Lagerung der Kurbelwelle

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Tristan Bader
vor 7 Jahren
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1 Lagerungen im Verbrennungsmotor Lagerung der Kurbelwelle Die diversen Lager in Verbrennungsmotoren haben die Aufgabe, rotierende oder oszillierende Bauteile zu fixieren oder auf einer vorgegebenen Bahn zu führen. Lagerungen dienen der Aufnahme und Weiterleitung von Kräften zwischen sich relativ zueinander bewegenden Bauteilen. Zur Verminderung der mechanischen Verluste und zur Gewährleistung der langen Lebensdauer sind für alle umlaufenden Dreh- und Schwenkbewegungen Lager erforderlich. Die Lager nehmen die senkrecht zur Drehachse wirkenden Radialkräfte und/oder die in Richtung der Drehachse wirkenden Axialkräfte auf und übertragen diese auf weitere sich drehende oder ruhende Bauteile. In heutigen Verbrennungsmotoren kommen sowohl Gleit-, als auch Wälzlager zum Einsatz. Bild 5.7 Arten der Lagerung Weil die Vorteile der Gleitlager überwiegen, werden in den Kurbeltrieben (bis jetzt) fast ausschließlich Gleitlager eingesetzt. Vorteile von Gleitlagern Gute Dämpfung von Belastungsstößen und Schwingungen Geringe Empfindlichkeit gegenüber Überlastung Geringe Empfindlichkeit gegenüber Verschmutzung Gute Notlaufeigenschaften Geringer Raumbedarf Kleine Masse Geräuscharm beim Betrieb Leichte Teilbarkeit (zur Montage f. Kurbelwelle, Pleuel) Niedrige Herstellungskosten Lange Lebensdauer Nachteile von Gleitlagern Höhere Reibung (mechanische Verluste) Ölbedarf ist größer Komplizierte, mitunter schwierige Montage Um die Reibungsverluste zu verringern, werden aber überall dort Wälzlager verwendet, wo die Belastungen und Einbaubedingungen es zulassen. Beispiele für den Einsatz der Wälzlagerung:

2 Ventilsteuerung Ventiltrieb Lagerung von Kipphebel Lagerung von Rollen (Rollenstößel, Rollenkipphebel) Kurbeltrieb Lagerung von Ausgleichswellen Die Kurbelwelle ist nach jeder Kröpfung im Motorgehäuse (ZKG) gelagert, um die Lagerbelastungen, sowie die Belastung der Kurbelwelle in zulässigen Grenzen zu halten. Von den Grundlagern nimmt eines neben den Radialkräften auch die Axialkräfte auf. Ein Gleitlagermodul besteht im Wesentlichen aus 4 Elementen: dem Lagerstuhl mit dem ggf. zugehörigen Lagerdeckel (Anforderung: möglichst minimale Formänderung (Deformation) infolge mechanischer Belastung und Wärmedehnung) den beiden Lagerschalen oder der ungeteilten Lagerbuchse dem Lagerzapfen dem Schmierstoff, der im Betriebszustand für die Entstehung des Schmierspalts sorgt und dadurch Zapfen- und Lagerlauffläche voneinander trennt und den Hauptteil der im Lager entstehenden Wärme abführt Bild 5.8 Elemente eines Gleitlagermoduls (Kurbelwellen-Hauptlager) Bei Verbrennungsmotoren-Gleitlagern wird ein hydrodynamischer Schmierungszustand angestrebt, bei dem die Welle und das Lager durch einen tragfähigen Schmierfilm voneinander getrennt sind und metallische Kontakte weitgehend vermieden werden. Die Flüssigkeitsreibung gewährleistet geringe Reibungsverluste und lange Lebensdauer. (Verschleißfreiheit). Die Drehbewegung einer Welle im Lager bewirkt in einem viskosen Medium eine Strömung, da der Schmierstoff an den Oberflächen der Gleitpartner haftet.

3 Verengt sich in Bewegungsrichtung der keilförmige Schmierspalt zwischen der Lageroberfläche und dem exzentrischen Zapfen, entsteht ein hydrodynamischer Druck im Schmierfilm, weil infolge der Zähigkeit des Schmierstoffes das seitliche Abströmen seitlich behindert ist. Dieser Druck versucht die den Schmierfilm begrenzenden Oberflächen auseinanderzudrängen und erzeugt dadurch eine Tragkraft, die der äußeren Lagerkraft das Gleichgewicht hält. ( Druckaufbau durch Tangentialbewegung Keildruck) Bild 5.9 Hydrodynamischer Druckaufbau in einem Gleitlager infolge Tangentialbewegung Lagerbauarten - Buchsen oder Lagerschalen? Die Entscheidung, ob Lagerschalen als Halbschalen oder Lagerbuchsen verwendet werden, hängt rein von konstruktiven Gesichtspunkten ab. Sie richten sich in erster Linie nach der Gestaltung des Lagerstuhles und der Welle. Radiallager Dünnwandige Lagerbuchsen Lagerbuchsen werden eingesetzt: als Lager für Nockenwellen in kleinen Pleuelaugen in Kipphebeln für Zwischenzahnräder für Grundlager in Tunnelgehäusen bei Mehrzylindermaschinen in Verbindung mit gebauter Kurbelwellen

4 Bild 5.10 Dünnwandige Lagerbuchse Im kleinen Pleuelauge, im Kolbenbolzenauge, für die Lagerung von Nockenwellen, Kipphebeln, Schlepphebeln, Zahnrad und Ölpumpen- sowie Wasserpumpenwellen werden meistens dünnwandige Mehrstoffbuchsen (Verbundwerkstoff) verwendet. Solche Buchsen können gerollt mit Stoßfuge oder im Schleudergussverfahren in einem Stahlrohr gefertigt werden. Dünnwandige Lagerschalen Als dünnwandige Lagerschalen werden Lagerschalen bezeichnet, deren Dicke/Durchmesser- Verhältnis e T /d 1 kleiner als 0,05 ist. (Bild 5.11) Die einbaufertigen Lager sind allseitig fertig bearbeitet. Nach dem Einbau bedürfen sie keine Nacharbeit. Deshalb müssen die Gehäusebohrungen gut fluchten und ein entsprechendes Toleranzfeld aufweisen. Bild 5.11 Dünnwandige Lagerschale - Spreizung Die dünnwandigen Lagerschalen müssen mit einer Vorspannung eingebaut werden, um eine gute Anlage der Schale im Gehäuse zu gewährleisten. Damit hat man auch eine gute Sicherung gegen Verdrehung im Betrieb. Um die notwendige Pressung zu gewährleisten werden zwei Maßnahmen angewandt: Spreizung und Überstand

5 a.) Spreizung: Das Außenmaß D S der Lagerschale im nichteingebauten Zustand gemessen - ist größer als der Gehäusebohrungsdurchmesser D L. (Größenordnung bei PKW- Motoren 1 mm) b.) Überstand: Für die entsprechende Vorspannung im eingebauten Zustand müssen die Lager einen längeren Umfang haben als der Umfang der Gehäusebohrung. Der Längere Umfang wird als Überstand bezeichnet. Die Abbildung zeigt die Definition des Überstandes S N, der bei einer Prüfkraft F gemessen werden kann. Bild 5.12 Dünnwandige Lagerschale - Überstand Um die Lager ausreichend mit Schmieröl zu versorgen, sind Schmierstoffzuführungselemente notwenig: Schmierlöcher (Bohrungen) Schmiernuten Schmiertaschen Bild 5.13 Schmierstoffzuführungselemente Axiallager Axiallager können als dünnwandiges Bundlager (Radiallager mit Bund) ausgeführt oder als Anlaufscheibe mit Fixiernocken an der Stirnfläche des Lagers montiert werden Die Axiallager haben links und rechts eine Schmiernut, damit die Gleitflächen genügend Schmierstoff bekommen. Im Bereich der Trennebene ist durch die Anfasung eine zusätzliche Schmiernut gegeben.

6 Die Schmiernuten müssen großzügig ausgelegt werden, damit keine Drosselung für das aus dem Radiallager austretende Öl auftritt. (größere Lagerschmierfilm-Temperatur, Gefahr des Fressens) Bild 5.14 Axiallager - Konstruktive Ausführung Lagerwerkstoffe Für die Lagerwerkstoffe können eine große Anzahl von Anforderungen formuliert werden. Das sind zum Teil Anforderungen, die völlig unterschiedliche Materialeigenschaften voraussetzen. Mechanische Festigkeit (hohe zulässige Lagerbelastbarkeit) Anpassungsfähigkeit Einbettfähigkeit Gute Gleiteigenschaften (Einlaufvermögen, Notlaufeigenschaft) Verschweißwiderstand Verschleißwiderstand Hohe Temperaturbeständigkeit Ermüdungsfestigkeit Gute Wärmeleitfähigkeit Korrosionsbeständigkeit Eignung für Massenproduktion Umweltgerechter Herstellungsprozess Diese komplexen Anforderungen begründen die Tatsache, dass in modernen KFZ-Motoren fast ausschließlich sogenannte Mehrstofflager eingesetzt werden. Das im Bild 5.15 dargestellte Verbundlager kann als Zweischicht-, Dreischicht- und Vierschichtlager ausgeführt sein. Die Lagerwerkstoffe haben im allgemeinen eine geringe Festigkeit. Deshalb wird der Lagerwerkstoff auf einem Stahlband aufgegossen aufgewalzt oder aufgesintert. Wichtig! Die einzelnen Lagerwerkstoffe (Legierungen) haben von zu Hause aus im allgemeinen niedrige Festigkeitswerte. Aber in dünnen Schichten auf die Stahlstützschale aufgebracht erweisen

7 sie sich auch gegen große mechanische Belastungen widerstandsfähig. Je dünner die Schicht ist, desto höher ist ihre Festigkeit. Bild 5.15 Mehrschichtiges Verbundlager - Aufbau Wenn auch mit kritischen Belastungszuständen zu rechnen ist, dann braucht der Motor Dreioder Vierschichtlager. 1. Schicht: Stahlstütschale 2. Schicht Bleibronze- oder Aluminiumschicht (0,3 bis 0,5 mm) + Nickeldamm (Technologische Trennschicht) (1-2 µm) 3. Schicht Gleitschicht (ca. 0, 15 mm) Durch die Gleitschicht wird die Ölbenetzbarkeit wesentlich erhöht und die Korrosionsbeständigkeit verbessert. Diese Laufschicht dient weiters als Verschleißschicht während der Einlaufphase und wird dabei teilweise abgetragen. Vierschichtlager sind gleich wie Dreischichtlager aufgebaut, sie besitzen jedoch eine zweite, weichere Laufschicht, die nur dem Einlaufen dient. Diese Schicht wird galvanisch, meist allseitig mit einer Schichtdicke von max. 2 µm aufgetragen. Diese zusätzliche 4. Schicht bewirkt im Gehäuse einen fast vollkommenen metallischen Kontakt und damit eine gute Wärmeableitung aber auch Korrosionsbeständigkeit. Durch lokales, plastischen Fließen (beim Überschreiten der Streckgrenze) werden auch Belastungsspitzen wie z.b. Kantenpressung verringert

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