Lagerung und Schmierung von Verbrennungsmotoren

Lagerungen dienen der Aufnahme und Weiterleitung von Kräften zwischen sich relativ zueinander bewegenden Bauteilen. Für alle umlaufenden Drehbewegungen und für Schwenkbewegungen sind — von wenigen anderen konstruktiven Realisierungsmöglichkeiten abgesehen — Lager erforderlich. Lager sind somit ein in allen Maschinen und Aggregaten sehr häufig anzutreffendes Maschinenelement. Sie nehmen die senkrecht zur Drehachse wirkenden Radialkräfte und/oder die in Richtung der Drehachse wirkenden Axialkräfte auf und übertragen diese auf weitere sich bewegende oder ruhende Bauteile. Die Lager bestimmen dabei die Lage dieser Bauteile zueinander und sichern die notwendige Genauigkeit der Führung bei der Bewegung. Bei sehr vielen Maschinen ist die Grenze ihrer Leistungsfähigkeit durch die größte Belastbarkeit ihrer Lager gegeben.

Die Tribologie ist die Lehre von der Reibung, der Schmierung und dem Verschleiß an Reibstellen. Die Tribologie hat sich seit etwa 25 Jahren zu einem selbständigen Wissenschaftsgebiet entwickelt.

Der Erfolg eines Motors am Markt und dessen Akzeptanz beim Kunden hängt einerseits von Brennstoffverbrauch, Geräuschpegel und Emissionsverhalten ab und andererseits von seiner Zuverlässigkeit, die zu einem hohen Maße von Gestaltung und Material der Gleitflächen und deren Schmierung beeinflußt wird. Dazu trägt neben der Auslegung der unterschiedlichen Lagerungen und Gleitflächen auch das Funktionieren des Schmiersystemes bei.

Die Gleitlager von Verbrennungsmotoren weisen eine zeitlich veränderliche Belastung auf. Aufgrund des periodischen Charakters der Gas- und Massenkräfte tritt für jedes Arbeitsspiel der gleiche Belastungsverlauf auf. Lager, bei denen der Lagerkraftvektor periodisch seine Größe und/oder Richtung ändert, werden als dynamisch beanspruchte Gleitlager bezeichnet. Auch periodisch veränderliche Winkelgeschwindigkeiten von Welle und/oder Lager bewirken eine dynamische Beanspruchung der Gleitlager. Der Lagerzapfen nimmt dann nicht wie in konstant belasteten Gleitlagern eine bestimmte unveränderliche Lage innerhalb der Lagerschale ein, sondern bewegt sich auf einer Bahn — der sogenannten Wellenverlagerungsbahn¹ —, die in jedem Arbeitsspiel einmal durchlaufen wird.

In Verbrennungsmotoren-Gleitlagern wird ein hydrodynamischer Schmierungszustand angestrebt, bei dem die Welle und das Lager durch einen tragfähigen Schmierfilm voneinander getrennt sind und metallische Berührung weitgehend vermieden wird. Die vorliegende Flüssig-keitsreibung gewährleistet geringe Reibungsleistungen und Verschleißfreiheit im Betriebszustand.

Der wichtigste Gesichtspunkt für die Auslegung von Verbrennungsmotoren-Gleitlagern ist ihre Betriebssicherheit. Sie wird gekennzeichnet durch einen möglichst geringen Verschleiß (s. Abschn. 9.2.1.1), wodurch eine ausreichende Nutzbarkeitsdauer der Lager bis zu ihrem Austausch erreicht wird. Außerdem ist eine betriebssichere Auslegung dadurch gekennzeichnet, daß das Lager während der vorgesehenen Lebensdauer nicht durch Ermüdungsbrüche des Lagerwerkstoffes ausfällt (s. Abschn. 9.2.1.4) und keine unzulässig hohe Erwärmung (s. Abschn. 9.2.1.3) erfolgt, die zu Lagerschäden führen kann. Durch eine ausreichende Filterung ist zu sichern, daß Fremdkörper, die größer als der engste Schmierspalt sind, möglichst nicht in den Lagerspalt gelangen. Tritt ein solcher Fall ein, sollen die Fremdkörper durch den Werkstoff eingebettet werden, ohne daß Zapfen und Lagerschale geschädigt werden (s. Abschn. 9.2.1.2). Daneben sind Schmierstoff und Lagerwerkstoff so zu wählen, daß im Lager keine Korrosion auftritt (s. Abschn. 9.2.1.7). Durch zweckmäßige Gestaltung des Lagerinneren können auch die — für die Betriebssicherheit meist nicht gefährliche — Kavitation (s. Abschn. 9.2.1.6) und die Erosion (s. Abschn. 9.2.1.5) vermieden werden.

Die Ausbildung der einzelnen Lagerstellen und Gleitflächen muß so erfolgen, daß sie organisch in die gesamte Motorkonstruktion eingebunden werden, um die Gewähr zu haben, daß sie immer einwandfrei laufen. Dieser Forderung wird nur dann entsprochen, wenn die Dimensionierung der Lagerelemente, wie Kurbelwellenzapfen, Lagerschalen und Lagerschalenumgebung sowie die Schmierölzuführung und die Festlegung der Bearbeitungstoleranzen entsprechend dem jeweiligen Stand der Technik erfolgt.

Bei der Auswahl von Werkstoffen für Gleitlager sind sowohl Lagerwerkstoffe als auch Wellenwerkstoffe zu betrachten.

Gleitlagerschäden lassen sich trotz Anwendung leistungsfähiger Lagerwerkstoffe, hochentwikkelter Schmierstoffe und moderner Konstruktions- und Berechnungsverfahren nicht völlig ausschließen.

Lagerprüfmaschinen sind ein wesentliches Instrument zur Forschung auf dem Gebiet der Gleitlager. Neben Arbeiten, die der weiteren Erforschung der hydrodynamischen Schmiertheorie dienen, d. h. neben der Grundlagenforschung, nutzen alle Lagerprüfmaschinen in ganz besonderem Maße der angewandten Forschung. Auf Radiallagerprüfmaschinen wird das tribologische Zusammenwirken von Wellen- und Lagerwerkstoffen, sowie von Schmierstoffen, Herstellungs-qualität und Temperaturniveau untersucht. Weiters werden Vorgänge untersucht, die sich im Lager im An- und Auslauf im sogenannten Mischreibungsgebiet abspielen, sowie die Notlaufeigenschaften der Werkstoffe bei Mangelschmierung.

Die Motorbauteile Kolben, Kolbenringe und Zylinderbuchse können für die heutigen Anforderungen nur als System ausgelegt und optimiert werden. Alle drei Bauteile beeinflussen sich nämlich gegenseitig im Hinblick auf Härte- und Gleitverhältnisse, Verschleiß und Reibung sowie Temperaturniveau. Das Zusammenspiel Kolben und Zylinderbuchse muß weiters optimiert werden im Hinblick auf das Geräusch, welches durch das Kolbenkippen verursacht wird. Diese Erregung der Zylinderbuchse wird über die Struktur nach außen geleitet und als hochfrequentes Kolbenkippgeräusch empfunden. Das Kolbenkippen verursacht auch wie bereits erwähnt ein Schwingen der Zylinderbuchse. Dieses Schwingen kann weiters zu Kavitationserscheinungen im Wasserraum führen.

Die Leistungsanforderungen an Ventiltriebe haben sich in letzter Zeit erheblich erhöht. Einerseits besteht die Forderung nach niedriger Reibung und hoher Lebensdauer und andererseits nach einer Nockenform, die einen optimalen Liefergrad bewirkt, um zur Reduktion des Brennstoffverbrauches und in der Folge zur Reduzierung der Abgasemissionen beizutragen. Die Forderung nach niedriger Reibung und optimalem Liefergrad — schnelles Öffnen und Schließen des Ventiles — stellen gegenläufige Forderungen dar, können daher nur durch Einsatz von analytischen und experimentellen Methoden, auch im Hinblick auf das Geräuschverhalten des Ventiltriebes, erfüllt werden.