Blog

Oct 29, 2023

Einfluss von Motorlagern auf die Leistung

Wenn eine Vielzahl schwerer, sich schnell bewegender Teile zusammenarbeiten

Wenn eine Vielzahl schwerer, sich schnell bewegender Teile zusammenarbeiten, um wahnsinnige PS-Leistungen zu erzeugen, entsteht im Inneren des Motors eine ziemliche Belastung. Die Hälfte des Kuchens besteht darin, alles zu tun, um ausreichend Strom zu erzeugen. Die andere Hälfte sorgt dafür, dass Strom zuverlässig bereitgestellt und erzeugt wird. Motorlager sind dabei eine Schlüsselkomponente.

Die Aufgabe von Motorlagern besteht darin, unangenehme Metall-auf-Metall-Kontakte zu verhindern und andere Teile und Teile während des normalen Motorbetriebs vor Verschleiß zu schützen. Lager müssen extremer Beanspruchung standhalten und dazu beitragen, die Haltbarkeit des Motors insgesamt zu verbessern.

Allerdings muss ein Motorenbauer viele Überlegungen anstellen, wenn er sich für den richtigen Satz Motorlager für seine jeweiligen Anwendungen entscheidet – Ermüdungsfestigkeit, Ausgewogenheit der hin- und hergehenden Baugruppe, Schmierung, Drehzahlgrenzen, Hitze, Einbettbarkeit und Korrosionsbeständigkeit - um ein paar zu nennen.

Da Hochleistungsrennanwendungen und der Bau leistungsstarker Motoren ständig neue Maßstäbe setzen, treten heute mehr denn je neue Probleme auf, an die man sich anpassen muss. Beispielsweise spielen Computer und Tuner heute eine viel bedeutendere Rolle bei der Verbreiterung der Motorsteuerzeiten, der Einspritzimpulse und der Turboverstärkung. Daran ist grundsätzlich nichts auszusetzen, aber eine übermäßige Aufladung von Motoren und deren Programmierung, über einen konstanten Zeitraum an der Drehzahlgrenze zu laufen, kann letztendlich zu Torsionsvibrationen der Kurbelwelle (Kurbelflex) führen. Dies stellt dann ein Problem für die Lager dar.

Heutzutage muss ein Lager (im Leistungseinsatz) sowohl hart als auch weich sein. Die Beibehaltung der Geometrie ist von größter Bedeutung, aber sie muss auch formbar sein und sich an Belastung und Biegung anpassen können. Der wichtigste Teil zur Minimierung des Risikos eines Anfalls ist die Auswahl des richtigen Lagermaterials.

„Für moderne Motoren gibt es zwei grundlegende Familien von Lagermaterialien – auf Kupferbasis (bekannt als Trimetalle) und auf Aluminiumbasis (bekannt als Bimetalle)“, sagt Mike Scott von der ACL Bearing Company. „Die Grundvoraussetzung für Lagerlegierungen ist ihre Zähigkeit. Dabei handelt es sich um die Fähigkeit, hohen Belastungen standzuhalten, verbunden mit weichen, festfresssicheren Eigenschaften, die es dem Lager ermöglichen, sich an schwierige Betriebsbedingungen anzupassen und diese zu absorbieren.“

Trimetalle sind starke Auskleidungen aus Kupfer- und Bleilegierungen mit einer dünnen Schicht aus galvanisiertem Babbitt. Diese vereinen hohe Festigkeit mit den weichen und fehlerverzeihenden Eigenschaften des Overlays. Die Anpassung der relativen Dicken der Schichten und ihrer Metallurgie ermöglicht ein gewisses Maß an Optimierung, sodass bei Anwendungen mit mäßiger Belastung eine gute Festigkeit zusammen mit hervorragenden Anti-Fressen-Eigenschaften bereitgestellt werden kann, was eine robuste Lösung für Standardumbauten darstellt, insbesondere wenn OE-Standards gelten Für Technik und Sauberkeit kann keine Gewähr übernommen werden.

Für Hochleistungsanwendungen kann eine sehr hochfeste Auskleidungsschicht mit einer robusten Auflage kombiniert werden, um extreme Belastungen bei der Interaktion zwischen Welle und Lager zu unterstützen.

Bimetalle sind Auskleidungen aus einer Legierung auf Aluminium-Zinn-Basis mittlerer Festigkeit, die vielseitig einsetzbar sind, so dass keine Auflage erforderlich ist. Das Ausbalancieren von Festigkeit und Anti-Fressen-Eigenschaften in einer einzigen Legierung ist jedoch immer ein Kompromiss. Bimetalle, die stark sind, haben tendenziell deutlich geringere Antifresseigenschaften und umgekehrt. Dadurch eignen sie sich für Anwendungen, bei denen die Betriebsbedingungen moderat und vorhersehbar sind. Darüber hinaus zeichnen sich diese Materialien durch eine hervorragende Haltbarkeit aus. Aus diesen Gründen sind sie bei OEMs sehr beliebt.

Offensichtlich sind Trimetalle aufgrund ihrer erhöhten Anti-Fressen-Eigenschaften die erste Wahl für alles, was mit der Leistung zu tun hat. Allerdings stehen Bauherren bei der Wahl der passenden Lager eine Vielzahl unterschiedlicher Möglichkeiten zur Auswahl. Viele von ihnen haben Beschichtungen hinzugefügt, ein Trend, der in den letzten Jahren noch zugenommen hat.

Bei extremen Hochleistungsanwendungen ist es grundsätzlich unmöglich, die Spiele so zu kontrollieren, dass eine vollständige Trennung von Lager und Kurbelwelle erfolgt. Hohe Belastung und hohe Drehzahlen bedeuten einen hohen Energiekontakt, der wiederum zu Leistungsverlust und Überhitzung führt. Heutzutage sind Lager so gut konstruiert, dass ein reibungsarmer Kontakt dauerhaft gewährleistet ist. Beschichtungen können jedoch die Reibung und den Leistungsverlust weiter reduzieren.

ACL fertigt seine Trimetalllager mit einer 0,00025"-0,00030" Calico-Beschichtung, die für intermittierende Trockenschmierung sorgt. CT-1-Beschichtungen reduzieren Reibung und Luftwiderstand und erhöhen die Tragfähigkeit. Unter normalen Bedingungen halten Hochleistungslagerauflagen etwa 12.000 psi stand. Mit CT-1 beschichtete Lager erhöhen diese Belastbarkeit auf 180.000 psi. Beschichtungen werden zunehmend auch auf Bimetalllagern eingesetzt, die in OE-Start-/Stopp-Motoren zu finden sind.

„King entwickelt ein bimetallbeschichtetes bleifreies Lager (PL), um viele der bleihaltigen Trimetalllager (CP) zu ersetzen“, sagt Ron Sledge von King Engine Bearings. „Dies ist eine Reaktion darauf, dass viele neue OE-Motoren mit beschichteten Bimetalllagern auf den Markt kommen, die in Stopp-Start-Motoren verwendet werden. Die verschiedenen Arten von Beschichtungen verleihen der Lageroberfläche reibungsmindernde Eigenschaften und verhindern so Lagerschäden bei einem möglichen Verlust.“ Öldruck.

King ist auch eines der wenigen Unternehmen, das bleifreie Tri-Metall-Lager anbietet, eine neue Version von King.

„Motorlager müssen mit den höheren Belastungen Schritt halten, die mit der Entwicklung von Zylinderköpfen und großen Turbos einhergehen“, sagt Sledge. „King hat kürzlich ein neues Tri-Metall-Lager mit Silbermatrix-Overlay herausgebracht, das in unbeschichteten (SV) und beschichteten (GPC) Varianten erhältlich ist. Diese Materialien haben den Vorteil einer um 30 % höheren Ermüdungsfestigkeit gegenüber Kings Haupt-Tri-Metall-Lagern (XP, XPC). Zu den Anwendungen gehören Dieselmotoren, Sprintautos und leistungsstarke Erstausrüstermotoren.“

Während bleifreie Motorlager (und andere bleifreie Metallkomponenten) aufgrund von Umweltvorschriften und -gesetzen wahrscheinlich bald an Bedeutung gewinnen werden, weist Blei als Lagermaterial viele wünschenswerte Eigenschaften auf. Einer davon ist, dass Blei „lipophil“ ist – es hat eine Affinität zu einigen Arten von Ölen –, wodurch die Oberflächenspannung gesenkt und die Lageroberfläche „benetzbarer“ wird.

Dies macht Blei zu einer guten Ergänzung in Hochleistungs-Trimetall-Lagerkonfigurationen. Wenn Blei allein nicht ausreicht, sind die leistungsstärksten Motoren tendenziell mit Blei-Indium-Lagern ausgestattet. Ein normales Trimetalllager besteht aus einer Deckschicht aus Kupfer, Zinn, Blei, einem Bronzesubstrat (Kupfer/Blei), einer Stahlunterlage und einer dünnen Nickelbarriere, um zu verhindern, dass das Zinn chemisch in das Substrat wandert. Wenn Indium ins Spiel kommt, werden sowohl die Festigkeit als auch die Lebensdauer des Lagers beeinträchtigt.

„Unsere H-Lager bestehen aus einem Kupfer/Zinn/Blei-Substrat und sind 20–30 % stärker“, sagt Dan Begle von MAHLE. „Der H ist ein härterer Belag und darauf ausgelegt, viele Kilometer auf der Straße zurückzulegen und gleichzeitig steif zu bleiben. Daher sind sie gut für jemanden, der vielleicht Bracket-Rennen fährt und sein Rad erst am Ende der Saison abreißt.“

„Unsere V-Lager sind etwas, das man vielleicht bei einem NHRA-Rennfahrer sieht, bei dem die Langlebigkeit des Lagers nicht so wichtig ist, da die Ölwanne häufig entfernt wird, um die Lager zu inspizieren. Diese Lager bestehen aus Blei-Indium und sind wesentlich weicher.“ und biegsamer, um eine Bewegung des Overlays zu ermöglichen. Wenn Sie viel Kurbelflexion haben, ist diese Bewegung sehr hilfreich, während die Form erhalten bleibt.“

Letztendlich ist es für Motorenbauer wichtig, sich mit einem Lagerhersteller zu beraten, bevor sie sich auf Motorlager einlassen. Auch wenn sie wie die einfachsten Teile eines leistungsstarken Motors aussehen, sorgt die Zeit für die Erforschung der bestmöglichen Anwendung dafür, dass der Motor gesünder ist und die Wahrscheinlichkeit von Ausfällen geringer ist.EB