Durch periodische Druckspitzen belastetes Lager Die Erfindung betrifft ein durch periodische Druck spitzen belastetes Lager, insbesondere ein Pleuelstan- genlager im Kolben oder ein Kreuzkopflager eines Zweitaktdieselmotors.
Bei Pleuelstangenlagem im Kolben und Kreuz kopflagern von Kolbenmaschinen bestehen allgemein Schwierigkeiten bezüglich der Schmierung, da sie periodisch hohe Drücke aufnehmen müssen und nur geringe Bewegungen ausführen, so dass sich ein dyna mischer Schmierfilm nicht ausbilden kann. Bei Zwei taktmotoren kommt der Umstand hinzu, dass diese Lager dauernd unter gleichgerichteter Belastung stehen. Es tritt bei diesen Motoren nicht die bei Viertaktmotoren während des Saughubes eintretende Belastungsumkehrung auf, welche das Eindringen von Schmieröl zwischen die Lagerflächen begünstigt. Die Schwierigkeiten sind derart, dass z.
B. bei auf geladenen Tauchkolbenmotoren die Belastung des Pleuelstangenlagers einer sonst vorteilhaften Erhöhung des Lade- und damit des Zünddruckes Grenzen setzt.
Es sind anderseits sogenannte hydrostatische La ger bekannt, bei welchen dem Lager Schmiermittel unter einem derart hohen Druck zugeführt wird, dass dieser ein Aufliegen der Lagerfläche auch bei grösster vorgesehener Belastung verhindert. Diese Lager weisen eine minimale Reibung und praktisch keine Abnützung auf. Es ist jedoch nicht möglich, z. B. dem Pleuelstangenlager im Kolben oder den Kreuz kopflagern eines Dieselmotors auf dem üblichen Wege, d. h. durch die Kurbelwelle und die Pleuel stange Öl mit dem für einen solchen Zweck erforder lichen hohen Druck zuzuführen.
Es ist deshalb vor geschlagen worden, das Kreuzkopf- oder das Kolben bolzenlager mit einer zusätzlichen, lokal angeordne ten Schmierpumpe zu versehen, welche das Schmieröl dem normalen Schmiersystem, mit für die übrigen Lager ausreichenden Schmierdruck entnimmt, und dieses auf den gewünschten höheren Druck bringt. Derartige Anordnungen machen jedoch den Motor kompliziert und in erhöhtem Masse störungsanfällig.
Die erfindungsgemässe Einrichtung, welche diese Nachteile nicht aufweist, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Lager eine den Austritt des Schmiermittels nach aussen erschwerende Dichtung aufweist und mit einem in der Schmierleitung angeordneten Rück schlagventil versehen ist, welche den Rückfluss des Schmiermittels aus dem Lager in die Schmierleitung zurück sperrt, derart, dass während des Zeitraumes niedriger Belastung dem Lager durch die Schmier leitung Schmiermittel zugeführt wird, und während des Zeitraumes höherer Belastung ein nennenswertes Entweichen des Schmiermittels aus dem Lager ver hindert wird.
Die Erfindung wird anhand einiger in der Zeich nung schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen: Fig. l die erfindungsgemässe Ausführung eines Pleuelstangenlagers im Kolben eines Dieselmotors, Fig.2 die Dichtung aus Fig. 1 in vergrössertem Massstab, Fig. 3 ein erfindungsgemässes Kreuzkopflager eines Grossdieselmotors, Fig. 4 eine Seitenansicht zur Fig. 3, Fig. 5 den Verlauf der Belastung des Pleuelstan gen- bzw. des Kreuzkopflagers bei einem Dieselmotor.
In Fig. 1 ist in einem Kolben 1 eine Pleuelstange 2 mit einem Kugelkopf 3 in einer Lagerschale 4 ge lagert. Die Lagerschale ist mit einer Dichtung 5 versehen. Die Pleuelstange 2 weist in bekannter Weise eine Bohrung 6 auf, die an das Schmiersystem des Motors angeschlossen ist und das Schmieröl unter Druck dem Kolbenlager zuführt. Knapp vor dem Austrittsende der Bohrung 6 ist ein Rückschlag- ventil 7 angeordnet, welches den Durchfluss des Schmieröls aus der Bohrung 6 zum Lager zulässt, in umgekehrter Richtung jedoch sperrt. Von der unteren Seite wird der Kugelkopf 3 von einer Lagerschale 9 umfasst.
In Fig. 2 ist die Dichtung 5 in vergrössertem Mass stab dargestellt. Diese besteht aus einem in einer Nut 8 befindlichen Dichtungsring 10, welcher durch einen Gummiring 11 elastisch gegen den Kugel kopf 3 gedrückt wird. Der Gummiring 11 ist durch einen Dichtungsring mit kreisförmigem Querschnitt, einem sogenannten O-Ring gebildet. Zwischen dem Dichtungsring 10 und der unteren Begrenzungsfläche 9 der Nut 8 befindet sich ein Spalt a.
In Fig. 5 ist der Verlauf der Belastung p des Kol benlagers bei einem Dieselmotor während einer Kur belwellenumdrehung dargestellt. Das Diagramm zeigt, dass die Belastung des Lagers während mehr als der Hälfte einer Umdrehung verhältnismässig niedrig ist, und nur in der Nähe des oberen Totpunktes OTP eine hohe Spitze aufweist. Wird dem Lager das Schmieröl mit einem im Diagramm mit Ps-bezeich- neten Druck zugeführt, so gelangt dieses während der Zeit mit kleiner Belastung zwischen die zu schmie renden Flächen, würde jedoch ohne besondere Vor kehrungen während der Zeit der Druckspitzen aus dem Lager verdrängt werden.
Erfindungsgemäss wird diese Verdrängung durch die Dichtung 5 und das Rückschlagventil 7 verhin dert. Auf diese Weise bleibt das Öl auch während des Druckanstieges zwischen den Lagerflächen ge fangen und kann nicht entweichen, so dass eine me- tallissche Berührung der Lagerschale 4 mit dem Ku gelkopf 3 verhindert wird.
Ein übermässiges Abheben des Kugelkopfes 3 von der Lagerschale 4 durch den Schmierdruck in unbelastetem Zustand, welches zu einer Beschädigung der unteren Lagerschalen 9 führen könnte, wird durch die Begrenzungsfläche 9 der Nut 8 verhindert. Wird nämlich durch die Einwirkung des Schmieröldruckes die Schale 4 vom Kugelkopf 3 abgehoben, so bewegt sich in Fig. 2 die Lagerschale 4 zusammen mit der Nut 8 nach oben, während der Dichtungsring 10 durch den Einfluss des auf ihn wirkenden Druckes und .der elastischen Kraft des Gummiringes 11 in Berührung mit dem Kugelkopf 3 gehalten wird,
so dass sich der Spalt zwischen dem Dichtungsring 10 und der Begrenzungsfläche 9 ver- ringert. Dieser in Fig. 2 eingezeichnete und mit a bezeichnete Spalt ist dabei so gewählt, dass beim Erreichen des höchstzulässigen Abstandes zwischen den Auflageflächen des Kugelkopfes 3 und der Lagerschale 4 die Begrenzungsfläche 9 auf den Dich tungsring 10 anschlägt. Bei einer weiteren Bewegung der Schale 4 wird der Ring 10 mitgenommen und ermöglicht ein Ausströmen des Öls aus dem Lager.
Dadurch wird der im Lager wirkende Druck zum Sinken gebracht und eine weitere Auseinanderbe- wegung der Lagerteile verhindert.
Das beschriebene Lager gestattet also trotz einem Schmierdruck, welcher wesentlich niedriger ist als die periodisch auftretende Druckspitze, die dauernde Aufrechterhaltung eines Ölpolsters zwischen den zu schmierenden Flächen nach der Art eines hydrosta tischen Lagers, und weist im übrigen auch dessen Vorteile bezüglich Reibungskoeffizienten und Ab nützung auf. Dabei benötigt das beschriebene Lager im Gegensatz zu den bisher bekannten hydrostati schen Lagern eine weit geringere Schmierölzufuhr, da das Entweichen des Schmieröls aus dem Lager durch die Dichtung gedrosselt wird. Der Energieverbrauch für die Schmierung ist also bedeutend geringer.
Das beschriebene Lager kann vorzugsweise an der Stelle der Ölzuführung mit einer Abplattung 12 versehen sein, welche eine Angriffsfläche für den Öldruck aus der Schmierleitung auch dann bietet, wenn nach einem längeren Stillstand die eigentlichen Gleitflächen vollständig dicht aufeinander aufliegen, so dass bei einsetzendem Schmierdruck vor oder unmittelbar beim Start ein Abheben der Lagerflächen voneinander erfolgt. Es versteht sich, dass diese An griffsfläche z. B. auch durch eine in Fig. 1 gestrichelt dargestellte Ausnehmung 13 in der Lagerschale 4 gebildet sein kann.
Die Fig. 3 und 4 zeigen eine Anwendung des erfindungsgemässen Lagers bei einem Kreuzkopf. In Fig. 3 sind eine Kolbenstange 30 und eine Pleuel stange 31 mittels eines Kreuzkopfzapfens 32, welcher an seinen Enden Gleitschuhe 33 trägt, verbunden. Die Pleuelstange 31 stützt sich gegen den Zapfen 32 mit einer Lagerschale 34. Die Lagerschale 34 ist erfin dungsgemäss mit einer Dichtung versehen, welche aus bogenförmigen Teilen 35 und geraden Dichtungs leisten 36 besteht. Die Teile 35 und die Leisten 36 werden durch elastische Mittel, wie z. B. Federn 37 gegen den Zapfen 32 gedrückt.
Die Bewegung der Bögen 35 ist durch Anschlagstifte 41 bedrenzt, deren Funktion der der Anschlagfläche 9 in Fig.2 ent spricht.
Die Pleuelstange ist mit einer ölführenden Boh rung 38, einem Rückschlagventil 39 und einer Aus- nehmung 40, zur Erleichterung des Anhebens, aus gestattet. Die Funktion der in den Fig. 3 und 4 dar gestellten Anordnung entspricht derjenigen nach den Fig. 1 und 2.
Das beschriebene Lager gestattet die Aufrecht erhaltung eines die Berührung der Lagerflächen ver hindernden Schmiermittelpolsters mit einem Zu' bringerdruck, welcher wesentlich geringer ist als die kurzzeitigen, periodisch auftretenden Druckspitzen; und zwar trotz dem Fehlen einer bedeutenden Relativ bewegung, welche ansonst die Bildung eines hydro dynamisch erzeugten Schmierfilms ermöglichen würde. Es weist die Vorteile hydrostatischer Lager auf, unter Vermeidung der für diese Lager sonst erforderlichen hohen Pumpendrücke und grossen Schmiermitteldurchsätze. Dadurch wird die erforder liche Antriebsleistung für die Schmierpumpe herab gesetzt.
Es ist wegen des geringen Öldurchsatzes ohne weiteres möglich, in die Schmierölzufuhr des beschrie benen Lagers lokale Ölfilter einzubauen, um diesem besonders gereinigtes Schmieröl zuzuführen, was dessen Funktion noch weiter verbessert.
Das beschriebene Lager hat noch den bedeuten den Vorteil, dass bei einem Ausfallen des Schmier druckes nicht sofort die Tragfähigkeit des Lagers verschwindet, wie dies bei den bekannten hydrosta tischen Lagern der Fall ist. Durch die Wirkung der Dichtung und des Rückschlagventils dauert es einige Zeit, bevor das Schmieröl in dem Masse aus dem Lager entweicht, dass es zur gegenseitigen Berührung der Lagerflächen kommt. Während dieser Zeit ist es möglich, entweder z. B. den Motor abzustellen, oder andere Massnahmen zur Behebung des Defektes zu ergreifen, bevor eine Zerstörung des Lagers statt findet.
Bearing loaded by periodic pressure peaks The invention relates to a bearing loaded by periodic pressure peaks, in particular a connecting rod bearing in the piston or a cross-head bearing of a two-stroke diesel engine.
With connecting rod bearings in the piston and cross head bearings of piston machines, there are general difficulties in terms of lubrication, as they periodically have to absorb high pressures and only perform small movements, so that a dynamic lubricating film cannot form. In the case of two-stroke engines, there is also the fact that these bearings are constantly under the same load. With these engines, the load reversal that occurs in four-stroke engines during the suction stroke does not occur, which favors the penetration of lubricating oil between the bearing surfaces. The difficulties are such that e.g.
B. on loaded plunger engines, the load on the connecting rod bearing of an otherwise advantageous increase in the charging and thus the ignition pressure limits.
On the other hand, so-called hydrostatic bearings are known in which lubricant is supplied to the bearing under such a high pressure that it prevents the bearing surface from resting on even when the greatest load is provided. These bearings have minimal friction and practically no wear. However, it is not possible, e.g. B. the connecting rod bearing in the piston or the cross head bearings of a diesel engine in the usual way, d. H. through the crankshaft and the connecting rod to supply oil with the high pressure required for such a purpose.
It has therefore been proposed to provide the crosshead or piston pin bearing with an additional, locally arranged th lubrication pump, which removes the lubricating oil from the normal lubrication system, with sufficient lubrication pressure for the remaining bearings, and brings this to the desired higher pressure. Such arrangements, however, make the engine complicated and more prone to failure.
The device according to the invention, which does not have these disadvantages, is characterized in that the bearing has a seal which makes it difficult for the lubricant to escape to the outside and is provided with a check valve arranged in the lubrication line, which prevents the lubricant from flowing back from the bearing into the lubrication line back locks in such a way that lubricant is fed to the bearing through the lubricating line during the period of low load, and a significant escape of the lubricant from the bearing is prevented during the period of higher load.
The invention is explained with reference to some embodiments shown schematically in the drawing tion. 1 shows the embodiment according to the invention of a connecting rod bearing in the piston of a diesel engine, FIG. 2 shows the seal from FIG. 1 on an enlarged scale, FIG. 3 shows a crosshead bearing according to the invention of a large diesel engine, FIG. 4 shows a side view of FIG. 5 shows the course of the load on the connecting rod or the crosshead bearing in a diesel engine.
In Fig. 1, a connecting rod 2 with a ball head 3 in a bearing shell 4 is superimposed ge in a piston 1. The bearing shell is provided with a seal 5. The connecting rod 2 has in a known manner a bore 6 which is connected to the lubrication system of the engine and which supplies the lubricating oil to the piston bearing under pressure. A check valve 7 is arranged just in front of the exit end of the bore 6, which allows the lubricating oil to flow from the bore 6 to the bearing, but blocks it in the opposite direction. The ball head 3 is encompassed by a bearing shell 9 from the lower side.
In Fig. 2, the seal 5 is shown on an enlarged scale. This consists of a sealing ring 10 located in a groove 8, which is pressed elastically against the ball head 3 by a rubber ring 11. The rubber ring 11 is formed by a sealing ring with a circular cross section, a so-called O-ring. Between the sealing ring 10 and the lower boundary surface 9 of the groove 8 there is a gap a.
In Fig. 5, the curve of the load p on the Kol benlagers is shown in a diesel engine during a cure belwelleum rotation. The diagram shows that the load on the bearing is relatively low during more than half of a revolution, and only has a high peak near the top dead center OTP. If the lubricating oil is supplied to the bearing at a pressure designated Ps in the diagram, it will pass between the surfaces to be lubricated during the time with low load, but would be displaced from the bearing during the period of pressure peaks without special precautions .
According to the invention, this displacement is prevented by the seal 5 and the check valve 7. In this way, the oil remains trapped between the bearing surfaces even during the increase in pressure and cannot escape, so that metallic contact between the bearing shell 4 and the spherical head 3 is prevented.
Excessive lifting of the ball head 3 from the bearing shell 4 as a result of the lubricating pressure in the unloaded state, which could lead to damage to the lower bearing shells 9, is prevented by the boundary surface 9 of the groove 8. If the shell 4 is lifted from the ball head 3 by the action of the lubricating oil pressure, the bearing shell 4 moves upwards together with the groove 8 in FIG. 2, while the sealing ring 10 is due to the influence of the pressure and the elastic force acting on it of the rubber ring 11 is kept in contact with the ball head 3,
so that the gap between the sealing ring 10 and the boundary surface 9 is reduced. This gap shown in Fig. 2 and labeled a is chosen so that when the maximum permissible distance between the bearing surfaces of the spherical head 3 and the bearing shell 4 is reached, the boundary surface 9 strikes the sealing ring 10. If the shell 4 moves further, the ring 10 is carried along and enables the oil to flow out of the bearing.
This causes the pressure acting in the bearing to decrease and prevents the bearing parts from moving further apart.
The bearing described thus allows, despite a lubricating pressure which is much lower than the periodically occurring pressure peak, the permanent maintenance of an oil cushion between the surfaces to be lubricated in the manner of a hydrostatic bearing, and also has its advantages in terms of coefficient of friction and wear . In contrast to the previously known hydrostatic bearings, the described bearing requires a much lower supply of lubricating oil, since the leakage of the lubricating oil from the bearing is throttled by the seal. The energy consumption for lubrication is therefore significantly lower.
The bearing described can preferably be provided with a flattening 12 at the point of the oil supply, which also provides a surface for the oil pressure from the lubrication line to act on if the actual sliding surfaces lie completely close to one another after a long period of standstill, so that when the lubrication pressure begins or before Immediately at the start, the storage areas are lifted from one another. It goes without saying that this attack surface z. B. can also be formed by a recess 13 shown in dashed lines in FIG. 1 in the bearing shell 4.
3 and 4 show an application of the bearing according to the invention in a cross head. In Fig. 3, a piston rod 30 and a connecting rod 31 are connected by means of a cross-head pin 32 which carries slide shoes 33 at its ends. The connecting rod 31 is supported against the pin 32 with a bearing shell 34. The bearing shell 34 is in accordance with the invention provided with a seal which strips 36 of arcuate parts 35 and straight sealing. The parts 35 and the strips 36 are secured by elastic means, e.g. B. springs 37 pressed against the pin 32.
The movement of the arcs 35 is affected by stop pins 41, the function of which speaks ent of the stop surface 9 in FIG.
The connecting rod is equipped with an oil-carrying bore 38, a check valve 39 and a recess 40 to facilitate lifting. The function of the arrangement provided in FIGS. 3 and 4 corresponds to that of FIGS. 1 and 2.
The bearing described allows the maintenance of a contact with the bearing surfaces preventing the lubricant pad with a supply pressure, which is much lower than the brief, periodically occurring pressure peaks; in spite of the lack of a significant relative movement, which would otherwise allow the formation of a hydrodynamically generated lubricating film. It has the advantages of hydrostatic bearings while avoiding the high pump pressures and large lubricant throughputs otherwise required for these bearings. This reduces the drive power required for the lubrication pump.
Because of the low oil throughput, it is easily possible to incorporate local oil filters into the lubricating oil supply of the bearing described, in order to supply this specially cleaned lubricating oil, which further improves its function.
The bearing described also has the significant advantage that if the lubricating pressure fails, the bearing capacity of the bearing does not immediately disappear, as is the case with the known hydrostatic bearings. Due to the action of the seal and the check valve, it takes some time before the lubricating oil escapes from the bearing to the extent that the bearing surfaces come into contact with one another. During this time it is possible either, for. B. turn off the engine or take other measures to rectify the defect before the bearing is destroyed.