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MTZ - Motortechnische Zeitschrift

, Volume 73, Issue 10, pp 774–779 | Cite as

Innovative Lagergestaltung Zur Optimierung Von Kurbelwellen

  • Luis Antônio Fonseca Galli
  • Robson Ferreira da Cruz
  • Hubert Schultheiss
  • Jens Päckert
Entwicklung Tribologie

Infolge stetig zunehmender Zylinderspitzendrücke und Motorleistungen bei gleichen oder sogar kleineren Abmessungen werden immer größere Anforderungen an alle Motorbauteile gestellt. Die Grenzen der Belastungsfähigkeit von Lagerungen und der Bauteilfestigkeit von Kurbelwellen werden dabei immer mehr ausgereizt. ThyssenKrupp und IAV stellen ein innovatives Lagerkonzept vor, mit dem die Festigkeit von Kurbelwellen deutlich verbessert werden kann.

Weiterentwicklung Erschliesst Potenziale

Die Funktion und der prinzipielle Aufbau der Kurbelwelle als eines der wichtigsten Bauteile eines Verbrennungsmotors haben sich seit den ersten Anwendungen bei Motoren kaum verändert. Dennoch wurden in den letzten Jahren dank Weiterentwicklungen erhebliche Potenziale erschlossen. Bei der geometrischen Optimierung der Kurbelwellen spielt die Festlegung der Lagerzapfendurchmesser, die Kurbelwangengestaltung sowie die Anordnung und Gestaltung der Gegenmassen eine wesentliche Rolle. Die Lagerdurchmesser sind oftmals weniger von der Tragfähigkeit der Lager, sondern mehr von den Festigkeitsanforderungen an die Kurbelwelle bestimmt. Die Optimierungen basieren insbesondere auf der Berechnung der Kräfte, Bauteilspannungen sowie Torsions-, Biege- und Axialschwingungen. Auch die immer genauer werdende Berechnung der Lagerkenngrößen in Verbindung mit stärker belastbaren Lagermaterialien ermöglicht weitere Verbesserungen der Kurbelwellengeometrie.

Neues Lagerungskonzept

Für die Pleuellagerzapfen von Kurbelwellen wurde von ThyssenKrupp ein neues Konzept erarbeitet [1] und gemeinsam mit Entwicklungspartnern tiefgreifend untersucht. Der Ansatz besteht darin, die radienförmigen Übergänge zwischen Zapfen und Wangen zu vergrößern und in den tragenden Bereich des Lagers auszuweiten, um auf diese Weise die Kerbwirkung zu verringern. Die Lagerkontur des neuen Konzepts ist dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser in der Lagermitte deutlich (mehrere mm) kleiner ist als am Lagerrand. Die Lagerzapfen weisen eine symmetrisch U-förmige Kontur auf, sodass die Bezeichnung U-Shape-Bearing eingeführt worden ist [2]. Die U-Shape-Lagerkontur kann mit Radien, die tangential ineinander übergehen, beschrieben werden, . Aufgrund des über die Zapfenlänge veränderlichen Durchmessers können beim U-Shape-Konzept keine konventionellen Lagerschalen eingesetzt werden. Das große Pleuelauge wird deshalb direkt durch ein thermisches Spritzverfahren mit einer bleifreien Kupfer-Aluminium-Legierung beschichtet. Das Konzept bruchgetrennter und verschraubter Pleuel wurde dagegen beibehalten. Infolge der selbstzentrierenden Wirkung des U-Shape-Profils wird der Pleuel axial sicher geführt.

Geometrie des U-Shape-Lagers

Der Hauptvorteil des U-Shape-Konzepts besteht in einer erheblichen Zunahme der Belastungsfähigkeit der Kurbelwelle. Es ermöglicht eine deutliche Zunahme der Biege- und Torsionsfestigkeit, verbunden mit beachtlich größerer Torsionssteifigkeit der Kurbelwelle. Bei einer Kurbelwellenbelastung, bei der die notwendige Sicherheit nicht mehr gewährleistet werden kann, ist normalerweise der Wechsel von einem Mikrolegierungsstahl zu einem vergüteten Stahl notwendig. Dies führt zu Mehrkosten und aufgrund der mit dem Materialwechsel verbundenen konstruktiven Änderungen auch zu mehr Masse. Die Anwendung des U-Shape-Konzepts ermöglicht dagegen den Einsatz von Mikrolegierungsstahl auch bei größeren Belastungen.

Ein weiterer Aspekt für die Anwendung des neuen Konzepts ist der Freigang der Kurbelwelle und des Pleuels im Kurbelgehäuse. Bei einer Leistungssteigerung des Motors ist es oft nicht möglich, den Pleuellagerdurchmesser zu vergrößern, ohne dass dies zu Kollisionen zwischen Pleuel und Kurbelgehäuse führen würde. Eine teure Änderung des Kurbelgehäuses ist in diesem Fall meist unumgänglich. Bei einem Wechsel der Pleuellagerung von konventionellen Lagern auf das U-Shape-Konzept kann der Zylinderblock dagegen meist beibehalten werden.

Mit diesen Vorteilen kann zum einen die ertragbare Belastung die Kurbelwelle vergrößert, zum anderen können die Lagerzapfendurchmesser und damit auch das Gewicht der Kurbelwelle verringert werden. Auch eine Kombination aus beiden Zielrichtungen ist möglich.

Der Ersteinsatz des U-Shape-Konzepts wird auf dem amerikanischen Markt bei den Pleuellagern eines Sechszylinder-Dieselmotors erfolgen, in dem der maximale Zylinderdruck von 138 auf 220 bar vergrößert wird. Der Durchmesser des Kurbelzapfens wird von 69 mm auf den maximal möglichen Durchmesser von 73,85 mm geändert. Die darüber hinaus erforderliche Zunahme der ertragbaren Belastung wird durch das U-Shape-Konzept ermöglicht, . Die Konstruktion der Hauptlager wird beibehalten, was den Einbau der neuen Kurbelwelle in das bestehende Kurbelgehäuse ermöglicht.

Vergleich konventionelles Lager und U-Shape-Lager

Auslegung Der Lagerzapfenkontur

Bei der Auslegung des U-Shape-Lagers wurde im ersten Schritt das Profil der Kurbelwelle mithilfe statistischer Versuchsplanung (Design of Experiments, DoE) hinsichtlich Strukturfestigkeit optimiert, wobei die Bewertung nach statischen und dynamischen Kriterien erfolgte. zeigt beispielhaft einen Vergleich der berechneten Bauteilspannungen bei Biegebelastung an einer konventionellen Kurbelwelle (links) und an einer Kurbelwelle mit U-Shape-Konzept, bei der die Biegebelastung um 45 % vergrößert wurde (rechts). Die Kurbelwelle mit U-Shape-Kontur weist trotz dieser Belastungszunahme ähnliche maximale Bauteilspannungen und die gleiche Ermüdungssicherheit auf wie die konventionelle Kurbelwelle.

Bauteilspannung und Ermüdungssicherheit: Vergleich konventionelles Lager (links) und U-Shape-Lager (rechts)

Für den Belastungsfall Torsion waren ähnliche Zielstellungen zu erfüllen, wobei es insbesondere galt, den Übergang der induktiv gehärteten Schicht zum ungehärteten Material des Lagerzapfens innerhalb der Ölzuführungsbohrung im Kurbelzapfen zu untersuchen. Mit Änderung der Einhärtetiefe und Optimierung der U-Shape-Zapfenkontur gelang es, die zulässige Torsionsbelastung um 56 % zu verbessern.

Lagerauslegung

Im Anschluss an die Auslegung der Zapfenkontur hinsichtlich Festigkeitskriterien erfolgte eine Optimierung der Pleuellagerinnenkontur und der Lagerspaltgeometrie nach tribologischen Gesichtspunkten. Dazu wurde auf Basis einer Profilparametrierung eine genetische Optimierung mit dem sogenannten Moga-II-Algorithmus durchgeführt. Hierbei wurden insbesondere Fälle eines über die gesamte Profilbreite konstanten Spiels untersucht sowie Fälle, bei denen sich das Lagerspiel — ausgehend von einem Referenzspiel in der axialen Lagermitte — zu den Profilrändern hin verkleinert (konvergierendes Spiel).

Für die Lagerberechnung wurde das Programm Rebeca, ein von ThyssenKrupp entwickeltes Tool [3], verwendet. Dies war notwendig, da die meisten kommerziellen Lagerberechnungsprogramme bei der Lösung der Reynoldsschen Differenzialgleichung größere geometrische Abweichungen von der zylindrischen Lagerkontur, wie sie beim U-Shape-Lager auftreten, nicht berücksichtigen. Mit diesem Programm können bei Berücksichtigung von sowohl radialen als auch axialen Kraftkomponenten alle relevanten Lagerkenngrößen einschließlich Verformungen berechnet werden.

zeigt Ergebnisse der Lagerauslegung im Nennleistungspunkt des Motors. Wegen der Zunahme des Zylinderspitzendrucks ware bei einer zylindrischen Lagergeometrie eine deutliche Vergrößerung des Lagerdurchmessers notwendig gewesen, was neben konstruktiven Nachteilen eine größere hydrodynamische Verlustleistung bewirkt hätte. Mit der U-Shape-Konstruktion wurde ein minimaler Lagerdurchmesser von 73,85 mm möglich. Die Ergebnisse der Lösungen 1 und 2 zeigen zudem, dass bei Variation der U-Shape-Kontur Lagerkenngrößen sehr zielgerichtet beeinflusst werden können. Ein konvergierendes Spiel stellt hierbei die beste Lösung dar.

Ergebnisse der Lagerberechnung

LAGERGEOMETRIE

 

ZYLINDRISCH

ZYLINDRISCH

ZYLINDRISCH

ZYLINDRISCH

U-SHAPE

U-SHAPE

ZYLINDERSPITZENDRUCK

[bar]

138

220

220

220

220

220

PLEUELLAGERDURCHMESSER

[mm]

69

69

72

88

Dmin = 73,85

Dmin = 73,85

PLEUELLAGERBREITE

[mm]

31

31

31

31

30

30

MAX. SCHMIERFILMDRUCK

[MPa]

229,6

480,6

448,8

337,4

426,6

301,6

MIN. SCHMIERSPALTWEITE

[μm]

1,36

0,83

0,92

1,40

0,94

1,61

ÖLDURCHSATZ

[l/min]

0,96

0,94

0,97

1,13

0,86

0,35

VERLUSTLEISTUNG

[kW]

0,34

0,38

0,42

0,66

0,45

0,57

BEMERKUNG

 

Gegenwärtige Konstruktion

Wegen unzureichender Festigkeit und zu großer Torsionsschwingungen ungeeignet

Konstruktionsvorschlag ohne Festigkeits-und Torsionsschwingungsnachteile

U-Shape-Lösung 1

U-Shape- Lösung 2

Festigkeitsuntersuchungen

Mit Versuchen zur Dauerfestigkeit konnte nachgewiesen werden, dass Kurbelwelle und Pleuel mit U-Shape-Kontur eine größere Festigkeit aufweisen als die Bauteile mit zylindrischen Lagern. Dazu wurden an Kurbelwellen umfangreiche Shaker-Tests bezüglich Biege- und Torsionsfestigkeit durchgeführt. Die ersten Versuche zeigten, dass die erreichten Festigkeitswerte etwas unterhalb der theoretischen Werte lagen. Zur Annäherung an die theoretischen Werte wurde der Schleifprozess, insbesondere in den Profilausrundungen, sowie die Eindringtiefe der Induktionshärtung weiter optimiert. Dazu wurde der Induktor speziell an das U-Shape-Profil angepasst. Es wird erwartet, dass in Kürze mit den Dauerfestigkeitsversuchen die angestrebten Werte nachgewiesen werden können.

Zum Nachweis der Dauerfestigkeit des Pleuels im Pleuelaugenquerschnitt wurden Zug-Druck-Dauerwechselversuche durchgeführt. Auf Basis der Ergebnisse konnten die Pleuel in diesem Bereich für Kräfte freigegeben werden, die annähernd dem Doppelten der aktuellen Motorlast entsprechen.

Lageruntersuchungen

Zur Funktionsanalyse des U-Shape-Lagers, zur Validierung der Berechnungen sowie für erste Dauererprobungen wurden Untersuchungen am leistungsfähigen Gleitlagerprüfstand der IAV in Chemnitz durchgeführt, . Der Prüfstand erlaubt es, wichtige Kenngrößen eines einzelnen dynamisch belasteten Radialgleitlagers zu untersuchen. Dabei bietet er wesentliche Vorteile gegenüber Untersuchungen im Motor. Beispielsweise können Lagerkenngrößen einzeln und zielgerichtet variiert und genau ermittelt werden. Die Belastungen des Prüflagers werden am Prüfstand von drei um jeweils 120° am Lagerumfang versetzt angeordneten servohydraulisch gesteuerten Zylindern erzeugt. Die Zylinder sind frei programmierbar. In Verbindung mit einer präzisen, hochdynamischen Steuerung können Belastungsverläufe von Verbrennungsmotor-Gleitlagern weitgehend originalgetreu nachgebildet werden.

Gleitlagerprüfstand der IAV Chemnitz

Am Prüfstand können die Größen Lagerkraft, Wellenverlagerung, Schmierfilm- und Ölzuführungsdruck und elektrische Kontaktspannung in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Welle ermittelt werden. Besonders erwähnenswert ist außerdem eine Einrichtung, die das genaue, drehwinkelaufgelöste Messen der Reibung erlaubt. Weiterhin wurde eine spezielle Methode der Schmierspaltweitenmessung verbessert und auch für die Schmierfilmdruckmessung angewendet. Bei dieser Messmethode ist es mit in die Prüfwelle integrierten Sensoren möglich, die Schmierspaltweite, die Lagerverformung und den Schmierfilmdruck öber den gesamten Lagerumfang zu messen, . Erst auf Basis dieser umfassenden Ergebnisse wurde eine Validierung der Berechnungen möglich.

Beispiel für Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen

Die Untersuchungen wurden sowohl an U-Shape-Lagern als auch an konventionellen Lagern durchgeführt. Für alle Größen der beiden Lagertypen konnten die Berechnungsergebnisse gut durch die Messungen validiert werden. Dauerläufe, die mit dem Gleitlagerprüfstand über eine Laufzeit von 600 h durchgeführt wurden, belegen die Betriebssicherheit des U-Shape-Lagers.

Zum Nachweis der Serienfähigkeit des U-Shape-Konzepts sind weiterführend Untersuchungen im befeuerten Motor geplant. Neben weiteren Funktionsuntersuchungen soll in den kommenden Monaten insbesondere die Dauerlauffähigkeit von Kurbelwelle und Pleuel nachgewiesen werden.

Zusammenfassung

Das neu entwickelte U-Shape-Konzept bietet die Möglichkeit, die Torsions- und Biegebelastungsfähigkeit von Kurbelwellen deutlich zu verbessern. Damit können bei der Weiterentwicklung von Motoren größere Leistungen realisiert werden, ohne die Lagerdurchmesser der Kurbelwelle maßgeblich vergrößern und damit wesentlich mehr hydrodynamische Reibung in Kauf nehmen zu müssen. Mit dem U-Shape-Konzept kann oftmals die kostenintensive Änderung des Kurbelgehäuses vermieden und auf den Einsatz eines festeren Werkstoffs für die Kurbelwelle verzichtet werden. Das U-Shape-Konzept bietet bei der Weiterentwicklung von Motoren nicht nur aus technischer Sicht, sondern auch hinsichtlich der Gesamtkosten eine interessante Alternative zu herkömmlichen Konstruktionen.

Notes

Danke

An der Erstellung des Beitrags hat zudem Dr.-Ing. Michael Berg, Leiter des Fachbereichs Grundmotor/Getriebe bei der IAV GmbH in Chemnitz, mitgewirkt.

Literaturhinweise

  1. [1]
    Guerreiro, S.; Galli, L.; Tavares, O.; Rodrigues, A.: Crank Drive. Patent WO 2008/129395, 2008Google Scholar
  2. [2]
    Souza Rodrigues, A.; Villalva, S.; Galli, L.: Increasing of Crankshaft Structural Strenght by means of using non-straight bearings so called U-Shape Bearing. SAE Technical Paper 2009-36-0188, 2009Google Scholar
  3. [3]
    Junior, D.; Galli, L.; Cruz, R.: Lubrication Investigation of a Non-Straight Internal Combustion Hydrodynamic Bearing. SAE Technical Paper 2009-36-0171, 2009Google Scholar

Copyright information

© Springer Fachmedien Wiesbaden 2012

Authors and Affiliations

  • Luis Antônio Fonseca Galli
    • 1
  • Robson Ferreira da Cruz
    • 1
  • Hubert Schultheiss
    • 2
  • Jens Päckert
    • 2
  1. 1.ThyssenKrupp Forging GroupCampo Limpo PaulistaBrasilien
  2. 2.IAV GmbHChemnitzDeutschland

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