DE3878103T3

DE3878103T3 - Lager.

Info

Publication number: DE3878103T3
Application number: DE3878103T
Authority: DE
Inventors: Roger Leon Gojon
Original assignee: COUSSINETS STE INDLE
Current assignee: Dana Inc
Priority date: 1987-09-05
Filing date: 1988-08-25
Publication date: 1998-06-10
Anticipated expiration: 2008-08-26
Also published as: EP0307028B2; ES2037817T3; GB2209566B; GB8720915D0; ES2037817T5; GB8820155D0; EP0307028A2; EP0307028B1; DE3878103T2; EP0307028A3; GB2209566A; US4889435A; DE3878103D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Lager und insbesondere Lager für Verbrennungsmotoren.
Lager für Kurbelwellenhauptzapfen und Kurbelzapfen umfassen im allgemeinen zwei Hälften. Jede Hälfte umfaßt gewöhnlich auf dem Stahl aufgebrachtes Lagermaterial, das auch eine dünne Schicht eines zweiten Lagermaterials darauf aufgebracht enthalten kann. Das zweite Material, das oft als Auflage bezeichnet wird, ist gewöhnlich durch Elektroabscheidung gebildet und umfaßt eine weiche Legierung auf Blei- oder Zinnbasis.
Solche Auflagenüberzüge werden gewöhnlich in hochwertigen Motoren verwendet, um die Beständigkeit des Lagers gegen Ermüdung und Festfressen zu verbessern. Sie dienen auch auf einigen darunterliegenden Lagermaterialien, um deren Korrosion zu verhindern.
Aufgrund der hohen Kosten von Lagern, die mit einer Auflage belegt sind, ist ihre Verwendung nur in der Hälfte gerechtfertigt, wo die Belastungen am höchsten sind und somit der Ölfilm am dünnsten ist. Die Belastungen auf der anderen Lagerhälfte sind viel geringer und vor allem auf Trägheitskräfte als auf Verbrennungskräfte zurückzuführen. Solche Belastungen führen weder zu Bedingungen des Festfressen noch zu Schaden durch Ermüdung.
Ein Lager, das zwei unähnliche Hälften aufweist, ist in der französischen Patentbeschreibung Nr. FR-A-2 555 264 und auch in der deutschen Offenlegungsschrift Nr. DE-A-27 23 585 beschrieben. In letzter Publikation beschrieben ist für das Lager eines Kurbelzapfens die obere Hälfte des Lagers, anschließend an den Kurbelzapfen, der größten Belastung unterworfen, während es für einen Hauptzapfen die untere Hälfte des Lagers, anschließend an den Lagerdeckel, ist, die der größten Belastung unterliegt.
Es ist bekannt, eine Silizium-enthaltende Legierung in der Lagerhälfte, welche die geringste Lagerbelastung aushält, und einen herkömmlichen Auflagenüberzug in der Lagerhälfte, welche die größte Belastung aushält, zu verwenden.
Obwohl Auflagenüberzüge das Verhalten des Lagers verbessern, neigen die verwendeten Legierungen, da sie weich sind, zur raschen Abnutzung, wenn sie in Kontakt mit der Kurbelwelle sind. Wenn einmal die Auflage durchgescheuert ist, werden sowohl die Beständigkeit gegen Festfressen als auch möglicherweise gegen Korrosion nachteilig beeinflußt.
Das reine Erhöhen der Dicke der Auflage, um größere Abnutzungskapazität zu liefern, ist begrenzt, da die Ermüdungsfestigkeit durch die größere Dicke vermindert wird.
Die Abnutzung bei einer frisch hergestellten Kurbelwelle wird durch die verhältnismäßig hohe Rauhigkeit des viel härteren Kurbelwellenzapfens auf Eisenbasis hervorgerufen. Die Rauhheit des Kurbelwellenzapfens wird nicht durch Kontakt mit dem Auflagenmaterial vermindert.
Es wurde jedoch festgestellt, daß, wenn einmal die Auflage durchgescheuert ist und der Zapfen mit dem härteren, darunterliegenden Lagermaterial in Kontakt kommt, die Rauhheit der Kurbelwelle rasch vermindert wird.
Es wurde auch beobachtet, daß, wenn solche abgenutzten Lager durch mit einer neuen Auflage belegte Lager ersetzt werden, die Abnutzungsgeschwindigkeit der neuen Lagerauflage sehr stark vermindert ist. Natürlich ist der Auseinanderbau eines Motors und der Ersatz von Lagern unerwünscht und unpraktisch als Mittel, um eine verlängerte Lebensdauer aus einem (dem folgenden) Satz von Lagern zu erhalten.
Diese Wirkung wurde auch beobachtet und studiert, wie dies in einer Veröffentlichung von Fukuoka, Kato und Kamiya berichtet wird, das als Auszug aus der Engine Bearings and Lubrication SP-539, von Society of Automotive Engineers, Februar 1983, mit dem Titel "Aluminium Alloy Bearings Containing Hard Particles Fitted for Use with Nodular Cast Iron Shaft" publiziert wurde.
Diese Publikation beschreibt ein Wellenzapfenlager, bei welchem die Laufoberflächen eine Legierung auf Aluminiumbasis aufweisen, die unter anderem Teilchen von Silizium enthalten, wobei ihr Effekt darin bestehen soll, ein abreibendes Polieren des Wellenzapfens zu bewirken, wonach die Laufoberflächen in herkömmlicher Weise arbeiten und dies scheint eine Verbesserung gegenüber herkömmlichen Laufoberflächen zu bieten, gleichgültig ob sie einen zusätzlichen Auflagenüberzug haben oder nicht.
Dies stimmt überein mit dem beobachteten Merkmal der nachteiligen Wirkung der Rauhheit der Wellenzapfenoberflache. Es gibt jedoch gewisse Bedenken bei den Ingenieuren, um die bekannten und wohlverstandenen Lagertypen mit Auflageschichten zu Gunsten eines neuen Materials aufzugeben.
Erfindungsgemäß wird ein Wellenlager bereitgestellt, umfassend zwei Halblager, die so angeordnet sind, daß sie einen Wellenzapfen umgeben, und wovon jedes unterschiedliche Laufoberflächen hat, wobei ein Halblager in der Lage relativ zur Welle, welche die größte Lagerbelastung aushält, mit einem Auflagenüberzug als Laufoberfläche versehen ist und das andere Halblager in der Lage relativ zur Welle, welche die geringste Belastung aushält, eine Laufoberfläche hat, welche eine Silizium-haltige Legierung aufweist, die dazu geeignet ist, durch die Laufbewegung der Welle relativ dazu, ein Schleifpolieren des Wellenzapfens zu bewirken und die Abnutzungsgeschwindigkeit von Auflagematerial dieses einen Halblagers durch den Wellenzapfen zu vermindern, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufoberfläche des anderen, oder nicht mit einer Auflage versehenen Halblagers in einer Reihe von Spitzen und Taschen in Richtung der Laufbewegung der Welle relativ zu der Laufoberfläche profiliert ist, wobei die Spitzen anfänglich bewirken, daß die Ölfilmdicke des Lagers dort lokal vermindert wird und der Kontakt zwischen der Laufoberfläche der Lagerhälfte und dem Wellenzapfen begünstigt wird und sowohl das Polieren der Welle durch die Laufoberfläche als auch die Erosion der Spitzen der Lagerlaufoberfläche durch die Welle bewirkt wird, um einen Ölfilmspalt zwischen dem Halbiager und dem Wellenzapfen für das anschließende Laufen wiederherzustellen.
Es wurde gefunden, daß Legierungen auf Aluminiumbasis, die Silizium enthalten, besonders vorteilhaft für die Verwendung in der nicht mit einer Auflage überzogenen Hälfte sind. Eine solche Zusammensetzung hat in Gewichtsprozent: 11 Zinn; 4 Silizium; 2 Kupfer; Rest Aluminium.
Obwohl, wie die Autoren der oben erwähnten Publikation der Society of Automotive Engineers gefunden haben, eine herkömmliche kreisförmige Lagerlaufoberfläche einen die Welle polierenden Effekt ergibt, wurde auch gefunden, daß es vorteilhaft ist, die Bohrung der anderen, nicht mit einer Auflage versehenen Hälfte so zu profilieren, daß die hydrodynamische Auftriebskapazität des Halblagers für eine anfängliche Periode vermindert wird, indem seine Laufoberfläche mit kleinen Abweichungen von der Halbkreisförmigkeit als eine Reihe von Spitzen und Taschen in Richtung der Laufbewegung der Welle relativ zur Lageroberfläche versehen wird, wobei die Spitzen anfänglich bewirken, daß die Filmdicke des Lageröls hier rtlich vermindert wird und der Abreibkontakt zwischen der Laufoberfläche der Lagerhälfte und dem Wellenzapfen begünstigt wird und sowohl das Polieren der Welle durch die Laufoberfläche als auch die Erosion der Spitzen der Laufoberfläche des Lagers durch die Welle bewirkt wird, um einen Ölfilmspalt zwischen dem Halblager und dem Lagerzapfen für das anschließende Laufen wieder herzustellen.
Die Taschen und Spitzen können 5 bis 15 mm voneinander angeordnet sein und eine Tiefe von 1 bis 5 Mikrometer Abweichung von einem wahren Zylinder haben. Die Wirkung eines solchen Profils besteht darin, die Ölfilmdicke zu verringern und anfänglich den Kontakt zwischen der Welle und Teilen der Oberfläche der nicht mit einer Auflage plattierten Hälfte zu begünstigen. Nach einer relativ kurzen Zeitspanne des Laufs des Motors werden die Spitzen selbst abgerieben, was eine nahezu perfekte halbzylindrische Form liefert und die Erzielung der maximalen Ölfilmdicke gestattet. Bei diesem Stand ist die Rauhigkeit des Wellenzapfens auf einen niedrigeren, weniger abrasiven Stand poliert. Die Abweichungen von der Halbkreisförmigkeit können viele Formen annehmen, wie Nocken mit abgestuftem oder sinusförmigem Profil beispielsweise.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird nun ein Beispiel, lediglich zur Erläuterung, unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, die einen schematischen Schnitt durch ein Kurbelzapfenlager im Aufriß zeigt.
In der Zeichnung ist das Kurbelzapfenlager allgemein mit 10 bezeichnet. Die Anordnung umfaßt einen Kurbelzapfenteil 11 und eine Kappe 12, eine, obere Lagerhälfte 13 und die andere, untere Lagerhälfte 14. Der Wellenzapfen ist mit 15 gezeigt. Die obere Hälfte 13 umfaßt die Stahlunterlage 16, eine Lagerauskleidung 17, enthaltend eine Kupfer/Blei-Legierung, und einen Auflagenüberzug 18, enthaltend Blei-10 Zinn (alle Zusammensetzungen sind in Gewichtsprozent) mit einer Dicke von etwa 25 Mikrometer. Die untere Hälfte 14 umfaßt ebenso eine Stahlunterlage 20 mit einer Auskleidung aus einer Lagerlegierung 21 mit einer Zusammensetzung Aluminium-11 Zinn-4 Silizium-2 Kupfer. Die Oberfläche der Legierung 21 ist auch in einer Reihe von Taschen und Spitzen 22 profiliert mit einer Wiederholungswellenlänge von etwa 10 mm und einer Tiefe von 2 Mikrometer.
Im Betrieb ist die Wirkung der Taschen und Spitzen 22 die Verminderung der Ölfimdicke auf der Hälfte 14, was den Kontakt zwischen den Spitzen und der Wellenzapfenoberfläche gestattet und somit ihr Polieren beschleunigt. Gleichzeitig werden die Spitzen selbst abgetragen unter Hinterlassung eines glatten Profils auf der Hälfte 14, was somit die gewünschte Ölfilmdicke wieder herstellt und eine lange Betriebsdauer gewährleistet.
Es können viele andere Legierungen für die verschiedenen, oben angegebenen Lagermaterialien verwendet werden und die Erfindung soll nicht auf diese beschränkt sein.

Claims

1. Wellenlager, umfassend zwei Halblager (13, 14), die so angeordnet sind, daß sie einen Wellenzapfen (15) umgeben, und wovon jedes unterschiedliche Laufoberflächen hat, wobei ein Halblager (13) in der Lage relativ zur Welle, welche die größte Lagerbelastung aushält, mit einem Auflagenüber zug (18) als Laufoberfläche versehen ist und das andere Halblager (14) in der Lage relativ zur Welle, welche die geringste Belastung aushält, eine Laufoberfläche (21) hat, welche eine siliziumhaltige Legierung aufweist, die dazu geeignet ist, durch die Laufbewegung der Welle relativ dazu, ein Schleifpolieren des Wellenzapfens zu bewirken und die Abnutzungsgeschwindigkeit von Auflagenmaterial dieses einen Halblagers (13) durch den Wellenzapfen (15) zu vermindern, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufoberfläche (21) des anderen, oder nicht mit einer Auflage versehenen Halblagers in einer Reihe von Spitzen und Taschen (21, 22) in Richtung der Laufbewegung der Welle relativ zu der Laufoberfläche profiliert ist, wobei die Spitzen anfänglich bewirken, daß die Ölfilmdicke des Lagers dort lokal vermindert wird und der Kontakt zwischen der Laufoberfläche der Lagerhälfte und dem Wellenzapfen begünstigt wird und sowohl das Polieren der Welle durch die Laufoberfläche als auch die Erosion der Spitzen der Lagerlaufoberfläche durch die Welle bewirkt wird, um einen Ölfilmspalt zwischen dem Halblager und dem Wellenzapfen für das anschließende Laufen wiederherzustellen.

2. Wellenlager nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung der Laufoberfläche (21) des anderen, oder nicht mit einer Auflage versehenen Halblagers in Gew.-%:- 11 Zinn; 4 Silizium; 2 Kupfer; Rest Aluminium.

3. Wellenlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufoberfläche (21) des anderen, oder nicht mit einer Auflage versehenen Halblagers in Spitzen und Taschen, die durch eine Reihe von Nocken mit gestuftem oder sinusförmigem Profil in Richtung der Laufbewegung der Welle relativ zur Lageroberfläche aufgebaut sind, profiliert ist, wobei die Nocken anfänglich eine lokale Verminderung der Lagerölfilmdicke dort hervorrufen und den Kontakt zwischen der Laufoberfläche der Lagerhälfte und dem Wellenzapfen begünstigen und sowohl das Polieren der Welle durch die Laufoberfläche als auch die Erosion der Nocken der Lagerlauf fläche durch die Welle bewirken, um einen Ölfilmspalt zwischen dem Halblager und dem Wellenzapfen für das anschließende Laufen wiederherzustellen.

4. Wellenlager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wiederholungswellenlänge der Nocken 5 bis 15 mm und die Tiefe der niedrigen Punkte relativ zur Höhe anfänglich 1 bis 5 Mikrometer beträgt.