Lagerschale und Lager

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Lagerschale, insbesondere für Kurbelwellenlager mit Teilflächen, mit einer an der innenliegenden Gleitfläche, sich mindestens teilweise über den Umfang erstreckenden ölnut, und mit mindestens einer in die ölnut mündenden ölbohrung. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Lager mit einer solchen Lagerschale.

Unter einer ölnut wird eine Ausnehmung verstanden, deren Erstreckung in Längsrichtung, d.h. in Umfangsrichtung der Lagerschale größer ist als die Breite der ölnut.

Aus der EP 1 510 709 A2 ist eine Lagerschale mit einer ölnut bekannt, deren erster Nutabschnitt mit konstantem großen Nutquerschnitt geht vor jeder der beiden Teilflächen in zweite Nutabschnitte übergeht, deren Querschnitte sich kontinuierlich in Richtung Teilfläche verringern.

Diese sich kontinuierlich verringernde Querschnittsfläche führt wegen der Rotation des Gegenläufers an der einen Teilfläche zu einem Druckstau, der zu einer verbesserten Zwangsversorgung der Pleuellagerschalen führt, die über Bohrungen in der Kurbelwelle ausgehend von den Hauptlagerzapfen versorgt werden. Diese Seite der Lagerschale wird als überdruckseite bezeichnet.

Darüber hinaus bietet die Reduzierung des ölnutquerschnittes den weiteren Vorteil, dass die ölpumpenleistung verringert werden kann, wodurch auch der Leistungsverlust des Verbrennungsmotors reduziert wird.

Durch die Rotation des Gegenläufers stellt sich aber gleichzeitig an der anderen Teilfläche ein Unterdruck ein, der den Nachteil hat, dass trotz der Querschnittsverringerung auf dieser Seite der Teilfläche ein öldruckverlust hervorgerufen wird. Diese Seite der Lagerschale wird als Unterdruckseite bezeichnet.

Der öldruckverlust auf der Unterdruckseite ist dadurch begründet, dass der anliegende Pumpendruck P _P größer ist als der durch die Rotation des Gegenläufers (Kurbelwelle) erzeugte Unterdruck PRotation (Ppumpe > P _Rota ti _o n)- Der öldruckverlust entsteht dadurch, dass das öl sehr leicht über den Nutquerschnitt und den gegebenenfalls sich zur Teilfläche hin reduzierenden Wanddickenverlauf (Freizieher oder Freilegungsbereich) der Lagerschale seitlich austreten kann.

Dieser Umstand wird auf der überdruckseite (Pp _um pe + PRotation) gezielt in Kauf genommen, weil in der Anwendung dafür gesorgt werden muss, dass im Motor möglicherweise vorhandener Urschmutz über die Teilfläche herausgespült werden kann.

Die JP 8-93769 A beschreibt eine Lagerschale mit einer Nut, die sich nur über einen Teilbereich des Innenumfangs erstreckt. Am Ende der Nut, die beabstandet zu einer Teilfläche endet, ist eine Stufe vorgesehen, gegen die das zugeführte öl strömt und dort einen Staudruck erzeugt. Vor der Stufe ist in der Nut eine Auslassöffnung vorgesehen, durch die das aufgestaute öl abgeführt werden kann. Mittels einer Regeleinrichtung in der Auslassleitung kann der Staudruck eingestellt und auf das Spiel des Gegenläufers mit der Lagerschale abgestimmt werden. Diese Lagerschale bzw. ein daraus gebildetes Lager hat den Nachteil, dass sich der Urschmutz vor dieser Stufe ansammelt und nur bedingt über die Auslassleitung abgeführt werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lagerschale und ein Lager bereitzustellen, bei der/dem der auf der Unterdruckseite entstehende öldruckverlust reduziert ist.

Diese Aufgabe wird mit einer Lagerschale dadurch gelöst, dass die öInut in die zweite Teilfläche mündet und mit ihrem Nutende im Abstand zu der ersten Teilfläche endet.

Die asymmetrische Ausgestaltung der öInut bedingt eine entsprechende Einbaulage dieser Lagerschale bezüglich der Rotationsrichtung des Gegenläufers bzw. bezüglich der Strömungsrichtung des öls. Die Lagerschale ist derart einzubauen, dass das Schmieröl von der ersten Teilfläche zur zweiten Teilfläche strömt. Am Ende des Strömungsweges ist die öInut zur zweiten Teilfläche offen.

Die Querschnittsfläche der öInut kann mindestens über 50 % der gesamten Nutlänge konstant sein.

Vorzugsweise nimmt die Querschnittsfläche der öInut zum zur ersten Teilfläche beabstandeten Nutende kontinuierlich ab. Diese Querschnittsabnahme kann dadurch realisiert werden, dass die Nuttiefe T und/oder die Nutbreite B zum Nutende kontinuierlich abnimmt/abnehmen. Dies bedeutet, dass sich die Nuttiefe T und/oder die Nutbreite B kontinuierlich auf den Wert Null verringert/verringern.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform nimmt die Querschnittsfläche der öInut vom Scheitel der Lagerschale, insbesondere von der zweiten Teilfläche, bis zum Nutende kontinuierlich ab.

Vorzugsweise weist der den Nutgrund der ölnut bildende Kreisbogen einen auf einen Mittelpunkt Mi bezogenen Krümmungsradius Ri und die Gleitfläche einen auf einen Mittelpunkt M bezogenen Krümmungsradius R auf, wobei die Mittelpunkte Mi und M versetzt zueinander angeordnet sind.

Um eine kontinuierliche Querschnittsverringerung der ölnut in Richtung des zur ersten Teilfläche beabstandeten Nutendes zu erreichen, ist es bevorzugt, dass die Mittelpunkte M, Mi auf der Verbindungslinie der Teilflächen versetzt zueinander angeordnet sind. Der Mittelpunkt Mi liegt vorzugsweise zwischen M und der zweiten Teilfläche.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die ölnut einen ersten Abschnitt mit großem Nutquerschnitt und einen zweiten Abschnitt mit kleinem Nutquerschnitt auf, wobei der erste Abschnitt mit großem Nutquerschnitt mit seinem Nutende im Abstand zu der ersten Teilfläche endet und der zweite Abschnitt mit kleinem Nutquerschnitt einerseits in die zweite Teilfläche und andererseits in den ersten Abschnitt mündet.

Die Lagerschale, deren ölnut einen Abschnitt mit geringerem Querschnitt aufweist, ist derart einzubauen, dass der Abschnitt der ölnut, der den geringeren Querschnitt besitzt, am Ende des Strömungsweges des öls angeordnet ist. Dies bedeutet, dass der Abschnitt der ölnut mit geringerem Querschnitt die überdruckseite und der Abschnitt der ölnut mit dem größeren Querschnitt die Unterdruckseite bildet. Der Vorteil dieser Lagerschale besteht darin, dass es auf der Unterdruckseite wegen des im Vergleich zum Stand der Technik größeren Nutquerschnitts zu keinem oder allenfalls deutlich geringeren ölverlust kommt. Die verbesserten öldruckverhältnisse führen auch zu einer verbesserten Versorgung der Pleuellager.

Vorzugsweise nimmt der Querschnitt des ersten Abschnitts mindestens zur zweiten Teilfläche kontinuierlich ab. Der erste Abschnitt besitzt vorzugsweise seinen größten Querschnitt im Scheitel der Lagerschale, wobei der Querschnitt sowohl in Richtung zur ersten als auch zur zweiten Teilfläche hin kontinuierlich abnehmen kann. Um dies zu realisieren, ist es bevorzugt, die Mittelpunkte M, Mi auf der Senkrechten auf dem Scheitel der Lagerschale versetzt anzuordnen, wobei M der Mittelpunkt des Radius R der Gleitfläche und M ₁ der Radius des Nutgrundes des ersten Abschnittes bezeichnet. Der Mittelpunkt Mi liegt zwischen M und dem Scheitel der Lagerschale.

Die Querschnittsveränderungen können dadurch realisiert werden, dass sich die Nutbreite B und/oder die Nuttiefe T verringert.

Vorzugsweise ist die Nuttiefe Ti des ersten Abschnitts, gemessen im Scheitel der Lagerschale, größer als die Nuttiefe T ₂ des zweiten Abschnitts, gemessen an der zweiten Teilfläche. Vorzugsweise gilt T ₂ ≤ 0,5 • Ti, insbesondere T ₂ < 0,1 • T-i.

Die Nuttiefe Ti des ersten Abschnitts, gemessen am Scheitel der Lagerschale, beträgt vorzugsweise 1 ,6 mm bis 2,4 mm, insbesondere 1 ,8 mm bis 2,2 mm.

Die Nuttiefe T ₂ des zweiten Abschnitts, gemessen an der Teilfläche, liegt vorzugsweise im Bereich 0,2 mm bis 1 mm, insbesondere bei 0,4 mm bis 0,8 mm.

Vorzugsweise ist die Nutbreite Bi des ersten Abschnitts am Scheitel größer als die Nutbreite B ₂ des zweiten Abschnitts gemessen an der Teilfläche.

Nutbreite B ₁ Nutbreite B ₂

1 ,5 - 2,0 mm 1 ,0 mm

2,0 - 2,5 mm 1 ,0 - 1 ,5 mm

2,5 - 3,0 mm 1 ,5 - 2,0 mm

3,0 - 4,0 mm 1 ,5 - 2,5 mm

4,0 - 6,0 mm 2,0 - 3,5 mm

Vorzugsweise ist die Nutbreite B ₂ des zweiten Abschnitts um mindestens 0,5 mm geringer als die des ersten Abschnitts.

Unabhängig von Nutbreite und Nuttiefe beträgt das Verhältnis der Nutquerschnittsfläche Fi im ersten Abschnitt zur Nutquerschnittsfläche F ₂ im zweiten Abschnitt vorzugsweise 5 - 30, insbesondere 10 - 20.

Der Nutquerschnitt des ersten Abschnittes und/oder der des zweiten Abschnittes kann/können über die jeweilige Nutlänge konstant sein.

Um sprunghafte Druckänderungen des öls in der ölnut zu verhindern, ist die Nutquerschnittsfläche des ersten Abschnittes im Scheitel der Lagerschale vorzugsweise am größten und verringert sich kontinuierlich zu den Nutenden.

Als besondere Ausführungsform weist der den Nutgrund des ersten Abschnittes bildende Kreisbogen einen Krümmungsradius Ri auf, der kleiner ist als der Krümmungsradius R des die Gleitfläche bildenden Kreisbogens. Die Mittelpunkte der Kreisbögen sind versetzt, wobei der Mittelpunkt des den Nutgrund bildenden Kreisbogen zur Lagerschale hin versetzt angeordnet ist.

Auch der Nutquerschnitt des zweiten Abschnittes kann sich kontinuierlich verändern. Vorzugsweise nimmt der Nutquerschnitt des

zweiten Abschnitts von der zweiten Teilfläche in Richtung zum ersten Abschnitt kontinuierlich ab.

Um den übertritt des öls von erstem zum zweiten Abschnitt zu erleichtern, erstreckt sich der zweite Abschnitt mit kleinem Nutquerschnitt vorzugsweise teilweise in den ersten Abschnitt mit großem Nutquerschnitt. Hierbei erstreckt sich der zweite Abschnitt mit etwa % bis 1/3 seiner Länge in den ersten Abschnitt.

Vorzugsweise erstreckt sich der zweite Abschnitt über einen Winkelbereich α von 5° bis 45°, wobei α von der zweiten Teilfläche an gerechnet wird. Weitere bevorzugte Winkelbereiche sind 5° bis 30° und 5° bis 25°. Je kürzer der Winkelbereich α gewählt wird, desto weiter erstreckt sich der erste Abschnitt in Richtung der zweiten Teilfläche. Dies bedeutet auch, dass der Unterdruckbereich zur zweiten Teilfläche verlagert wird.

Die öInut bzw. der erste Abschnitt endet vorzugsweise in einem Winkelbereich ß von 5° bis 40° vor der ersten Teilfläche. Bevorzugte Werte sind 5° bis 30° und 5° bis 20°.

Vorzugsweise geht am Nutende der Nutgrund der öInut bzw. des ersten Abschnitts der öInut kontinuierlich in die Gleitfläche über. Im Betrieb der Lagerschale strömt das öl weitgehend turbulenzfrei von der Gleitfläche in die öInut ein.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Nutgrund am Nutende über eine Kante in die Gleitfläche übergehen. Wichtig ist, dass am Nutende keine Stufe vorhanden ist, die eventuell einen öldruckabfall in diesem Bereich erzeugen könnte. Dadurch, dass sich die Querschnittsfläche der öInut in Richtung erster Teilfläche kontinuierlich verringert, ist die Kante nur schwach ausgeprägt. Die

Gleitfläche bildet mit dem Nutgrund am Nutende vorzugsweise einen Winkel Y < 200°.

Die Lagerschale kann zusätzlich an den beiden Teilflächen jeweils einen Freilegungsbereich aufweisen. Hierbei ist vorzugsweise darauf zu achten, dass die Freilegungsbereiche jeweils im Abstand vor der ölnut bzw. vor dem ersten Abschnitt enden.

Vorzugsweise gilt für die Radien R, R-i:

R _{1 -} S R.

Vorzugsweise sind die Nutflanken der ölnut bzw. der ersten und zweiten Abschnitte der ölnut schräg angeordnet.

Die erfindungsgemäßen Lagerschalen werden vorzugsweise mit einer Glattschale zur Bildung eines Lagers kombiniert. In einem solchen Lager ist ein rotierender Gegenläufer ölgeschmiert gelagert. Da die erfindungsgemäße Lagerschale nicht symmetrisch aufgebaut ist, ist auf die Einbaulage zu achten. Hierbei wird die erfindungsgemäße Lagerschale derart eingebaut, dass das Schmieröl von der ersten Teilfläche zur zweiten Teilfläche strömt bzw. der zweite Abschnitt in Strömungsrichtung des öls hinter dem ersten Abschnitt angeordnet ist. Dies bedeutet, dass der zweite Abschnitt auf der überdruckseite der Lagerschale angeordnet ist.

Vorzugsweise werden solche Lager als Kurbelwellenhauptlager verwendet. In solchen Kurbelwellenhauptlagern bildet die Glattschale die Unterschale und die erfindungsgemäße Lagerschale die Oberschale.

Die genannten Wertebereiche für die Abmessungen von Nutbreite, Nuttiefe und Nutquerschnittsflächen sowie für die Winkel α und ß gelten vorzugsweise für Lagerschalen mit einem Innendurchmesser von 26 mm bis 150 mm. Bevorzugte Innendurchmesser sind 50 mm bis 100 mm.

Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Figuren 1a,b,c,d Lagerschalen in perspektivischer Darstellung gemäß vier Ausführungsformen,

Figur 2 die beiden Enden der in Figur 1a gezeigten Lagerschale in perspektivischer Darstellung auseinandergebrochen in zwei Teile, zur vollen Einsicht in die beiden Endabschnitte vor den Teilflächen,

Figur 3 einen Schnitt durch die in Figur 2 gezeigte Lagerschale längs der Linie MI-III,

Figur 4 einen Schnitt durch die in Figur 2 gezeigte Lagerschale längs der Linie IV-IV,

Figur 5 eine vergrößerte Darstellung der Einzelheit X in Figur 4 und

Figur 6 ein Lager bestehend aus einer erfindungsgemäßen Lagerschale und einer Glattlagerschale.

In der Figur 1a ist eine Lagerschale 1 perspektivisch dargestellt. Die Strömungsrichtung des Schmieröls bei rotierendem Gegenläufer (in Figur 1a nicht dargestellt; in Figur 6 Bezugszeichen 9) ist durch den Pfeil angedeutet. Die eingebaute Lagerschale bildet somit an der ersten Teilfläche 2 die Unterdruckseite und an der zweiten Teilfläche 3 die überdruckseite.

An der innenliegenden Gleitfläche 4 weist die Lagerschale 1 eine ölnut 10 auf, die sich in einen ersten Abschnitt 11 und einen zweiten Abschnitt 15 unterteilt. Der erste Abschnitt 11 besitzt einen großen Nutquerschnitt und der zweite Querschnitt 15 einen kleinen Nutquerschnitt. Die unterschiedlichen Nutquerschnitte werden im Wesentlichen durch unterschiedliche Nutbreiten Bi und B ₂ realisiert.

In die ölnut 10 münden zwei ölbohrungen 5, durch die das Schmieröl zugeführt wird.

Der zweite Abschnitt 15 erstreckt sich mit etwa ^λ A seiner Länge in den ersten Abschnitt 11.

Die Flanken 11a, 11b und 15a, 15b sind bezüglich des Nutgrundes geneigt angeordnet und bilden mit der Senkrechten auf den Nutgrund einen Winkel zwischen 25° und 35°, vorzugsweise 30°.

Die in Figur 1b gezeigte Lagerschale unterscheidet sich von der in Figur 1a gezeigten Lagerschale lediglich dadurch, dass vor den beiden Teilflächen 2 und 3 jeweils ein Freilegungsbereich 7 und 8 angeordnet ist. Diese Freilegungsbereiche 7 und 8 werden durch eine Wanddicken red uzierung erreicht.

Die Figur 1c beschreibt eine Lagerschale, bei der die ölnut 10 nur einen durchgehenden Abschnitt 11 aufweist, dessen Nutende 12a beabstandet zur ersten Teilfläche 2 ist. Der Abschnitt 11 mündet in die zweite Teilfläche 3. Der Nutquerschnitt ist über die gesamte Länge der ölnut 10 konstant, d. h. Bi = B ₂ und Ti = T ₂ .

In der Figur 1d ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, bei der die ölnut 10 ebenfalls nur aus einem durchgehenden Abschnitt 11 besteht. Der Querschnitt der ölnut 10 nimmt von dem Nutende 12a, das beabstandet zur ersten Teilfläche 2 angeordnet ist, zur zweiten Teilfläche 3 kontinuierlich zu. Die Nutflanken 10a, 10b sind geneigt zum Nutgrund angeordnet. Die Tiefe des Nutgrundes nimmt in Richtung zur Teilfläche 3 kontinuierlich zu. Der Pfeil markiert die Strömungsrichtung des öls.

Am Nutende 12a geht die ölnut 10 in die Gleitfläche 4 über. Aufgrund der unterschiedlichen Krümmungsradien von Gleitfläche und Nutgrund bzw. aufgrund des horizontalen Versatzes der Mittelpunkte der beiden Krümmungsradien entsteht am Nutende 12a eine Kante 12c, die auch abgerundet sein kann, so dass ein kontinuierlicher übergang zwischen dem Nutgrund und der Gleitfläche 4 hergestellt werden kann.

Die Lagerschalen können aus einem Massivwerkstoff bestehen. Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Lagerschale aus einem Schichtverbundwerkstoff herzustellen, so dass die Lagerschale 1 beispielsweise einen Stahlrücken und einen Lagerwerkstoff mit aufgebrachter Gleitschicht aufweisen kann.

In der Figur 2 sind die Endabschnitte der in Figur 1a gezeigten Lagerschale zu sehen. Der erste Abschnitt 11 endet mit dem Nutende 12a im Abstand vor der ersten Teilfläche 2.

Wenn, wie in Figur 1 b dargestellt ist, unterhalb der Teilflächen 2 und 3 der Freilegungsbereich 7 und 8 vorhanden ist, liegen die Enden 12a, 12b des ersten Abschnittes unterhalb und damit außerhalb der Freilegungsbereiche 7 und 8.

In der Figur 3 ist ein Schnitt längs der Linie Ill-Ill durch die in Figur 2 gezeigte Lagerschale dargestellt. Es ist zu sehen, dass der Nutquerschnitt des ersten Abschnittes trapezförmig ausgestaltet ist, wobei sich die Nutbreite gemessen an der Gleitschichtseite zur zweiten Teilfläche 3 hin verjüngt. Der Nutgrund 13 besitzt eine konstante Breite.

Der zweite Abschnitt 15 besitzt ebenfalls einen trapezförmigen Querschnitt, wobei dieser sich in Richtung Teilfläche 3 verbreitert.

In der Figur 4 ist ein Schnitt längs der Linie IV-IV der in Figur 2 gezeigten Lagerschale dargestellt. Der Abstand des Nutendes 12a des ersten Abschnittes 11 von der ersten Teilfläche 2 wird durch den Winkel ß gekennzeichnet. Die Länge des zweiten Abschnittes 15 der ölnut 10 wird durch den Winkel α gekennzeichnet. Beide Winkel haben in der hier gezeigten Ausführungsform den Wert 20°.

Am Nutende 12a bilden die Gleitfläche 4 und der Nutgrund 13 miteinander einen Winkel v < 200°.

Außerdem sind die Krümmungsradien R und Ri eingezeichnet. Der Krümmungsradius R bezieht sich auf den die Gleitfläche 4 bildenden Kreisbogen, während der Krümmungsradius Ri sich auf den den Nutgrund 13 bildenden Kreisbogen des ersten Abschnittes bezeichnet. Es ist deutlich zu sehen, dass im Scheitel 6 die Nuttiefe des ersten Abschnittes am Größten ist und sich kontinuierlich bis zu den Nutenden 12a, 12b verringert. Die Mittelpunkte der Krümmungsradien R und Ri

sind auf der Senkrechten 20 auf dem Scheitel 6 versetzt zueinander angeordnet.

Der Mittelpunkt M-i, der zum Krümmungsradius Ri gehört, liegt zwischen dem Mittelpunkt M des Krümmungsradius R und dem Scheitel 6 der Lagerschale 1.

Um die Ausführungsform gemäß der Figur 1d zu realisieren, liegen die beiden Mittelpunkte M und Mi versetzt auf der Verbindungslinie 22 der beiden Teilflächen 2 und 3. In dieser Ausführungsform liegt der Mittelpunkt M ₁ des Krümmungsradius Ri zwischen dem Mittelpunkt M und der Teilfläche 3.

In der Figur 5 ist eine vergrößerte Darstellung der Einzelheit X zu sehen. Es ist erkennbar, dass sich die Nuttiefe des ersten Abschnittes 11 in Richtung der zweiten Teilfläche 3 verringert und in den zweiten Abschnitt 15 übergeht, dessen Nuttiefe sich zur Teilfläche 3 hin vergrößert.

In der Figur 6 ist ein Lager dargestellt, das beispielsweise für ein Kurbelwellenhauptlager zum Einsatz kommt. Das Lager besteht aus einer erfindungsgemäßen Lagerschale 1 , die als Oberschale eingebaut ist. Die Unterschale wird durch eine Glattschale 100 gebildet, die keine ölnut aufweist. Der Gegenläufer 9, der die Kurbelwelle symbolisiert, dreht sich im Uhrzeigersinn, so dass das öl, das sich zwischen dem Gegenläufer 9 und der Lagerschalen 1 und 100 befindet in Pfeilrichtung strömt.

Bezugszeichenliste

1 Lagerschale

2 erste Teilfläche

3 zweite Teilfläche

4 Gleitfläche

5 ölbohrung

6 Scheitel

7 Freilegungsbereich

8 Freilegungsbereich

9 Gegenläufer

10 ölnut

10a,b Nutflanke

11 erster Abschnitt mit großem Nutquerschnitt

11a,b Nutflanke

12a, b Nutende

12c Kante

13 Nutgrund

15 zweiter Abschnitt mit kleinem Nutquerschnitt

15a,b Nutflanke

20 Senkrechte

22 Verbindungslinie

100 Glattlagerschale

Bi Breite des ersten Abschnittes

B ₂ Breite des zweiten Abschnittes

M Mittelpunkt

Mi Mittelpunkt

Ti Tiefe des ersten Abschnittes

T ₂ Tiefe des zweiten Abschnittes

Fi Querschnittsfläche des ersten Abschnittes am Scheitel

F ₂ Querschnittsfläche des zweiten Abschnittes an der

Teilfläche

α Winkel ß Winkel

Y Winkel