DK170811B1 - Stempelmotor med en krumtapaksel, der er lejret i hovedlejer - Google Patents

Description

i DK 170811 B1

Opfindelsen angår en stempelmotor, navnlig en stor totakts dieselmotor, med en krumtapaksel, der er lejret i hovedlejer, hvis nedre lejehuspart er integreret i motorens bundramme og øvre lejehuspart er spændt således 5 ned mod bundrammen, at den i huset monterede lejemetal-bærende lejeoverskal og lejeunderskal udøver et radial-tryk rettet ud mod lejehuset, hvilket radialtryk sikrer lejeunder- og overskallen mod bevægelse i forhold til lejehuset, og hvor lejeskallerne er tyndskaller.

10 En sådan motor med hovedlejerne udformet som tyndskalslejer kendes især fra mediumspeed firtaktsmotorer. Med et tyndskalsleje forstås sædvanligvis et leje, hvor lejeskallens tykkelse andrager fra 1,5 til 3% af diameteren af den aksel, der skal understøttes af 15 lejet. Tyndskalslejets traditionelle kendetegn er, at lejeskallen skal være understøttet af lejehuset over hele skallens aksiale udstrækning, idet selve lejeskallens tykkelse ikke er tilstrækkelig til, at skallen kan understøtte lejemetallet og dermed glidefladen mod de 20 dynamiske påvirkninger, som forekommer under motorens gang.

Derudover har det traditionelt udformede tyndskals-hovedleje den ulempe, at den øvre og nedre lejehuspart skal være samlet, når lejehuset bores ud til den ønskede 25 dimension. Ved store totaktsmotorer er denne udboring meget omkostningskrævende at udføre, fordi bundrammen er meget stor og tungt håndterlig. Efter udboringen kan tyndskallerne monteres i lejehuset.

Fransk patent 1 299 038 beskriver et tyndskalsleje 3 0 til en lille motor med et krumtaphus af aluminium. Motoren er af den type, hvor den øvre lejehuspart er integreret i krumtaphuset, og den nedre lejehuspart er en aftagelig, separat del. Den nedre lejehuspart er af støbejern, hvilket giver lejehuset den fornødne styrke.

35 For at kunne foretage en præcis og helt cylindrisk 2 DK 170811 B1 udboring af alle motorens hovedlejer er den nedre støbejernspart foret med en tynd mellemskal af aluminium, som tillader, at boringen udelukkende foregår i aluminium. Mellemskallen er blød og understøtningen af 5 lejeskallen sker ved hjælp af den nedre støbejernspart.

Ved motorer, der kører med højt omdrejningstal i forhold til belastningen, fx fordi motoren driver en akselgenerator eller en CP-propeller, kan inertikræfterne blive dominerende på akslen, så akselsølen har 10 tendens til at bevæge sig rundt i huset og indimellem skubbe til den øvre lejehuspart, hvilket nødvendiggør en meget præcis positionering og fastholdelse af tyndskalslejets øvre lejehuspart i forhold til den nedre part. I de kendte firtaktsmotorer er dette opnået med 15 vandrette stagbolte, som trækker en lodret flade på hver side af den øvre lejehuspart an mod tilhørende anlægs-flader på bundrammen. Monteringen af de vandrette stagbolte er tidskrævende og sætter specielle krav til udformningen af bundrammen. Alternativt er det kendt at 20 lejehusets overpart ved fastspændingen positioneres ved indkiling i præcist bearbejdede skråflader på motorens bundramme. Dette stiller dog høje krav til bearbejdningstolerancer på bundrammen, der som nævnt er en meget tungt håndterlig enhed.

25 I store totaktsmotorer er hovedlejerne normalt udformet som tykskalslejer, hvormed forstås et leje, hvor lejeskallens tykkelse andrager over 4,5% af diameteren af den aksel, der skal understøttes af lejet. Lejeskallen i tykskalslejet er tilstrækkelig tyk og 30 dermed stiv til at understøtte glidefladen mod de forekommende dynamiske påvirkninger, også selv om lejeskallen rager ud over lejehuset. Det er vanskeligt at tilvejebringe en tilstrækkelig god fastholdelse af lejeskallerne ved disses deleflader, og tykskalslejer 3 DK 170811 B1 anvendes derfor som oftest kun i hovedlejer, hvor den øvre lejehuspart ikke belastes af akselsølen.

Uanset lejetypen er det af betydning, at lejeskallen er hindret i bevægelse i forhold til lejehuset, idet 5 selv ganske små relative bevægelser mellem lejehuset og skallen kan fremkalde såkaldte frettingskader på kontaktfladerne mellem de indbyrdes bevægelige dele, dvs. en disintegration på mikroniveau af fladernes materiale. Låsningen mellem hus og skal sker ved en 10 trykbelastning af skallen, så den udøver et udadrettet radialtryk mod anlægsfladen på huset, hvilket frembringer en stationær friktionskraft af en sådan størrelse, at delene er låst til hinanden.

Ved tykskalslejer frembringes radialtrykket ved, 15 at den øvre lejehuspart ved hjælp af lejetappene spændes ned mod bundrammen, så at lejeoverskallen gennem de sammenhørende deleflader trykkes ned mod lejeunder-skallen. Tykskallen er så tyk og stiv, at spændingsniveauet i lejeskallerne styres af størrelsen af 20 lejetappenes tilspændingsmoment. Selve undersiden af den øvre lejehusparts radialt udragende flanger er stort set ubelastede i lejets monterede stilling.

Ved tyndskalslejer frembringes radialtrykket også ved, at den øvre lejehuspart spændes ned mod bundrammen 25 under samtidig sammentrykning af lejeover- og underskallerne, men sammenspændingen sker endvidere således, at den øvre husparts flangeundersider trykkes hårdt an mod opadvendende flader på den nedre huspart for at fiksere den øvre huspart.

30 Opfindelsen har til formål at anvise en stempelmo tor, hvis hovedlejer er udformet som tyndskalslejer, der besidder tykskalslejernes fordele, men ikke disses ulemper.

Dette opnås ved, at stempelmotoren ifølge op-35 findelsen er ejendommelig ved, at i det mindste leje- 4 DK 170811 B1 underskallen på i for for sig kendt vis er monteret i en mellemskal, der som en separat skal ligger mellem den tilhørende lejeskal og lejehusparten, og mellemskallen har tilstrækkelig stivhed til selvstændigt at under-5 støtte den tilhørende lejeskal over en del af dennes aksiale længde.

Kravene til fiksering af lejehusets overpart er væsentlig mindre end ved de traditionelle tyndskals-lejer, fordi mellemskallen sammen med lejeskallen har 10 en egenstivhed, der er sammenlignelig med stivheden af lejeskallen i et tykskalsleje. I modsætning til ved et tykskalsleje, hvor lejematerialet er udstøbt på den bærende skal, kan lejeskallen med lejematerialet forspændes uafhængigt af mellemskallen, og det er 15 således muligt uden overbelastning af lejetappene at trykforspænde lejematerialet til væsentligt højere niveau end ved tykskalslejerne, hvilket kan udnyttes til at udsætte lejet for større specifikke belastninger, eventuelt samtidig med anvendelse af et mere avanceret 20 lejemateriale end hvidmetal.

Da mellemskallen giver en præcis fastholdelse af tyndskallerne, er det ikke længere påkrævet at spænde lejehusets overpart ned til fast anlæg mod husets underpart for at opnå en sådan fiksering af lejeover-25 skallen, at lejet også kan optage opadrettede kræfter fra akselsølen. Det er heller ikke længere nødvendigt at foretage en udboring af det samlede hus, inden lejeskallerne monteres. Begge disse forhold giver en væsentlig forenkling af bundrammens fremstilling.

30 Der opnås også den fordel, at eksisterende tyk- skalshovedlejer i store totaktsmotorer uden videre kan ombygges til et tyndskalshovedleje ifølge opfindelsen ved at udskifte de brugte tykskaller med tyndskaller med tilhørende mellemskaller. Ved at anvende andet lejemetal 35 end hvidmetal kan de således renoverede lejer uden 5 DK 170811 B1 ændring af lejehusets dimensioner belastes med et større specifikt lejetryk, så motorens maksimaleffekt kan sættes op. Hvis det vælges at holde effekten og de øvrige motorparametre uændrede, får hovedlejerne i 5 stedet en fordelagtigt større sikkerhedsmargin.

I en foretrukken udførelsesform rager lejeunder-skallen og den tilhørende mellemskal aksialt ud fra den nedre lejehuspart i det mindste på den ene side af lejehuset. Tyndskalslejet understøttes dermed af et 10 lejehus, der er kortere end lejet selv. De udragende lejeskaller forbedrer adgang til og pladsforhold for kontrol og vedligehold af hovedlejerne, men den væsentligste fordel ligger i, at lejets aksialt yderste stykke, der ikke er understøttet af lejehuset, er mere 15 fleksibel end den øvrige del af lejet og giver som følge heraf en meget fordelagtig mulighed for at undertrykke kanttryk fra hovedlejesølen, fordi det yderste stykke bøjes nedad af kanttrykket, så lejebelastningen bliver mere ensartet og kantkræfterne bæres over et større 20 lejeareal. Kanttryk forekommer, når krumtapakslen udbøjer, eksempelvis fordi der på den ene side af lejet er monteret en tung masse på akslen.

Hvis kanttrykket skyldes, at plej Istængernes påvirkning på krumtapakslens bugte giver udbøjning af 25 akslen, vil der forekomme kanttryk ved begge ender af lejet og belastningerne på hovedlejerne kan så hensigtsmæssigt udjævnes ved, at lejeunderskallen og den tilhørende mellemskal rager hovedsageligt lige langt aksialt ud på hver side af lejehuset.

3 0 Med opfindelsen er det muligt at anvende de fordelagtige tyndskalshovedlejer i motorer, hvor hovedlejelængden nødvendigvis skal være større end længden af lejehuset, fordi den mindste afstand mellem to nabokrumtaparme hørende til hver sin krumtapbugt er 35 mindre end hovedlejesølens længde. Lejehusets bredde er 6 DK 170811 B1 her begrænset af den nævnte mindste afstand, og de ud af lejehuset ragende lejeunderskalier med tilhørende mellemskaller kan først monteres, når krumtapakslen er sænket næsten på plads i hovedlejerne, ved at skallerne 5 aflægges på hovedlejesølernes overside og drejes ned på plads i den nedre lejehuspart.

De dynamiske belastninger i en motor kan vise sig at have en sådan karakter, at hovedlejesølens og lejets længdeakser danner en lille vinkel i forhold til 10 hinanden, hvilket giver store kantbelastninger på lejerne. Som supplement eller alternativ til anvendelsen af specielle lejematerialer, kan der ifølge opfindelsen på enkel vis kompenseres for disse specielle driftsforhold, ved at mellemskallen hensigtsmæssigt fra et 15 centralt afsnit, der er understøttet af lejehusets inderside og fortrinsvis har mindre aksial udstrækning end lejehuset, går over i et endeafsnit, hvor skaltykkelsen falder i retning mod skallens aksiale ende. Derved bliver lejets endeafsnit passende fleksibelt til 20 at kunne optage påvirkningerne fra sølen med en tyndskal med samme slags lejemateriale som i de resterende hovedlejer i motoren, hvilket også letter vedligehold på motoren.

Sikkerheden mod frettingskader på hovedlejerne kan 25 øges, ved at både mellemskallen og den tilhørende lejeskal i en foretrukken udførelsesform er fremstillet med en forudbestemt overlængde i omkredsretningen, og at lejeskallen har et større forhold mellem sin overlængde og middelomkreds end mellemskallen. Den større 30 relative overlængde på lejeskallen kompenserer for, at lejeskallen har mindre tykkelse end mellemskallen, så det radialrettede fladetryk mellem skallerne indbyrdes bliver sammenligneligt med det radialrettede fladetryk mellem mellemskallen og lejehuset. Forspændingskraften 7 DK 170811 B1 i lejetappene anvendes dermed bedst muligt til at sikre mod frettingskader.

I en særlig enkel udførelsesform er mellemskallen i overparten erstattet af en husoverpart med tilsvarende 5 mindre indre diameter, så lejeoverskallen ligger direkte an mod den øvre lejehuspart, der forspænder underpartens mellemskal ved at presse nedad på dennes opadvendende deleflader.

Når hovedlejerne har to mellemskaller foretrækkes 10 det, at disses deleflader ligger forsat i omkreds-retningen i forhold til delefladerne mellem de to lejeskaller og fortrinsvis også i forhold til de nedadvendte endeflader på den øvre lejehuspart. Den indbyrdes forskydning af delefladerne i de radialt uden 15 på hinanden beliggende lejeelementer, giver hovedlejet en stærkt forbedret evne til at optage vandrette tværgående kræfter, fordi delefladerne låses indbyrdes og vandret skridning i delefladerne hindres. Uden ydre fiksering har dette hovedleje dermed væsentlig større 20 tværstivhed end de kendte tyndskals- og tykskalslejer.

Låsning af mellemskallens delef lade og tilvejebringelse af den store tværstivhed uden ydre fikseringsorganer kan også ved en hensigtsmæssig enkel udførelses-form opnås ved, at den nedre mellemskals deleflade er 25 geometrisk låst i radialretningen i forhold til den tilhørende anlægsflade på enten den øvre mellemskal eller på den øvre lejehuspart, fortrinsvis ved at delefladen er kileformet.

Lejemetal i form af tin-aluminiumlegeringer kan 30 ikke anvendes i tykskalslejer i store totakts motorer, fordi legeringen ikke kan støbes ud på lejeskallen, men kun fastgøres på skallen ved pårulning under stort tryk eller ved eksplosionspålægning. Begge metoder kræver at pålægningen sker på et plant udgangsemne, der efter-35 følgende bukkes til en krum lejeskal. Ved de store DK 170811 B1 s tykskalslejer er det ikke realisabelt at foretage den afsluttende opbukning.

Lejeskallen ved opfindelsen er selv ved store lejer tilstrækkelig tynd til at tillade opbukningen, hvilket 5 hensigtsmæssigt kan udnyttes til som lejemetal at anvende en tin-aluminiumlegering, der udmærker sig ved at have højere udmattelsesstyrke og at kunne tåle større lejebelastning end hvidmetal, men at bevare dettes fine giideegenskaber.

10 Eksempler på udførelsesformer for opfindelsen forklares herefter nærmere med henvisning til den meget skematiske tegning, hvor fig. 1 viser et sidebillede af et hovedleje i en første udføreIsesform ifølge opfindelsen, 15 fig. 2 et udsnit af hovedlejets enkelte elementer i området omkring delefladerne mellem over- og underparterne, fig. 3 et afbildning svarende til fig. 1 af en anden udførelsesform, 20 fig. 4 og 5 afbildninger svarende til fig. 2 af henholdsvis en tredie og en fjerde udførelsesform, og fig. 6-9 længdesnit gennem fire eksempler på udformninger af lejeskaller ifølge opfindelsen.

I fig. 1 ses et generelt med 1 betegnet hovedleje 25 til en stor totakts dieselmotor, hvor hovedlejerne bærer en ikke vist krumtapaksel. Som det bedst ses af fig. 2 er lejets stort set cirkulærcylindriske glideflade 2 dannet af indersiden af to tynde lejeskaller 3, 4, der ligger an mod hinanden i to deleflader 5, 6. Lejeskal-30 lerne er tyndskaller og er oftest fremstillet af et bæremateriale såsom stål, der på indersiden er pålagt lejemetal 3', 4'. På tegningen er overgangen mellem bærematerialet og lejemetallet 3' illustreret ved en fuldt optrukket linie, men det skal forstås, at de to 35 materialer hænger sammen som en enhed. Hvis der anvendes 9 DK 170811 B1 en tin-aluminiumlegering som lejemetal, kan det være pålagt ved valsning og hvis lejemetallet er hvidmetal eller bly-bronze kan det være støbt på bærematerialet.

Selve lejeskallerne 3, 4 har ikke tilstrækkelig 5 styrke til at modstå kraftpåvirkningerne fra akselsølen. Lejeskallerne afstives derfor over hele deres aksiale længde af mellemskaller 7, 8, der ligesom lejeskallerne har cylindrisk facon med halvcirkelformet tværsnit.

En nedre lejehuspart 9 er tildannet direkte i 10 motorens bundramme 10, så den nedre mellemskal simpelt hen er lagt direkte ned i bundrammens lejeudboring. En øvre lejehuspart 11 er spændt ned mod bundrammen 10 ved hjælp af lejetappe 12, der kan være bolte eller gevindstænger med møtrikker. Den nedre ende af lejetap-15 pene 12 er indskruet i opadvendende gevindhuller i bundrammen, og lejetappene frembringer en holdekraft, der er tilstrækkelig stor til at trykforspænde lejeskallerne 3, 4 til det ønskede niveau.

I tværretningen styres den øvre lejehuspart gennem 20 anlæg mod opadgående styreflader 13 på bundrammen. En olietilgangsåbning i den øvre part står i forbindelse med et olierør 14 for smøring af lejet.

Mellemskallen kan være aksialt fikseret i forhold til lejeskallerne ved hjælp af en tap 15, der er 25 fikseret til mellemskallen ved hjælp af en bolt 16, og som rager ud i en udsparing 17 i et radialt ydre parti af lejeskallerne.

Ved de nedenfor beskrevne udførelsesformer anvendes kun nye henvisningstal i det omfang elementerne afviger 30 fra udførelsesformen vist i fig. 1 og 2. I udførelsesformen vist i fig. 3 er den øvre mellemskal udført ud i ét med en øvre lejehuspart 11' . Dette er muligt, fordi den øvre mellemskal ofte i det væsentlige kun tjener til at trykbelaste den nedre mellemskal, så denne 35 kan bære den tilhørende lejeskal.

10 DK 170811 B1

Som vist i fig. 4 kan mellemskallerne 7, 8 og lejeskallerne 3, 4 drejes således i forhold til hinanden, at delefladerne 6' mellem de to mellemskaller ligger forsat i omkredsretningen i forhold til delefla-5 derne 6 mellem de to lejeskaller og eventuelt også i forhold til delefladerne 6'' mellem lejehusparterne.

Det ses umiddelbart, at mellemskallerne i denne stilling hindrer en udadgående radial forskydning af de to lejeskaller i forhold til hinanden, hvilket giver 10 hovedlejet usædvanlig stor stivhed i delef ladernes plan.

Stivheden i radial retning ved delefladen kan også opnås ved at mellemskallens deleflade i sig selv er geometrisk låst mod radialforskydning. Som vist i fig.

5, kan den nedre mellemskal 7' have en kileformet 15 recess 20 i sine opadvendende deleflader. Den tilhørende deleflade på den øvre mellemskal 8' har et kileformet fremspring 21, hvis skrå flader passer således ind i recessen 20, at de sammenspændte mellemskaller 7' og 8' er geometrisk låst til 20 hinanden i radialretningen. Der kan også anvendes andre sammenhørende faconer, som frembringer geometrisk låsning, fx en tap til indføring i et hul på den modstående skal eller egentlig fortanding. Den geometriske låsning giver så god fiksering af skallen, at 25 størrelsen af forspændingskraften kan mindskes, hvilket enten kan føre til mindre dimensioner på lejetappene eller til øget driftssikkerhed for lejet.

Fig. 4 viser lejet i samlet tilstand inden lejetappene 12 spændes. Den øvre og nedre lejeskal 3, 4 30 ligger an mod hinanden ved delefladen 6. Ved delefladen 6' mellem mellemskallerne 7, 8 er der et luftgab med størrelsen a1 i radial retning. Når lejetappene 12 spændes, vil husets øvre part 11 spændes ned indtil mellemskallerne 7, 8 er forspændt til det ønskede 35 niveau. Samtidig trykkes lejeskallerne sammen, så disse

Claims (9)

11 DK 170811 B1 trykbelastes. Lejeskallerne har således en overlængde i omkredsretningen, der stort set svarer til summen af mellemskallernes overlængde og afstanden a1. Mulighederne for at variere den aksiale længde af 5 lejeskallerne lg i forhold til den aksiale længde af lejehuset 1^ er illustreret i fig. 6-9. Fig. 6 viser en udformning, hvor lejeskaller og hus har samme længde, og hvor den øvre mellemskal er integreret i husets overpart 11' . Hvis en sådan overskal anvendes i et leje, 10 hvor lejeskallen rager ud fra husets nedre part, bør den øvre huspart have tilsvarende større længde umiddelbart op til den øvre lejeskal 4, eksempelvis ved, at den øvre huspart har et udragende parti i området op til lejeskallen. 15. fig. 7 og 8 er lejeskallernes længde 1 større O end husets længde 1^, og skallerne er monteret således i huset, at de rager aksialt ud henholdsvis til lejehusets ene side (fig. 7) og ligeligt på hver side af lejehuset 9 (fig. 8). 20. fig. 9 er den nedre lejeskal 7'' gjort ekstra fleksibel ved at skaltykkelsen i et endeafsnit 18 falder i retning mod mellemskallens aksiale ende 19. Motoren ifølge opfindelsen kan også være en større firtaktsmotor, hvor hovedlejerne er så store, at et 25 sædvanligt tyndskalsleje ikke kan anvendes.

1. Stempelmotor, navnlig en stor totakts dieselmotor, med en krumtapaksel, der er lejret i hovedlejer (1), hvis nedre lejehuspart (9) er integreret i 30 motorens bundramme (10) og øvre lejehuspart (11;11') er spændt således ned mod bundrammen, at den i huset monterede lejernetalbærende lejeoverskal (4) og leje-underskal (3) udøver et radialtryk rettet ud mod lejehuset, hvilket radialtryk sikrer lejeunder- og overskallen 12 DK 170811 B1 mod bevægelse i forhold til lejehuset, og hvor lejeskallerne (3,4) er tyndskaller, kendetegnet ved, at i det mindste lejeunderskallen (3) på i og for sig kendt vis er monteret i en mellemskal (7) , der som en 5 separat skal ligger mellem den tilhørende lejeskal (3) og lejehusparten (9) og yderligere har tilstrækkelig stivhed til selvstændigt at understøtte den tilhørende lejeskal (3) over en del af dennes aksiale længde.

2. Stempelmotor ifølge krav 1, kendeteg- 10. e t ved, at lejeunderskallen (3) og den tilhørende mellemskal (7) rager aksialt ud fra den nedre lejehus-part (9) i det mindste på den ene side af lejehuset.

3. Stempelmotor ifølge krav 2, kendetegnet ved, at lejeunderskallen (3) og den tilhørende 15 mellemskal (7) rager hovedsageligt lige langt aksialt ud på hver side af lejehuset.

4. Stempelmotor ifølge krav 2 eller 3, kende -tegnet ved, at mellemskallen (7'') fra et centralt afsnit, der er understøttet af lejehusets (9) inderside 20 og fortrinsvis har mindre aksial udstrækning end lejehuset, går over i et endeafsnit (18), hvor skaltykkelsen falder i retning mod skallens aksiale ende (19) .

5. Stempelmotor ifølge et af de foregående krav, kendetegnet ved, at både mellemskallen 25 (7,8;7',8') og den tilhørende lejeskal (3,4) er fremstillet med en forudbestemt overlængde i omkredsretningen, og at lejeskallen har et større forhold mellem sin overlængde og middelomkreds end mellemskallen.

6. Stempelmotor ifølge et af de foregående krav, 30 kendetegnet ved, at lejeoverskallen (4) ligger direkte an mod den øvre lejehuspart (11'), og at den øvre lejepart forspænder underpartens mellemskal (7) ved at presse nedad på dennes opadvendende deleflader (6) . 13 DK 170811 B1

7. Stempelmotor ifølge et af kravene 1 - 5, k e n -detegnet ved, at delefladerne (6') mellem de to mellemskaller (7,8) ligger forsat i omkredsretningen i forhold til delefladerne (6) mellem de to lejeskaller 5 (3,4) og fortrinsvis også i forhold til de nedadvendte endeflader (6'') på den øvre lejehuspart.

8. Stempelmotor ifølge et af de foregående krav, kendetegnet ved, at den nedre mellemskals (7') deleflade er geometrisk låst i radialretningen i 10 forhold til den tilhørende anlægsflade på enten den øvre mellemskal (8') eller på den øvre lejehuspart, fortrinsvis ved at delefladen er kileformet.

9. Stempelmotor ifølge et af de foregående krav, kendetegnet ved, at lejeskallernes (3,4) 15 lejemetal er en tin-aluminium-legering, og at mellemskallen (7,8) fortrinsvis er af stål.