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Apr 29, 2023

Werkstoffe und Auswahl für Motorlager

Das weiß jeder Motorenbauer und auch jeder, der kein Motorenbauer ist

Jeder Motorenbauer und auch jeder, der kein Motorenbauer ist, weiß, dass der Kontakt von Metall auf Metall nicht gut ist. Es ist so schlimm, dass die Motorenbauer große Anstrengungen unternehmen werden, um dies zu verhindern. Auch Lagerhersteller und Beschichtungsunternehmen arbeiten hart daran, sicherzustellen, dass ihre Produkte extremer Beanspruchung standhalten, ohne teure Komponenten zu zerstören.

Lagerschalen sind so konzipiert, dass sie die kritischen Komponenten schützen, mit denen sie interagieren, wie z. B. die Kurbel und die Stangen, aber hinter ihrer Leistung steckt mehr, als man denkt.

Top-Motorenbauer, die ihren Lebensunterhalt mit dem Einbau von Lagern verdienen, wissen ein oder zwei Dinge darüber, wie sie das Beste aus ihnen herausholen. Ein Hersteller sagt, dass er die empfohlenen Abstandseinstellungen für die mittleren Lager befolgt, aber die Zapfen auf der Rückseite vergrößert den Abstand etwas mehr, um zu verhindern, dass er das Ende der Kurbel beim Wackeln erfasst.

Die Kurbelwelle ist das schwerste bewegliche Teil im Motor, und daher könnte man annehmen, dass sie sich nicht verbiegt oder durchbiegt, aber der Verbrennungsdruck und die Anforderungen des Antriebsstrangs führen dazu, dass die Kurbel ständig bis an ihre Grenzen beansprucht wird, insbesondere bei Renneinsätzen.

Die Wahl des richtigen Lagers für Ihre Anwendung ist entscheidend für die Leistung und Haltbarkeit des Motoraufbaus, da das Lager eine so wichtige Rolle bei der Lagerung der Kurbelwelle spielt, was sich auch auf die Lebensdauer des Motors auswirkt. Das Letzte, was ein Motorenbauer möchte, ist eine Lagerermüdung, die dazu führt, dass Metallsplitter in das Ölsystem gelangen.

Lagerhersteller geben an, dass das Spiel immer ein Problem darstellt und dass Sie für die meisten Anwendungen die empfohlenen Spielspezifikationen verwenden sollten. Bei Lageranwendungen sind Abstände wichtig, aber der Materialbedarf wird von den Lagerherstellern berücksichtigt, wenn sie eine Anwendung spezifizieren. Wenn Sie jedoch auf irgendeine Weise aufrüsten und versuchen, mehr Leistung zu erzielen, müssen Sie möglicherweise auf robustere Materialien zurückgreifen, im Vergleich zu dem, was bei dieser Anwendung herauskam, wenn es sich um einen Standard-Pkw-Motor handelte.

Wenn Sie mehr Leistung herausholen möchten, sind Kupfer-/Bleilager die stärksten. Während Lageringenieure sagen, dass es ihnen in erster Linie um die Einheitslast des Lagers und nicht um PS-Zahlen geht, um die Festigkeit eines bestimmten Lagers oder Materials zu bewerten, sind es mehr oder weniger die Zylinderdrücke, die den Lagerbedarf bestimmen. Nach Ansicht unserer Lagerexperten gelten Zylinderdrücke von bis zu 9.000 psi als Grenzwert für Aluminium und für alles, was darüber hinausgeht, sollten Sie sich Tri-Metal ansehen.

Für Serienanwendungen haben OEMs schon vor langer Zeit auf Aluminium-Bimetalllager umgestellt, da diese kostengünstig herzustellen sind und Tausende von Kilometern länger halten können als typische Trimetalllager. Heutzutage wird erwartet, dass Serienmotoren eine Lebensdauer von 200.000 Meilen oder mehr haben, daher ist ein Aluminiumlager für diese Anwendungen am sinnvollsten.

Aber auf der Leistungsseite sind Tri-Metall-Lager aufgrund ihrer Tragfähigkeit und Anpassungsfähigkeit immer noch die Königsklasse. Diese Lager müssen langlebig sein und dennoch dem Ölfilm standhalten, wenn die Kurbelwelle verdreht wird.

Aufgrund der Verschleißfähigkeit und der Härte des Silikonverbundstoffs, der die Kurbelwelle poliert und alle Knoten oder Rückstände aus dem Weg wischt oder ausspült, können Aluminiumlager bei Anwendungen mit geringer Belastung viel länger halten. Es gibt jedoch einen großen Unterschied in der Verschleißrate des Kupfer/Blei-Trimetalllagers und des Aluminium-Bimetalllagers.

Bei Lagern muss eine Gratwanderung vollzogen werden, denn einerseits benötigt man Materialien mit hoher Festigkeit für Haltbarkeit, Tragfähigkeit und Tragbarkeit, andererseits aber auch weiche Materialien für die Anpassungsfähigkeit, wenn etwas nicht richtig ausgerichtet ist. Die Einbettbarkeit ist neben den Gleiteigenschaften eine Weichphaseneigenschaft. Daher müssen Sie bei der Auswahl der Lagerarten auf die Motoranwendung achten und versuchen zu entscheiden, was für den Motor am wichtigsten ist.

Die Kupfer-/Bleischicht in einem Trimetalllager bietet eine Tragfähigkeit von bis zu 12.000 psi oder mehr und eignet sich gut für Motoren mit einer Leistung von 800 PS oder mehr. Da Kupfer dagegen nicht festfressfest ist, haben Trimetalllager auch eine dünne Schicht aus Babbitt. Diese Schicht ist eine Mischung aus 87 % Blei, 10 % Zinn und 3 % Kupfer. Die Auflage sorgt für Gleitfähigkeit, Fressfestigkeit und Einbettbarkeit. Die Babbitt-Schicht ist normalerweise nur 0,001 bis 0,0005 Zoll dick.

Während Tri-Metall-Lager oft die Wahl für Hochleistungsanwendungen sind, verschleißt die Babbitt-Gleitschicht tendenziell schneller. Es gibt immer einen Kompromiss. Bimetalllager halten zwar ewig und verschleißen nicht, sind aber einer so hohen Belastung wie Kupfer/Blei nicht gewachsen. Für Motorenbauer ist es immer ein Balanceakt, zu entscheiden, welche Eigenschaften für Ihre Anwendung am wichtigsten sind.

Heutige Motorenkonstruktionen treiben neue Denkweisen und Lagermaterialien voran. Beispielsweise gibt es bei Hybridmodellen viel Start-Stopp-Betrieb. Dies verändert das Angebot der Lagerhersteller. Die Hersteller tendieren mehr zu verschleißfesten Materialien als zu dem, was Aluminium bietet. Hersteller fügen dem Aluminium mehr harte Partikel hinzu (z. B. mehr Silizium) oder beschichten die Lager, um den erhöhten Metall-auf-Metall-Kontakt zu bewältigen.

Ein Lagerhersteller gibt an, dass eine hauptsächlich aus Polymeren bestehende Beschichtung des Aluminiumlagers einige positive Vorteile gezeigt hat und derzeit in Produktion ist. Das Verschleißschutzmaterial wird durch Aufsprühen aufgetragen. Diese Polymerbeschichtung enthält auch viele andere Elemente, wie z. B. harte Partikel für die Verschleißfestigkeit und so weiter. Motorenbauer können diese Lager als zusätzliche Versicherungspolice verwenden. Die Stärke des Verschleißölfilms kann ein Problem darstellen.

Da sich die Motorkonstruktionen ständig weiterentwickeln, sind „Design“ und „Herstellung“ immer wichtiger geworden. Dies ist hauptsächlich auf die Steigerung der Motoreffizienz zurückzuführen, die zu höheren Lagerbelastungen und höheren Lagerbetriebstemperaturen bei gleichzeitiger Verwendung von Motorölen mit niedrigerer Viskosität führt. Das Ergebnis war im Allgemeinen eine Verringerung der Ölfilmdicke zwischen Zapfen und Lager. Da die minimale Ölfilmdicke 0,0004 Zoll betragen kann, sind Form (Design) und Fertigungsgenauigkeit von entscheidender Bedeutung, um die Erzeugung stabiler Ölfilme zu unterstützen und die Trennung von Welle und Lager unter allen Betriebsbedingungen sicherzustellen.

Obwohl Qualitätslager über inhärente Eigenschaften verfügen, die eine gewisse Fehlausrichtung ausgleichen (Anpassbarkeit) und vor harten Verunreinigungen im Öl schützen (Einbettbarkeit), kann der Motorenbauer die Haltbarkeit des Lagersystems sicherstellen, indem er genau auf die Vorbereitung der Kurbelwelle und des Gehäuses sowie auf die allgemeine Sauberkeit achtet .

Beim allgemeinen Vergleich von Bimetallen mit Trimetallen ist Vorsicht geboten. Die Materialien müssen ein breites Spektrum an Fähigkeiten ausgleichen, daher können wir nur einen allgemeinen Überblick über die Unterschiede zwischen den beiden Materialfamilien geben. Für einen Sanierungsbetrieb ist es nahezu unmöglich, auf den ersten Blick zu beurteilen, wie sich ein Lager einer Marke in Bezug auf bestimmte Eigenschaften verhalten wird. Lagerexperten sagen, dass es am besten ist, sich auf Lager renommierter, etablierter Marken zu verlassen. Dies garantiert, dass das Material nach den strengsten Haltbarkeitsstandards bewertet und getestet wurde.

Sauberkeit ist das wichtigste Thema beim Einbau von Lagern. Die meisten vorzeitigen Lagerschäden werden durch Honsand, Glasperlen oder andere Rückstände verursacht, die vor der Endmontage nicht aus den Ölkanälen oder ordnungsgemäß abgewaschenen Teilen entfernt wurden. Die beste Methode zum Reinigen von Zylinderblöcken, Kurbelwellen und anderen Motorteilen vor dem Zusammenbau des Motors ist die Verwendung von heißem Seifenwasser und einer guten Auswahl an Borstenbürsten. Denken Sie daran, dass nach einem Umbau verbleibende Rückstände vom Ölsystem aufgenommen werden und zu den Lagern gelangen.

Eine Durchbiegung der Kurbelwelle ist bei Renn- und Hochleistungsanwendungen typisch und kann zu einer Verformung der Pleuelgehäusebohrung und einer geringeren Ölfilmdicke im Vergleich zu Serienmotoren führen. Die weichere Babbitt-Beschichtung ermöglicht es der Lagerfläche, sich leicht mit der Kurbelwelle zu „bewegen“, um ein Festfressen bei hohen Last- und Drehzahlsituationen zu vermeiden, was Trimetalllager zur bevorzugten Wahl für den Aufbau von Leistungs- und Rennmotoren macht.

Eine allgemeine Regel für Lagerspiele liegt bei den meisten Anwendungen zwischen 0,00075 Zoll und 0,0010 Zoll Spiel pro Zoll Wellendurchmesser. In diesem Fall würde ein Wellendurchmesser von 2,000 Zoll ein Lagerspiel von 0,0015 bis 0,0020 Zoll erfordern. Die Verwendung dieser Formel bietet einen sicheren Ausgangspunkt für die meisten Lageranwendungen. Für Hochleistungsmotoren wird empfohlen, 0,0005 Zoll zum durch die obige Berechnung ermittelten Maximalwert zu addieren. Die Empfehlung für eine 2,000-Zoll-Welle würde also zu einem Spiel von 0,0025 Zoll führen.

Exzentrizität ist ein weiterer Faktor, der berücksichtigt werden muss; Dies ist die Dicke des Lagers, wobei die Mitte normalerweise dicker ist als der Bereich in der Nähe jeder Trennlinie. Die Exzentrizität beträgt bei einem Standardlager 0,0002 bis 0,0008 Zoll, im Vergleich zu 0,0006 bis 0,0012 Zoll bei einem Hochleistungslager. Einige Rennlager nutzen die Dicke, um die Bildung des Ölkeils zwischen Lager und Kurbel zu kontrollieren, während andere eine größere Exzentrizität aufweisen, um den Ölfilm bei höheren Drehzahlen aufrechtzuerhalten. Viele Rennkurbeln haben einen größeren Kehlradius an den Seiten der Lagerzapfen, um die Festigkeit zu verbessern. Dies erfordert Lager, die an den Seiten abgeschrägt sind, um den größeren Radius freizugeben.

Bei der Auswahl des richtigen Lagers für Ihre Anwendung sind viele Variablen zu berücksichtigen. Bei den Lagermaterialien und der Auswahl haben wir nur an der Oberfläche gekratzt. Lagerhersteller bieten viele hilfreiche Tipps und Anleitungen zur Auswahl des richtigen Teils für Ihren nächsten Bau. Scheuen Sie sich also nicht, Ihren bevorzugten Lieferanten um Hilfe und Rat zu bitten.