein, die weicher als die Legierung 14 ist.
Solche Überlagerungsschichten
sind normalerweise im Bereich von etwa 15 bis 50 μm bezüglich der
Dicke, wenn sie vorhanden sind. Die Lagerlegierung 14 erstreckt
sich bei dem gezeigten Beispiel im Wesentlichen über den gesamten Bereich des
Lagers, d. h. es gibt keine Bereiche, wo die Lagerlegierung weggeschnitten
oder entfernt ist, anders als bei einer Kerbe oder bei einem Einschnitt 16,
die bzw. der für
eine axiale Ausrichtung in einer zugehörigen Pleuelstange vorgesehen
ist.
-
Die 2 und 3 zeigen
ein Lager 20, das bezüglich
einer allgemeinen Konstruktion gleich demjenigen des Lagers 10 der 1 ist,
eingebaut in einer Pleuelstange 22 eines Motors. Das Lager
weist eine Stahlverstärkung 26 mit
einem Belag aus einer Lagerlegierung 28 darauf auf. Nur
ein Teil der unteren Kappenhälfte 24 der
Stange bzw. Pleuelstange 22 ist zusammen mit einem Teil
des unteren halben Lagers 20 gezeigt. Wenn die Pleuelstange
mit zwei halben Lagern 20 zusammengebaut wird, umgibt sie
einen Kurbelwellenfußzapfen 30,
welcher zwischen zwei Kurbelwellenwangen 32, 34 gestützt wird.
Die gesamte axiale Länge
des Lagers 20 ist in 1 als "L" indiziert. Wenn die Pleuelstange 22 und
das Lager 20 um den Zapfen 30 zusammengebaut sind,
gibt es einen durch "d" indizierten Freiraum
zwischen der Zapfenoberfläche 40 und
der Lageroberfläche 42,
wobei der Freiraum "d" als die Differenz
zwischen einem Durchmesser der Bohrung des Lagers, das durch die
Halbschalen 20 gebildet ist, wenn es in der Pleuelstange 22 montiert
ist, und dem Durchmesser des Wellengelenks 30 definiert
ist. Die Lagerachse ist bei 44 gezeigt.
-
Die
Lager 20 gemäß der vorliegenden
Erfindung, wie sie in den 2 und 3 gezeigt
sind, sind in der Bohrung an ihren axialen Enden durch das Vorsehen
von umfangsmäßigen Ausschnitten 50, 52 bzw.
Vertiefungen 50, 52 entlastet, die eine Dimension "D" in der radialen Richtung und eine Länge "l" in der axialen Richtung haben. Die
vergrößerte Zeichnung
eines Details "A", das in 3 gezeigt
ist, zeigt auch eine Spannungsentlastungsnut 46 an, die
am axialen Ende des Wellenzapfens 30 gebildet ist, und
eine Hohlrinne 48, die am Ende der Lageraufnahmebohrung
der Pleuelstange 24 gebildet ist.
-
Der
Wellenzapfen 30 hat ein Ölversorgungsloch 36,
das in dem Fall der nachfolgend detailliert beschriebenen Tests
unabhängig
und unter gesteuerten Bedingungen mit Öl versorgt wird, wie es nachfolgend beschrieben
ist. In einem normalen Einsatz hat derselbe Motor, der an einem
Fahrzeug angebracht ist, Öl,
das über
eine Bohrung in der Kurbelwelle von einem benachbarten Hauptlager
zu dem Ölloch 36 zugeführt wird. Jedoch
haben der Testmotor und der Motor für einen normalen Straßeneinsatz
beide die Tatsache gemeinsam, dass Öl zu dem Lager bei einer Position
(dem Ölloch 30)
so zugeführt
wird, dass es in Richtung zu den entlasteten Teilen (wie sie durch
die Pfeile 38 angezeigt sind) nach außen fließt, um aus dem Lager an seinen
beiden axialen Enden auszutreten, um in die Motorölwanne zu
fallen. Somit wird dort, wo es zwei entlastete Teile gibt, und zwar
jeweils einen benachbart zum axialen Ende des Lagers, das Öl zwischen
den entlasteten Teilen zugeführt,
Um durch die entlasteten Teile und aus dem Lager an den axialen
Enden zu fließen.
Diese letztere Betrachtung der relativen Dispositionen eines Ölzufuhrlochs
und der entlasteten Teile gilt für
alle der nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele.
-
In
den 2 und 3 ist die Tiefe "D" konstant, jedoch muss dies nicht notwendigerweise
der Fall sein, da die Tiefe "D" entlang der axialen
Länge "l" variieren kann, wie es nachfolgend
weiter beschrieben werden wird.
-
4 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel,
wobei der entlastete Teil 52 eine Lippe bzw. einen Rand 60 hat,
die bzw. der in axialer Richtung nach außen davon liegt. Die gesamte
Wanddicke des Lagers ist als "T" definiert, und die
Dicke der Wand bei der Position der Lippe 60 ist als "t" definiert, wobei t < oder = T gilt; aber t > (T – D) gilt.
Die axiale Länge
der Lippe 60 ist als "m" definiert und kann
gemäß den tatsächlichen
Dimensionen des Lagers und der Freiräume und mit der tatsächlichen
Motoranwendung variieren.
-
5 zeigt
ein Lager mit einem entlasteten Teil einer nicht einheitlichen Tiefe.
Der entlastete Teil neigt sich unter einem konstanten Winkel in
Richtung nach unten zum axialen Ende des Lagers. Die Tiefe "D" kann als die durchschnittliche Tiefe
von einem Ende des entlasteten Teils zum anderen definiert sein.
-
6 zeigt
einen entlasteten Teil mit einer umgekehrten Neigung zu derjenigen,
die in 5 gezeigt ist. Wiederum kann die Tiefe "D" als die durchschnittliche Tiefe der
Vertiefung von einem zum anderen Ende definiert sein.
-
7 zeigt
ein Lager, wobei die Vertiefung 52 einen gekrümmten Boden 70 hat.
Die Wanddicke "t" am äußeren axialen
Ende des Lagers kann gleich oder kleiner als "T" sein.
Die Tiefe "D" dieser Vertiefung
kann als diejenige bei der maximalen Tiefe des gekrümmten Bodens 70 definiert
sein.
-
8 zeigt
ein Lager mit einem gestuften entlasteten Teil 72. Das
gezeigte Beispiel hat drei Stufen, jedoch kann es mehr oder weniger
geben.
-
9 zeigt
ein Ausführungsbeispiel,
wobei zwei entlastete Teile 50, 52 von den Lagerenden 80, 82 aus
in axialer Richtung nach unten ausgebildet sind. Die Lageroberflächenteile 84, 86,
die von den Vertiefungen aus in axialer Richtung nach außen sind,
sind nicht bei einer Wanddicke entlastet und haben eine Dicke "T", wie es oben definiert ist.
-
Es
wurden Tests mit gemäß den 2 und 3 hergestellten
Lagern durchgeführt,
und zwar mit verschiedenen Dimensionen von "D" und "l" bei einem 2-Liter-Motor mit 4 Zylindern,
in-line, 16 Ventilen, und einer Doppelzusatznockenwelle (DOHC =
double overhead camshaft) mit einer maximalen Leistung von 100 kW
bei 6000 U/min und einem maximalen Drehmoment von 180 nm bei 4000
U/min. Motortests wurden unter den Bedingungen durchgeführt, die
in der nachfolgenden Tabelle aufgezeigt sind.
-
-
Um
die Tests so repräsentativ
wie möglich
für die
wahren Effekte der entlasteten Teile in Lagern gemäß der vorliegenden
Erfindung zu machen, wurde der Motor so modifiziert, dass Öl unter
gesteuerten bzw. geregelten Bedingungen einer Durchflussrate, einer
Temperatur und eines Drucks direkt zu dem Fußlager zugeführt werden
konnte. Beim nicht modifizierten Motor wird Öl über Ölbohrungen in den Kurbelwellenwangen
und einen Zapfen von den Hauptlagerzapfen, die wiederum mit Öl unter
Druck von der integrierten Motorölpumpe über eine
Galerie in dem Zylinderblock versorgt werden, zum Fußlager normal
zugeführt.
Jedoch ist es aufgrund der Lager der vorliegenden Erfindung beim
nicht modifizierten Motor nicht möglich, die Zufuhr von Öl zu den
Fußlagern
zu steuern bzw. zu regeln oder die Änderung bezüglich Betriebsparametern genau
zu überwachen.
Beispielsweise hat, wenn die Motorgeschwindigkeit ansteigt, das
Hauptlager einen großen
Einfluss auf den Druck von und die Menge an Öl, das den Fuß stromab
davon erreicht, so dass die Ölzufuhr
in dem Fußlager
bei hohen Motorgeschwindigkeiten ein Absterben verursachen kann.
Beim modifizierten Testmotor ist es nicht nur möglich, die eingegebenen Ölparameter
genau zu regeln, wie es oben beschrieben ist, sondern auch die Änderung
bezüglich
der Lagertemperatur genau zu überwachen. Öl wird in
den modifizierten Motor über eine
Bohrung in der Nase der Kurbelwelle eingeführt, um eine unabhängige Ölzufuhr
zu dem Fußlager
zur Verfügung
zu stellen, wobei die normale Ölzufuhrbohrung
von dem Hauptlagerzapfen zu dem Fuß verstöpselt wird. Die Ölzufuhr
ist mit Messgeräten
für einen
vollständigen
Durchfluss versehen, um einen Öldurchfluss
zu überwachen,
und das Lager 20, das mit Öl versorgt wird, ist auch mit
Thermokopplern versehen, um eine Änderung bezüglich einer Lagertemperatur
zu überwachen,
wobei die Thermokoppler (nicht gezeigt) etwa 0,3 mm von der tatsächlichen
Lageroberfläche
positioniert sind. Somit ist es eher die Änderung einer Lagertemperatur,
die aufgezeichnet wird, als eine Änderung der Öltemperatur.
Vollständige
Details der Modifikationen an dem Testmotor können im folgenden Dokument
gefunden werden: "Measured
crankshaft bearing oil flow and temperatures with a full and partial
grooved main bearing",
von Mian, A. O; Parker, D. D.; Williams, B; SAE paper OOP-456, März 2000.
-
Nimmt
man Bezug auf 10, zeigt diese die Ergebnisse
von Tests, die durchgeführt
wurden, wobei die Temperatur der eingegebenen Ölzufuhr bei 2 bar 100°C ist. Die Änderung
bezüglich
einer Lagertemperatur wird bei einem Bereich von Motorgeschwindigkeiten
von 3000 U/min bis 6500 U/min gemessen. Die Lager waren "Standard" (1), d. h. diejenigen
Lager, mit welchen der Motor normal versehen ist, wenn er in einem
Fahrzeug ist; Lager mit entlasteten Teilen von 2 mm × 0,3 mm
tief (2), d. h. "D" = 0,3 mm und "l" = 1 mm an jedem axialen Ende des Lagers;
4 mm × 0,3
mm tief (3), d. h. "D" = 0,3 mm und "l" = 2 mm an jedem axialen Ende des Lagers;
6 mm × 0,3
mm tief (4), d. h. "D" = 0,3 mm und "l" = 3 mm an jedem axialen Ende des Lagers;
und 6 mm × 0,6
mm tief (5), d. h. "D" = 0,6 mm und "l" = 3 mm an jedem axialen Ende des Lagers.
-
Beim
Testmotor war der radiale Freiraum "d" 0,02
mm, was einen diametralen Freiraum von 0,04 mm ergibt.
-
Es
kann in 10 deutlich gesehen werden,
dass dann, wenn die Dimension "l" an jedem axialen Ende
des Lagers von 1 zu 3 mm größer wird,
der Lagertemperaturanstieg (über
einer Ölzufuhrtemperatur
von 100°C)
damit fortfährt,
abzufallen. Bei einer eingegebenen Öltemperatur von 100°C bei 6000
U/min ist das Lager mit einer Länge "l" von 3 mm an jedem Lagerende und einer
Tiefe "D" von 0,3 mm gemäß der vorliegenden Erfindung
bezüglich
der Temperatur um ungefähr
26°C größer geworden,
wohingegen das standardmäßige Lager
bezüglich
der Temperatur um etwa 40°C
angestiegen ist. Der Effekt eines Erhöhens einer Dimension "l" von 1 mm auf 3 mm an jedem axialen
Ende veranlasst, dass der Lagertemperaturanstieg damit fortfährt, abzufallen.
Der Effekt eines Erhöhens
der Tiefe "D" von 0,3 mm auf 0,6
mm bei einer Dimension "D" von 3 mm an jedem
axialen Ende des Lagers erzeugt eine Reduzierung bezüglich eines
Lagertemperaturanstiegs bis zu 6000 U/min, wonach das standardmäßige Lager
eine niedrigere Erhöhung
bezüglich
eines Lagertemperaturanstiegs erzeugt.
-
11 zeigt
eine ähnliche
Kurve zu derjenigen der 10, außer dass
die Öleingabetemperatur
eher 140°C
als 100°C
ist. Jedoch kann derselbe Trend, wie er in 10 gezeigt
ist, deutlich darin gesehen werden, dass die Tiefe "D" von 0,3 mm und die Dimension "l" von 3 mm an jedem axialen Ende des
Lagers die niedrigste Erhöhung
bezüglich
eines Lagertemperaturanstiegs über
dem Geschwindigkeitsbereich bis etwa 6500 U/min erzeugt, wenn es
eine Konkordanz bzw. Übereinstimmung
eines Temperaturanstiegs gibt, welcher noch etwa 5°C oder darüber weniger
als beim standardmäßigen Lager
ist. Wiederum gibt es denselben Trend eines niedrigen Lagertemperaturanstiegs
mit einem Erhöhender
Dimension "l" bis zu 3 mm an jedem
axialen Ende des Lagers.
-
Die 12 und 13 zeigen
Kurven eines Lagertemperaturanstiegs für standardmäßige Lager (Kurve 1) und für Lager
mit am axialen Ende entlasteten Teilen von "l" =
2 mm und einer Tiefe "D" = 0,1 mm (Kurve 2).
Wie zuvor ist es deutlich, dass die Lager gemäß der vorliegenden Erfindung
eine Reduzierung bezüglich eines
Lagertemperaturanstiegs bei eingegebenen Öltemperaturen von sowohl 100°C (12)
als auch 140°C (13)
zeigen, wobei der Ölzufuhrdruck
in beiden Kurven 2 bar ist.
-
Während Motoren
bis zu hohen Geschwindigkeiten betrieben werden können, wenn
sie beschleunigen, verbringt ein Motor in einem Fahrzeug den größten Teil
seiner Lebensdauer bei einem Betrieb bei viel niedrigeren Geschwindigkeiten,
bei welchen der Effekt der vorliegenden Erfindung vorherrschend
ist. Jedoch werden beispielsweise auf Autobahnen, wo ein stark angetriebenes
Fahrzeug und hohe Motorgeschwindigkeiten allgemein sind, häufig hohe Öltemperaturen
beobachtet, und zwar insbesondere bei der Verwendung von Motorhauben
und Paneelen zum Verbessern der Aerodynamik von Fahrzeugen, die
heutzutage allgemein sind, welche den Fluss von kühlender
Luft über
der Motorölwanne
abhalten. Folglich sind irgendwelche Maßnahmen, die unternommen werden
können,
um Lagertemperaturen zu reduzieren, von Vorteil. Somit ist es zu erwarten,
dass die Lebensdauer von Lagern und der zugehörigen Kurbelwelle aufgrund
eines Erniedrigens von Betriebstemperaturen und folglicher höherer Ölviskosität verlängert werden
kann, wenn Lager gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet werden.
