Technischer Lehrgang Gleitlager für Verbrennungsmotoren 978-3-528-04831-0, 978-3-322-86804-6

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Glyco-Metall-Werke StielstraBe 11 6200 Wiesbaden

Die GLYCO-METALL-WERKE Glyco B. V. & Co. KG, (StielstraBe 11 in 6200 Wiesbaden) haben uns die Erstellung dieses Lehrgangshefts durch die ZurverfOgungsteliung der technischen und bildlichen Unterlagen und Daten ermoglicht. Die GLYCO-METALL-WERKE gehoren zu den fOhrenden Gleitlagerherstellern der Welt. FOr die UnterstOtzung bedanken wir uns. Verantwortlich fOr den gesamten Inhalt ist ausschlieBlich der Verlag. Aile Angaben dienen der Veranschaulichung und der Forderung des mit diesem Heft verfolgten Ausbildungsziels. Sie sind nicht als Handlungsanweisungen fOr spezielle Anwendungsfalle beschrieben und bestimmt. Aile technischen Angaben unterliegen dem Vorbehalt der Anderung und der Weiterentwicklung. Jeder Anwendungsfall bedarf der gesonderten Beurteilung. Entsprechende Anfragen konnen an die GLYCO-METALL-WERKE gerichtet werden.

UrsprOnglich veroffentlicht in der Reihe "Technische leergangen" unter dem Titel "Lagers voor verbrandingsmotoren" von Educatieve en technische uitgeverij DELTA PRESS BV, Overberg, gem. Amerongen, Niederlande.

© 1990 by Educatieve en technische uitgeverij DELTA PRESS BV, Overberg, gem. Amerongen, Niederlande

Aile Rechte vorbehalten © Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig /Wiesbaden, 1992 Der Verlag Vieweg ist ein Unternehmen der Verlagsgruppe Bertelsmann International.

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Gedruckt auf saurefreiem Papier

ISBN-13: 978-3-528-04831-0 e-ISBN-13: 978-3-322-86804-6 DOl: 10.1007/978-3-322-86804-6

Inhalt

Gleillager

Mit der Steigerung der spezifischen Leistu'ng wurden auch die Konstruktion und die Werkstoffe der Gleitlager verbessert. Der hohe technologische Stand unserer Fertigungs- und Prufeinrichtungen ist ausschlaggebend fUr die gleichbleibende Oualitat unserer Produkte. Wir sichern sie hinsichtlich Lagerwerkstoff, Geometrie und Funktion von der Halbzeugherstellung uber die Teilefertigung bis zum Versand mit den neuesten Methoden der Oualitatstechnik abo Wegen der Forderung nach Energieeinsparung muB die Reibungsleistung der Motoren verringert werden. Die Foige sind Lager geringer Abmessungen, welche bei hohen Belastungen und hohen Oltemperaturen hinsichtlich Werkstoffauswahl, Aufbau und MaBhaltigkeit aufeinander abgestimmt sein mussen.

1

Inhall

1

Einleitung

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

Funktionsprinzipien von Gleitlagern Wirkungsweise eines Gleitlagers Lagerspiel Schmierung Anspruche, die an Gleitlager gestellt werden

2 2 2 2 3 3

2 Eigenschaften von Gleitlagern 2.1 Hydrodynamische Gleitlager

4

3 3.1 3.2 3.3

Werkstoffe fi.ir Gleitlager

7 7 7 7

4

Lagerwerkstoffe von Glyco

10

5

Zweischicht-Gleitlager-Werkstoffe

11

5.1 5.2 5.3 5.4 5.5

Gegossene Blei-Zinn-Legierungen Bleibronze-Mehrschicht-Gleitlagerwerkstoffe Aluminium-Mehrschicht-Gleitlagerwerkstoffe Richtwerte fur die Belastbarkeit Dunne Oberfliichenschichten

11 12 12 14 14

6

Schaden an Gleitlagern in Kolbenmaschinen

15

Aluminium-Legierungen Sintermetallgleitlager Trockengleitlager

4

6.1 Einleitung 6.2 Lagerschiiden und ihre Entstehungsursachen

15 17

7

30

Losung von Lagerproblemen

2

Einleitung

1 Einleitung

1.1 Funktionsprinzipien von Gleitlagern Lager sind Maschinenteile, deren Aufgabe es ist, • bewegliche Teile miteinander zu verbinden, bewegliche Teile zu positionieren und zu fuhren. • Krafte, die senkrecht zur Oberflache wirken, zu ubertragen. Die dadurch entstehenden Belastungen werden ohne Probleme von den betroffenen Maschinenteilen verkraftet. 1m Gegensatz zu Kegel- und Rollenlagern, gleiten Wellenzapfen und Lageroberflache ubereinander. Diese Lagertypen haben bestimmte Vorteile, die sie fUr ihr spezifisches Einsatzgebiet kennzeichnen. In vielen Fallen sind sie auch fUr andere Gebiete einsatzfahig. Sie werden bevorzugt eingebaut bei • hohen Belastungen, • stoBartigen Belastungen, • starken Wechselwirkungen, • starken Schwingungen. Der Schmierblfilm zwischen der Lageroberflache und dem Wellenzapfen hat die Funktion eines Dampfers. Wegen der groBen Oberflache des Olfilms ist er in der Lage, die Wirkung der StbBe zu reduzieren. Die Foige ist, daB Druckspitzen ausgeschlossen werden und folglich der GerauscheinfluB reduziert wird. Weitere Vorteile der Gleitlager im Vergleich zu den Kegel- und Rollenlagern sind • geringe Beschadigungen bei stoBartigen Belastungen, • kleine Einbauhbhe, • kleine Masse, • Zerlegbarkeit des Lagers in Teilkomponenten (Lagerschalen), • gute Mbglichkeiten, das Lager an die Konstruktion anzupassen, • wirtschaftliche Herstellung, • lange Lebensdauer. Diese Vorteile sorgen dafur, daB Gleitlager besonders zum Einsatz in Verbrennungsmotoren geeignet sind. Gleitlager sind sehr geeignet, um als Haupt- und Pleuellager die starken Wechselkrafte, die durch die Gas- und Massenkrafte an Kolben, an Pleuel und Kurbelwelle auftreten, aufzunehmen. Mit der richtigen Wahl und konstruktiven Anpassung an die Motorkonstruktion kann, wenn aile Vorschriften bezuglich Zusammenbau, Schmierblqualitat, Menge und Wartung eingehalten werden, eine Lebensdauer erreicht werden, die der Lebensdauer des Motors gleicht.

Olschmierfilm, der durch die drehende Bewegung der Welle dort zusammengedruckt wird, wo sich der Spalt zwischen Lager und Welle verringert. Es entsteht ein Oberdruck, der die Welle und die Lageroberflache voneinander trennt. Die durch die drehende Welle entstandene Druckverteilung wirkt wie eine Federkraft. Wenn die Kraft auf der Lageroberflache kleiner wird, erweitert sich der Schmierblspalt zwischen Lager- und Wellenoberflache, und die Welle nimmt eine zentrische Position ein. Dabei dreht sich die Welle fortwahrend. Der hydrodynamische Druck bewirkt, daB das 01 in radialer und axialer Richtung wegflieBt. Der ZufluB des Ols muB wegen der Druckverteilung im Lager dauernd gewahrleistet sein. AuBerdem leitet das Schmierbl die Warme, die im Lager auftritt. Die Dicke des Schmierblfilms ist von folgenden Faktoren abhangig: • • • •

spezifische Lagerbelastung, Gleitgeschwindigkeit des Lagers, Viskositat des Schmierbls, Lagerspiel.

Bei stoBartiger Belastung der Welle wird der Olschmierfilm, der sich zwischen Wellenzapfen und Gleitlager befindet, kurzzeitig mit einem grbBeren Druck belastet, wodurch das Schmiermittel verdrangt wird. Die Adhasion an den Oberflachen der gleitenden Teile (Welle und Lager) sowie die inneren Reibkrafte sorgen dafur, daB das 01 jedoch nicht vbllig verdrangt wird. AuBerdem verhindert der kleiner werdende Spa It das WegflieBen des Ols. Diese Reaktionen sorgen fUr den bereits erwahnten Dampfungseffekt. Dieser ist vor allem bei niedriger Drehzahl wichtig, weil der Druck im Lager dann sehr klein is!. Damit bei langerem Betrieb kein ubermaBiger VerschleiB auftritt, muB der Schmierfilm zwischen den gleitenden Teilen unter jeder Bedingung gewahrleistet sein. Beginnt die Welle sich zu drehen, liegt sie auf der Bleioberflache des Lagers. Wahrend dieser Betriebsphase sind die Gleiteigenschaften der Lageroberflachen, die Rauhigkeit des Wellenzapfens und die Reinheit des Schmierbls auBerst wichtig. Werden Gleitlager durch Krafte wechselnder GrbBe und Richtung belastet, so andern sich GrbBe und Stelle des kleinsten Schmierspaltes entsprechend der Richtung und GroBe dieser Belastung. Die Verschiebung des Mittelpunktes der Welle im Verhaltnis zum Mittelpunkt des Lagers nennt man "Wellenstrecke". Bild 1 zeigt die Kennlinie des Zylinderdrucks und der Massenkrafte wah rend eines Arbeitsspiels eines Verbrennungsmotors und die resultierende Wellenstrecke der Haupt- und Pleuellager.

1.2 Die Wirkungsweise eines Gleitlagers 1.3 Lagerspiel Um die Anforderungen an die Konstruktion und die Wahl des Materials der Gleitlager zu verdeutlichen, soli zunachst die Arbeitsweise des Gleitlagers erklart werden. Der Innendurchmesser des Gleitlagers ist der Durchmesser des Wellenzapfens zuzuglich Lagerspiel. Aufgrund der Lagerbelastung liegt der Wellenzapfen exzentrisch in der Lagerbohrung. An der Lager- und der Wellenzapfenoberflache haftet ein

Die Belastbarkeit der Gleitlager hangt von dem Lagerspiel abo Oberschreitet das Spiel den Minimalwert von 0,50/00 des Lagerdurchmessers, steigt die Belastbarkeit. Es wird begrenzt von einem zu schnellen AbfluB des Schmierbls und der GrbBe von stoBartigen Belastungen. Allgemein wird fUr das Lagerspiel ein Richtwert von ungefahr 1%0 des Lagerdurchmessers eingehalten.

Ein/eitung

..

3

gewachsen sein und gleichzeitig eine geringe St6ranfalligkeit aufweisen. Eine groBe ErmOdungsfestigkeit, hohe VerschleiBfestigkeit und groBe Belastbarkeit machen ein hartes Material erforderlich. Damit das Lager nicht so schnell "friBt", gute Notlaufeigenschaften, gutes Einlaufverm6gen und gute Einbettfahigkeiten besitzt, ist ein weiches Material erforderlich. All diese widersprOchlichen MaterialansprOche lassen sich am besten durch Mehrschichtlager realisieren .

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.... -Bild 1

1.4 Die Schmierung der Gleitlager 1m Gegensatz zu Kugellagern braucht ein Gleitlager unter groBer Belastung eine gezielte Schmier6lversorgung. Eine groBe Menge 01 flieBt dabei durch das Lager. Das Schmier61 wird mit Hilfe einer Olpumpe und einem Filter durch den Olkreislauf gepumpt, so daB aile Gleitlager mit dem 01 versorgt werden. Bei Motoren, die unter hoher Belastung betrieben werden, ist ein OlkOhler eingebaut. Die Pleuellager werden durch Kanale in der Kurbelwelle von den Hauptlagern aus geschmiert, in denen sich eine Nut befindet. Oft wird vom Pleuellager ein Seitenstrom abgezapft, der fUr die Schmierung der Kolbenbolzenlagerung verantwortlich ist. Das Schmier61 wird bei statischer Belastung dem Lager vor dem gr6Bten Lagerspalt zugefOhrt. Bei instationarer Belastung wird es im Gebiet der gr6Bten Schmierfilmdicke zugefUhrt. Diese Stellen haben den niedrigsten Gegendruck; dam it kann eine ausreichende Menge 01 ohne zusatzliche Pumpenleistung das Gleitlager durchstr6men.

1.5 Anspruche, die an das Gleitlager gestellt werden Der hydrodynamische Betriebszustand eines Gleitlagers wird in der Praxis von vielen St6rungen beeinfluBt. Wie z. B. • geometrische Fehler der Lager und/oder der Welle, • Rauhigkeit des Wellenflansches und/oder der Welle, • Verschmutzung im Schmier61, • zu hohe Belastung des Lagers, • zuviel "stop and go" Betrieb des Lagers, • zu hohe Temperatur im Lager usw. Die Konstruktion des Lagers so lite darum so ausgelegt sein, daB es eine zeitlich begrenzte St6rung ohne groBen Schaden verkraften kann. Das Material soli dabei hohen Belastungen

Seitdem Lager in Motoren auswechselbare Komponenten sind, wird eine Stahl-StOtzschale als Trager des Lagermaterials und fOr die richtige Passung in den Aufnahmebohrungen verwendet. Das hohe Elastizitatsmodul von Stahl sichert, daB das Lager unter allen Betriebsbedingungen einen festen und guten Sitz in der Aufnahmebohrung sowie auch eine gute Formstabilitat, kombiniert mit einem kleinem Einbauvolumen, hat. Hochfeste Lagermetalle sind sehr hart und haben oft geringe Anpassungs- und Gleiteigenschaften. Diese Schicht wird darum sehr oft zusatzlich mit einer Laufflache, die sehr gute Gleit- und Anpassungseigenschaften hat, beschichtet. Die Belastbarkeit eines Lagers wird von der mit einer Laufflache beschichteten Stahl-StOtzschale bestimmt.

Eigenschaften von G/eit/agern

4

2 Eigenschaften von Gleitlagern

Die Palette der Gleitlager reicht von den Lagern mit meist vollstandiger Trennung der Gleitflachen durch einen Schmierfilm (FIOssigkeitsreibung) Ober die selbstschmierenden Lager, die Oberwiegend im Bereich der Mischreibung laufen (d. h. die Tragkrafte werden teilweise durch Festkorperkontakte der Gleitflachen Obernommen) , bis zu den Trockengleitlagern , welche im Bereich der Festkorperreibung (d. h. vollig ohne wirksamen flOssigen Schmierfilm) laufen, aber noch eine ausreichende Lebensdauer erreichen. Die im Kraftfahrzeug Oberwiegend verwendeten hydrodynamischen Gleitlagertypen sind kreiszylindrische Radialgleitlager (oft mit litronenspiel) zur Lagerung von Kurbel- und Nockenwellen und Turbodichterlager. Axiallager dienen meist nur zur axialen FOhrung ohne Krafte.

2.1 Hydrodynamische Gleitlager Formelzeichen nach DIN 31652

ho = (0-d)12-e=0,5 O· (1-E) mit der relativen Exzentrizitat

E

=2

e 1(0 -d) .

Tabelle 1. GroOenordnung der Reibungszahlen bei unterschiedlichen Reibungsarlen Die angegebenen Reibungszahlen sind ungefahre Werte und dienen lediglich zum Vergleich der unterschied lichen Reibungsarten.

Reibungsart

Reibungszahl f

Festkorperreibung Mischreibung FIOssigkeitsreibung Walzreibung bei Walzlagern

0,1 ... > 1 0,01 ... 0,1 0,01 0,001

Benennung

Formelzeichen

Einheit

Lagerbreite, tragend Lagerinnendurchmesser (NennmaB) Wellendurchmesser (NennmaB) Exzentrizitat (Verlagerung der Wellenachse gegenOber der Lagerachse) Lagerkraft (Last) Minimale Schmierfilmdicke Ortlicher Schmierfilmdruck Spezifische Lagerbelastung p '=FI(B' D) Lagerspiel s = (0 - d) Sommerfeldzahl Relative Exzentrizitat E = 2 el s Effektive dynamische Viskositii.t des Schmierstoffs Relatives Lagerspiel