Table Of ContentDie Verbrennungskraftmaschine
Neue Folge
Herausgegeben von
Hans List und
Anton Pischinger
BandS
Jo sef Affenzeller
Heinz Gläser
Lagerung und Schmierung
von Verbrennungsmotoren
Springer-Verlag Wien GmbH
Dipl.-Ing. Dr. techno Josef Affenzeller
AVL Gesellschaft für Verbrennungskraftmaschinen
und Meßtechnik mbH
Graz, Österreich
Prof. Dr.-Ing. habil. Heinz Gläser
Hochschule für Technik und Wirtschaft Zwickau
Zwickau, Bundesrepublik Deutschland
Das Werk ist urheberrechtlich geschützt.
Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, das Nachdruckes, der Entnahme von Abbildun
gen, der Funksendung, der Wiedergabe auf photomechanischem oder ähnlichem Wege und der Speicherung in Daten
verarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten.
© 1996 Springer-Verlag Wien
Ursprünglich erschienen bei Springer-VerlaglWien 1996
Softcover reprint ofthe hardcover 1st edition 1996
Datenkonvertierung: H.-D. Ecker, Bonn
Graphisches Konzept: Ecke Bonk
Gedruckt auf säurefreiem, chlorfrei gebleichtem Papier - TCF
Mit 423 Abbildungen
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Die Verbrennungskraftmaschine / hrsg. von Hans List und
Anton Pischinger. - Wien ; New York : Springer.
NE: List, Hans [Hrsg.]
N.F., Bd. 8. Affenzeller, Josef: Lagerung und Schmierung von
Verbrennungsmotoren. - 1996
Affenzeller, Josef:
Lagerung und Schmierung von Verbrennungsmotoren / J.
Affenzeller und H. Gläser. - Wien; New York : Springer, 1996
(Die Verbrennungskraftmaschine; N.F., Bd. 8)
ISBN 978-3-7091-7353-4 ISBN 978-3-7091-6568-3 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-7091-6568-3
NE: Gläser, Heinz:
ISBN 978-3-7091-7353-4
Vorwort
Als die Professoren Dr. Dr. h. c. Hans List und Dr. Dr. h. c. Anton Pischinger den Erstautor
befragten, ob er die Neubearbeitung des Bandes 8 der seit 1939 weltweit bekannten Schriften
reihe "Die Verbrennungskraftmaschine" tibernehmen wtirde, erbat er sich in Anbetracht der zu
erwartenden Arbeit Bedenkzeit. Durch die Lehrtatigkeit an der Montanuniversitat in Leoben
und an der TU Graz gepragt, konnte ich mich letztlich nicht der reizvollen Aufgabe entzie
hen, das in den vergangenen lahren erarbeitete Wissen tiber Verbrennungsmotoren-Gleitlager
in Buchform niederzuschreiben. Doch war es notwendig, bei der tiblichen Arbeitsbelastung in
der Industrie einen Mitautor zu tinden. Nach einiger Zeit gelang es, Prof. Dr.-Ing. habil. Heinz
Glaser von der jetzigen Hochschule fUr Technik und Wirtschaft Zwickau als hervorragenden
Fachmann auf dem Gebiet der Gleitlager zur Mitarbeit an diesem Buch zu gewinnen. An dieser
Stelle mochte ich Dr. Glaser fUr die fachliche und freundschaftliche Zusammenarbeit herzlich
danken.
Wir danken den Herausgebern, Hans List und Anton Pischinger, sowie dem Springer-Verlag
Wien New York, Direktor Siegle, fUr die Forderung unserer Arbeit.
Das Buch stellt eine Zusammenfassung des heutigen Wissens tiber Gleitlager, Gleitlagerma
terialien, Auslegungskriterien, Dimensionierungen, Herstellungsverfahren und Beurteilung von
Gleitlagerschaden dar. Dartiber hinaus werden in diesem Buch auch die Gleitflachen und Rei
bungsparameter zwischen Kolben, Kolbenring und Buchse sowie am Ventiltrieb behandelt.
Das Buch ist vorrangig fUr die praktische Nutzung konzipiert, tiefgehende theoretische
Erlauterungen bleiben Monographien oder anderen einschlagigen Btichern tiberlassen. Es ver
sucht, die stiirmische Entwicklung auf dem Gebiet der Lagerung von Verbrennungsmotoren
deutlich zu machen und den aktuellen Stand darzustellen, basierend auf dem Erfahrungspoten
tial in der AVL Graz und an der HTW Zwickau. Das Buch wurde besonders fUr Ingenieure
geschrieben, die in der Praxis bereits auf diesem Gebiet tatig sind bzw. sich in diese Thematik
einzuarbeiten haben, sowie fUr Studierende an Universitaten, Technischen Hochschulen und
Fachhochschulen.
Dank gilt den engeren Mitarbeitern im Hause AVL sowie dem Sekretariat und Dipl.-Ing. K. Va
zeos, der die Bildgestaltung und Berechnungen in der AVL vorgenommen hat. Weiters mochte
ich Prof. Dr. h. c. Helmut List fUr die tinanzielle Unterstiitzung bei der DurchfUhrung von
Berechnungen und der Erarbeitung des Bildmaterials danken.
Unser Dank gilt aber auch denjenigen Firmen, die uns durch Uberlassung von Zeichnungen
und Unterlagen in die Lage versetzt haben, die bildliche Darstellung dem Stand der Technik
entsprechend zu gestalten und Entwicklungstendenzen aufzuzeigen. Insbesondere mochten wir
Dipl.-Ing. Ulf Ederer von der Firma Miba und Dr. Ulrich Engel von den Glyco-Metallwerken
fUr die Beratung bzw. Bereitstellung von Bildern herzlich danken.
VI Vorwort
Nicht zu1etzt gilt unser Dank auch unseren Familien, die auf sehr viele gemeinsame Stunden
und Wochenenden verzichtet haben, damit wir dieses Buch verfassen konnten.
Josef Affenzeller und Heinz Glaser
Inhaltsverzeichnis
Verzeichnis der Formelzeichen und Abkiirzungen XI
1 Aufgaben, Wirkungsweise und Bedeutung von Lagerungen 1
1.1 Funktionsweise 1
1.2 Geschichtlicher Ruckblick 3
1.3 Lagerarten 5
2 Tribologische Grundlagen und KenngroBen der Schmierstoffe 10
2.1 Reibung und VerschleiB 10
2.1.1 Reibungsarten 10
2.1.2 ReibungszusUinde 11
2.1.3 Stribeck-Kurve 13
2.2 Schmierstoffe 15
2.2.1 Aufgaben und Einteilung der Schmierstoffe 16
2.2.1.1 Aufgaben 16
2.2.1.2 Einteilung 18
2.2.2 KenngroBen von Schmierstoffen 22
2.2.2.1 Viskositat und Dichte 22
2.2.2.2 ,Thermische KenngroBen von Schmierstoffen 25
2.2.3 Viskositatsklassifikation der Schmierole 27
2.2.3.1 ISO-Normole 27
2.2.3.2 SAE-Klassifikation 28
2.2.3.3 Weitere Motorenol-Klassifikationen 35
2.2.4 Additive fUr Motorenole 42
2.2.5 Prtifung von MotorenOlen, GebrauchtOl-Eigenschaften 48
2.2.5.1 Motorenolprtifung 48
2.2.5.2 Veranderung von Motorenolen im Gebrauch 49
3 Schmiersysteme von Verbrennungsmotoren 54
3.1 Funktion und Bestandteile von Schmiersystemen 54
3.2 Schmierstoffpumpen 55
3.3 Schmierstoffilter und Filtersysteme 63
3.3.1 Anforderungen 63
3.3.2 Filterbauarten 65
3.4 Schmierolkuhlung 68
3.5 Steuerungs- und Sicherheitsbauteile 71
3.6 Schmiersysteme unterschiedlicher Motorentypen 73
3.6.1 PKW-Motoren 74
VIII Inhaltsverzeichnis
3.6.2 LKW- und kleinere Industrie-Motoren 83
3.6.3 Mittelschnelllaufende Motoren 90
3.6.4 Motorradmotoren und schnelllaufende Zweitaktmotoren 100
4 Die Lagerung von Verbrennungsmotoren und ihre Belastung 105
4.1 Dynamisch beanspruchte Gleitlager 105
4.2 Lager des Kurbeltriebes 106
4.2.1 Kolbenbolzenlager 107
4.2.2 Pleuellager 109
4.2.3 Grundlager 109
4.2.4 Weitere Lagerstellen 110
4.3 Krliftezerlegung 110
4.3.1 Kolbenbolzenlager 110
4.3.2 Pleuellager 112
4.3.3 Grundlager 114
4.4 Berechnungsmethoden bei Mehrzylindermotoren 116
5 Hydrodynamische Berechnung von Verbrennungsmotoren-Gleitlagem 129
5.1 Theoretische Grundlagen 129
5.1.1 Druckaufbau durch Tangentialbewegung (Keildruck) 132
5.1.2 Druckaufbau durch Radialbewegung (Verdrangungsdruck) 136
5.2 Berechnung der Wellenverlagerungsbahn 137
5.2.1 Ausgangspunkt und Berechnungsverfahren 137
5.2.2 Verfahren der tiberlagerten Tragkrlifte 137
5.3 Berechnung der Reibungsleistung 145
5.4 Berechnung der Oldurchsatzmenge 151
5.5 Warmebilanz 158
5.6 Maximaler Schmierfilmdruck 160
5.7 Umwandlung der raumfesten in korperfeste Koordinaten 167
5.7.1 Grundlager 167
5.7.2 Pleuellager 167
5.7.3 Kolbenbolzenlager 167
5.8 Winkelgeschwindigkeiten der Lager eines Kurbeltriebes 168
5.9 EDV-Paket zur Auslegung dynamisch beanspruchter Radialgleitlager 169
5.10 Elastohydrodynamische Lagerberechnung - EHD 174
5.10.1 Vorteile und Aussagef<ihigkeit der elastohydrodynamischen Berechnung 174
5.10.2 Theoretische Grundlagen der EHD-Berechnungsmethode 175
5.10.3 Vergleich der Berechnungs- und MeBergebnisse 177
6 Auslegung von Verbrennungsmotorenlagerungen 181
6.1 AuslegungskenngroBen und ihre Optimierung 181
6.1.1 Betriebszustand (Lagerbelastung) 181
6.1.2 Lagerabmessungen 191
6.1.3 Schmierstoff und Schmierung 194
6.2 Optimierung der EinfiuBgroBen - Optima1auslegung 198
6.2.1 Bedeutung und Moglichkeiten 198
6.2.2 BeurteilungsgroBen fOr eine Optimalauslegung, tibliche Grenzwerte 199
Inhaltsverzeichnis IX
6.2.3 EinfluB des relativen Lagerspie1es 202
6.2.4 EinfluB von OlzufUhrungstemperatur und -druck 206
6.2.5 Art und Lage der SchmierstoffzufUhrung 213
6.2.6 Steifigkeit von Kurbelwelle, Lager und lagerumgebenden Bauteilen 215
6.2.7 EinfluB der Kurbelwellengestaltung (Massenausgleich) 219
6.3 SchluBfolgerungen fUr die Lageraus1egung aus der Anwendung
von EDV-Programmpaketen 222
7 Konstruktive Gestaltung von Lagem 225
7.1 Lagerbauarten und konstruktive Details 225
7.1.1 Lagerbuchsen 226
7.1.2 Diinnwandige Lagerscha1en mit und ohne An1aufring 227
7.1.3 SchmierstoffzufUhrungse1emente 231
7.l.4 Axiallager 232
7.2 LagerschalenpreBsitz 235
7.3 Grobgestaltung - Riickwirkung der Lagerumgebung auf die Lagerparameter 240
7.4 Feingestaltung von Lagem 243
7.4.1 K1eines P1eue1auge 243
7.4.2 Ko1benbo1zenaugen 247
7.4.3 GroBes P1eue1auge 248
7.4.4 Grundlager und Anordnung der 01bohrungen in den Kurbe1wellen 249
7.4.5 Nockenwellenlager 254
7.4.6 Ausg1eichswellenlager 254
8 Werkstoffe und Lagerherstellung 255
8.1 Allgemeine Betrachtungen 255
8.2 Wellenwerkstoffe (einschlieBlich Kolbenbolzen) 256
8.3 Lagerwerkstoffe 259
8.3.1 Anforderungen und Eigenschaften 259
8.3.2 Lagerbauformen 260
8.3.3 Lagerlegierungen 262
8.3.3.1 WeiBmetalle 262
8.3.3.2 Kupfer-, Blei- und Zinnwerkstoffe 263
8.3.3.3 A1uminium1egierungen 263
8.3.3.4 Ga1vanische Schichten 265
8.4 Herstellungsverfahren diinnwandiger G1eitlager 266
8.5 Herstellungsverfahren von Sonderlagem 270
8.6 Qualitiitssicherung 273
9 Schiiden an Verbrennungsmotoren1agerungen 277
9.1 Ursachen von Schiiden und Veriinderungen an G1eitlagem 277
9.2 Schiiden und Veriinderungen an dynamisch beanspruchten Radialg1eitlagem
von Ko1benmaschinen 280
9.2.1 Ursachen fiir Schiiden und Veriinderungen am Lagermetall und an
der G1eitschicht 282
9.2.1.1 Fliichenhafter Versch1eiB 282
9.2.1.2 Verschmutzung 289
x Inhaltsverzeichnis
9.2.1.3 Uberhitzung 293
9.2.1.4 Ermiidung (dynamische Uberlastung, OberfHichenzerriittung) 295
9.2.1.5 Erosion 297
9.2.1.6 Kavitation 299
9.2.1.7 Tribochemische Reaktion, Korrosion 303
9.2.1.8 Belagbildung, Verfarbungen 306
9.2.1.9 Einbaubedingte Schadigungen 307
9.2.1.10 Herstellungsbedingte Schiidigungen 309
9.2.2 Schiiden und Veriinderungen an der Stahlstiitzschale und im Lagersitz 312
9.2.2.1 Oberfiiichenveriinderungen am Schalenriicken 312
9.2.2.2 Hohlstellen 314
9.2.2.3 Stiitzschalenbruch 315
9.2.2.4 StoBfiiichenbeschiidigung 316
9.2.2.5 Spreizungsverlust 316
9.3 Austausch von Lagern 317
10 Priifeinrichtungen fUr Gleitlager 319
10.1 Priifmaschinen 319
lO.2 MeBsysteme zur Analyse von Schmierfilmparametern 323
10.3 Priifeinrichtungen fUr die Gleitlagerermiidung 332
11 Schmierung und Reibung von Kolben, Kolbenringen und Zylinderbuchsen 335
11.1 Aufgabenstellung 335
11.2 SchmierstoffzufUhrung 335
11.3 AusfUhrungen und Materialien der Gleitpartner 336
11.3.1 Kolben 336
11.3.2 Kolbenringe 338
11.3.3 Zylinderbuchse 341
11.4 VerschleiBverhalten 345
11.5 Reibung von Kolben und Kolbenringen 347
11.5.1 Analysemethoden 347
11.5.2 Reibungsverhiiltnisse der Gleitpartner 350
11.6 Kolben- und Kolbenringbewegung und deren EinfiuB auf Tribologie, Geriiusch
und Zylinderbuchsen-Kavitation 355
12 Schmierung und Reibung von Ventiltrieben 363
12.1 Analysemethoden 363
12.2 AusfUhrung von Nockentrieben, deren Reibstellen und Schmierung 367
12.3 Reibungsverhalten von Nockentrieben 370
Literatur 375
Sachverzeichnis 393
