DE4013378A1 - Lagerhalbschale - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Lagerhalbschale der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Art, die zur Verwendung in einem Viertakt­ verbrennungsmotor, insbesondere als Pleuellager vorgesehen ist.

Wie dem Fachmann bekannt ist, ist zwischen der Lagerinnenwandung und dem Kurbelzapfen ein Spiel vorgesehen, das einen Schmierölfilm enthält. Nach dem Stand der derzeitigen technologischen Konzepte wird ein angemessenes Lagereinbauspiel zwischen der Welle und dem Lager auf der Grundlage von Überlegungen betreffend die Belastung und die Schmierung im allgemeinen mithilfe vom Computermethoden gewährt. Bei diesen Untersuchungen werden minimale und maximale Werte für diese Spiele durch Schlüsselparameter, wie etwa Lagerbetriebstemperatur, Minimalölfilmdicke und maximaler Ölfilmdruck definiert. Wo das Spiel zwischen Lager und Welle reduziert ist, erfährt der Ölfilm eine große Scherungsbelastung, die zu einer Überhitzung des Lagers führen und darüber hinaus eine Berührung zwischen der Welle im dem Lager infolge des extrem dünnen Ölfilms ermöglichen kann. Unter diesen Bedingungen kann das Lagermaterial infolge Überhitzung und infolge großen Verschleißes beschädigt werden. Umgekehrt erzeugen große Lagerspiele große hydrodynamische Drücke in Verbindung mit einer Reduzierung der Ölfilmdicke, wodurch das Lagermaterial Beschädigungen durch Ermüdung und extremen Verschleiß ausgesetzt ist. Die derzeit eingesetzten numerischen Techniken ermöglichen die Vorhersage von akzeptablen Grenzen für Spiele von Lageranordnungen, auf der Grundlage von Schmieröleigenschaften und der La­ gergeometrie sowie auf der Grundlage der Materialien.

Bei nach modernen Gesichtspunkten entwickelten Hochleistungs-Viertakt- Verbrennungsmotoren sind die Lager, insbesondere die Pleuellager extremen, an die Grenze stoßenden Belastungen und Verschleiß ausgesetzt, die unter Umständen Materialermüdung und Überhitzungsprobleme verursachen. Diese Motoren, bei denen hohe Betriebsgeschwindigkeiten mit der Forderung nach einer möglichst geringen Masse eines jeden Bauteils zusammenstoßen, unterwerfen die Pleustangen hohen Trägheitskräften, wodurch Störungen am Pleuelkof (d. h. an der Bohrung des großen Endes) während des Betriebs hervorgerufen werden.

Infolge der Bauweise der Pleuelstangen und der Art und Weise, in der diese die Kräfte übertragen, liegen die resultierenden Störungen darin, daß während des Ausstoßtaktes und, in geringerem Umfang, während des Kompressionstaktes, der Pleuelkopf dazu neigt, seinen Durchmesser in Richtung der Mittenlinie zwischen dem Pleuelkopf und dem kleinen Pleuelauge zu vergrößern und in einer Richtung senkrecht zu dieser Mittenlinie zu verringern. Während des Arbeitstaktes andererseits neigt der Pleuelkopf zur Vergrößerung des Durchmessers in einer Richtung senkrecht zu der zentralen Verbindungslinie zwischen dem Pleuelkopf und dem (kleineren) Pleuelauge, oder der Durchmesser bleibt möglicherweise unverändert. Die Beträge dieser Durchmesserveränderungen hängen ab von den Trägheitsbelastungen, die auf die Pleuelstangen wirken, sowie von der strukturellen Festigkeit der Pleuelstangen, die sowohl mit der Größe der Masse auch mit der Massenverteilung der Konstruktion zusammenhängt.

Die Spielverringerung in Richtung eines Schließens der Bohrung des Pleuelkopfes führt zu Störungen bei der Bildung eines stabilen Schmierölfilms und folglich zu einer Erhöhung der Betriebstemperatur. Unter diesen Bedingungen kann eine Berührung zwischen dem Lager und dem Zapfen in der Nähe des Punktes unterhalb der Lagertrennlinie stattfinden mit einer nachfolgenden Schädigung des Lagermaterials infolge exzessiver Belastung und Überhitzung. Infolge der Instabilität oder Turbulenz des Ölfilms kann diese Verkleinerung des Bohrungsdurchmessers des Pleuelkopfes dazu führen, daß den Lagergleitflächen Erosionsschäden infolge von Kavitation in dem Ölfilm zugeführt werden.

Bei den zuvor genannten Umständen der Verkleinerung der Bohrung des Pleuelkopfes unter Trägheitskräften muß das Spiel in der Richtung der Verkleinerung größer angesetzt werden, um auf diese Weise einen stabilen Schmierölfilm zu erhalten und die Erzeugung von Hitze oberhalb eines zuvor bestimmten Niveaus zu vermeiden. Die Maßnahme der Vergrößerung des diametralen Spiels unter Verwendung eines Paares von herkömmlichen Lagerhalbschalen kann wiederum zu Problem bei der an der Zapfenhälfte anliegenden Lagerfläche während des Arbeitstaktes führen, wenngleich durch diese Maßnahme Probleme gelöst sind, die aus der Verkleinerung der großen Pleuelbohrung infolge von Trägheitslasten resultieren. Eine zu starke Ver­ größerung des Arbeitsspiels kann zu einer im hohen Maße schädlichen Vergrößerung des hydrodynamischen Drucks in dem Schmierölfilm führen, in Verbindung mit einer ebenfalls schädlichen Verringerung der Mindestölfilmdicke. Diese beiden Bedingungen können zu großem Verschleiß oder Ermüdungsschäden des Lagermaterials führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lagerhalbschale der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die genannten Nachteile vermieden sind, und bei der auch unter starker periodischer Deformationsbelastung möglichst optimale Schmierbedingungen vorliegen, so daß sich das Lager durch große Widerstandsfähigkeit gegen Beschädigungen und Abnützung auszeichnet.

Die Lösung der Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegegen.

Das erfindungsgemäße Lager weist Entlastungsabschnitte in Form von Vertiefungen, Aussparungen oder Exzentrizitäten in der Innengleitfläche auf. Die Dicke der Lagerschale ist im Bereich der Entlastungsabschnitte verringert gegenüber der Dicke im zentralen Bereich der Lagerhalbschale.

Das Lager gemäß der Erfindung ist im Querschnitt in der Zeich­ nung dargestellt.

Wie in der Zeichnung gezeigt, weist die Lagerhalbschale 10 mit ihrer zen­ tralen Symmetrieebene A zwei entgegengesetzte in Axialrichtung verlaufende Endkanten 11 auf, die auf der Lagertrennebene B liegen. Auf der Innenfläche der Halbschale befindet sich eine Gleitfläche 12.

Gemäß der Erfindung weist die Innengleitfläche 12 der Halbschale einen im wesentlichen konstanten Krümmungsradius auf, ausgehend von der zentralen Symmetrieebene A bis zu den beiden Abschnitten der inneren Fläche 12, die sich zu beiden Seiten der zentralen Symmetrieebene A befinden und sich bis zu einer entsprechenden Radialebene P erstrecken, mit der Lagertrennebene B einen spitzen Winkel α bildet, der vorzugsweise zwischen 5° und 45° liegt.

Ausgehend von jedem der genannten Bereiche und bis zu den entsprechenden Endkanten 11 der Halbschale 10 ist die Innenfläche durch eine Fläche 13 definiert, die allmählich sich von der zentralen Symmetrieebene A im stärkeren Maße entfernt, als die dem Krümmungsradius der Innenfläche 12 entsprechen würde, um eine Exzentrizität ε (oder eine Vertiefung ε) in dem entsprechenden Endteil der Innenfläche 12 zu bilden, wobei der Betrag der Exzentrizität ε zwi­ schen 0,01 bis 0,25 mm liegt.

Neben der Wirkung, daß eine Entlastung des hydrodynamischen Drucks er­ reicht wird, der sich in dem Abschnitt entwickelt, der der höchsten Belastung des Ölfilms zwischen dem Lager und der Welle ausgesetzt ist, wirken diese Ausspa­ rungen der Entlastungsbereiche, d. h. die Bereiche mit verringerter Dicke, als Öltasche, die einen stabilen Ölfilm, frei von jeglicher Turbulenz oder anderen Störungsfaktoren sichert. Dadurch kann das Lager bei geringeren Temperaturen arbeiten, wodurch die Schmierölviskosität und folglich die minimale Ölfilmdicke vergrößert werden, ohne daß der Spitzenölfilmdruck erhöht wird.

Andererseits weist eine Vielzahl von bekannten Lagerhalbschalen in ihrem Zentralbereich ein Loch auf, um ein Durchtreten von Öl zu ermöglichen, das für die Schmierung der Zylinderwandung und des Kolbenbolzens und/oder zur Kühlung des Kolbens vorgesehen ist. Aus diesem Grund wird ein wesentlicher Teil des Schmieröls von diesem Abschnitt des hoch belasteten Lagerteils abgezweigt, wodurch ein Mangel an Öl entsteht, der zu starkem Verschleiß und Ermüdungs­ erscheinungen und einem frühzeitigen Lagerschaden führen kann.

Auch dieses Problem ist durch die Öltaschen beseitigt, die durch die erfin­ dungsgemäße Lagerform geschaffen sind, da der Lagerabschnitt immer mit einem Ölfilm versehen ist, der die erforderliche Dicke zum ordnungsgemäßen Betrieb des Lagers aufweist.

Ein zusätzlicher, durch die Lagerhalbschale gemäß der Erfindung erzielter Vorteil liegt in der Tatsache, daß die Halbschale in Pleuelstangen installiert werden kann, bei denen die Lage der Halbschale im Lagergehäuse nicht präzise ist, ohne daß die Schmierbedingungen gefährdet werden.

Claims (3)

1. Lagerhalbschale für Pleuelstangen von Innenverbrennungsmotoren mit einer Mittensymmetrieebene (A), zwei diametral entgegengesetzten Endkanten (11), die auf einer Lagertrennebene (B) liegen, und mit einer Innengleitläche (12), dadurch gekennzeichnet, daß die Innengleitfläche (12) einen im wesentlichen konstanten Krümmungsradius ausgehend von der Mitten­ symmetrieebene (A) bis in zwei Bereiche der Innengleitfläche aufweist, die zu beiden Seiten der Mittensymmetrieebene (A) und auf einer Radialebene (P) liegen, die einen Winkel ( α ) mit der Lagertrennebene (B) bildet, daß die Innengleitfläche (12) zwischen den beiden genannten Bereichen und der Endkante (11), jeweils auf einer Seite der Mittensymmetrieebene (A), durch eine Fläche (13) begrenzt ist, die sich allmählich von der Mittensymmetrieebene (A) in stärkerer Weise entfernt, als dem Krümmungsradius der Innengleitfläche (12) entspricht, wodurch eine Exzentrizität ( ε ) an dem jeweiligen Endabschnitt der Innengleitfläche (12) definiert ist.

2. Lagerhalbschale nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Radialebene (P) mit der Lagertrennebene (B) einen Winkel von 5° bis 45° bildet.

3. Lagerhalbschale nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Exzentrizitäten ( ε ) im Bereich von 0,01 bis 0,25 mm liegen.