Voorgespannen glijlagers

In (snellopende) dieselmotoren (1970)

Grondboring

In het theoretisch model van de voorgespannen lagering, beschreven op DEZE pagina, hebben we de grondboring - zeg maar, de "rest" van de motor - eenvoudigweg voorgesteld als een dikwandige, oneindig lange cilinder van 1,5 - 2 maal de lagerdiameter. Dat is een vrij grove benadering, want er zijn vele vormvariaties te verwachten. Het carter van een dieselmotor is een complex werkstuk, gegoten of gelast. Verder zijn er de nodige materiaalvariaties denkbaar, zoals gelast staal, gegoten gietijzer, aluminiumlegeringen, zelfs electron (magnesiumlegering).

Gelukkig zijn voorgespannen lagers, met hun dunne en flexibele schaaltjes, relatief klein in vergelijking met de grote klompen van klassieke witmetaallagers. Het vergt dus geen moeizaam passen en meten om ze in een motor in te passen. In tegendeel, ze geven de constructeur meer ruimte en ontwerpvrijheid.

Vormgeving en dimensionering

Primair bij het ontwerp van het motorframe en het carter is vanzelfsprekend de sterkteberekening. Vrijwel net zo belangrijk zijn stijfheid en trillingsdemping. Toegankelijkheid voor onderhoud en/of reparatie van vitale (bewegende) delen scoort goed als derde. De vormgeving van de zône direct rond de krukas, met de daarin geïntegreerde lagerbokken en krachtafleidingen naar de fundatiebouten, beïnvloedt in sterke mate de stijfheid van juist de lagerbokken. Voor het goed functioneren van de voorgespannen lagers van uitzonderlijk belang. De lagerschalen zijn, zagen we elders al, weing vergevingsgezind.

Ik benader in de navolgende beschouwing de vormgeving van binnen uit, begin dus bij het lager zelf.

De fabrikant van de lagerschalen fabriceert schalen in een langzaam oplopende serie nominale standaard-astap-diameters. Het is verstandig om de te gebruiken lagerschalen uit deze standaardserie te kiezen. De series zijn ingedeeld naar de nominale diameter d_nominaal  van de astap. Deze houden we dus als startpunt aan. De fabrikant van de lagerschalen heeft deze een bepaalde wanddikte w  gegeven, en ook dat is voor ons een startgegeven. Zodat we de diameter van de grondboring zo uit de tabellen in de lagerbrochure kunnen halen:

D = d + 2 . w 

Diameter en tolerantie

Op DEZE pagina besprak ik de problemen die kunnen ontstaan wanneer het materiaal van de grondboring een grotere lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt heeft dan de stalen lagerschaal. We zagen dat je in dat geval de grondboring-diameter moet verkleinen met de extra benodigde overmaat, m.a.w., met Δt . Δα

Op de diameter van de grondboring wordt een tolerantie toegestaan volgens tolerantieklasse 6, waarbij de bovenwaarde, de grootste toegelaten diameter, exact gelijk is aan de tabelwaarde D . De onderwaarde, de kleinste toegelaten diameter, is de tolerantiewaarde kleiner. Zie onderstaande Tabel 1. Op deze manier is een extra zekerheid ingebouwd tegen het meedraaien van de lagerschalen in de grondboring.

 

Tabel 1. Tolerantieklasse 6, de toegelaten boven- en onderwaarden bij diverse grondboring-diameters D
Grondboring-diameter D (mm)	10-18	18-30	30-50	50-80	80-120	120-180	180-250	250-315	316-400	400-500
Bovenwaarde  (μm)	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
Onderwaarde  (μm)	-11	-13	-16	-19	-22	-25	-29	-32	-36	-40

Bewerking en ruwheid

Je kunt er natuurlijk niet mee volstaan, de enkele grondboring van één lager als een separate eenheid te bekijken. In het carter ligt een heel rijtje lagerbokken, de krukas moet immers bij elke zuiger ondersteund worden. Dit betekent dat er ook specificaties moeten zijn voor de lijn-tolerantie. De bewerkingsmethode van het carter is hiervoor van cruciaal belang. Best practice is:

• monteer de lagerkappen, haal de kapbouten aan met hetzelfde moment als bij de assemblage toegepast zal worden
• bewerk de binnendiameters voor, met nabewerkingstoegift
• demonteer de lagerkappen en bewerk alle uitsparingen, olietoevoerkanalen, oliegroeven en dergelijke
• monteer de lagerkappen, haal de kapbouten aan met hetzelfde moment als bij de assemblage toegepast zal worden
• bewerk de binnendiameters na

Omdat de lengte tussen de twee eindlagers bij bijvoorbeeld een 6- of 8-cilinder motor aanzienlijk kan zijn, heb je voor dit werk speciaalmachines nodig. Denk bijvoorbeeld aan een lange lijnboorbank waarop de boringen alle tegelijk bewerkt worden. De hoofdspil is een zo dik mogelijke baar met ingezette en nauwkeurig afgestelde toolbits. Een andere mogelijkheid is een sleeschaafbank met voldoende lang bed. Hierop monteer je een hulpfreeskop waarin een mantelkopfrees van de nominale boring-diameter. Hier worden de boringen opvolgend stuk voor stuk bewerkt.

De afwerking van de grondboring geschiedt in de ruwheidsklasse R3. De bewerking die hierbij hoort, zou bijvoorbeeld fijn kotteren, fijn frezen of gewoon slijpen kunnen zijn. De hierbij maximaal toegestane ruwheid, op standaardmanier gemeten, is R_a  = 1,6-3,2 μm. Op de tekening krijgen de te slijpen of kotteren vlakken het bewerkingsteken:

Bouwwijze

In het theoretisch model werd het lager ingeklemd, opgesloten, in een zware cilinder met diameter G=2.D . In werkelijkheid zien de lagerbokken er anders uit. Om de lagers te kunnen monteren, zijn de bokken gedeeld. De deelnaad ligt uiteraard in de hartlijn van de krukas en het deelvlak ligt horizontaal. De voorkomende krachten zijn overwegend naar beneden gericht, ze worden dus door de onderhelften van de lagerbokken opgenomen en naar de fundering afgeleid. De bovenhelften - de lagerkappen - worden hooguit door massakrachten belast. Die moeten opgenomen worden door de aangespannen kapbouten.

Carter van een Stork dieselmotor, circa 1960

Eerst de onderhelft van de constructie. De cylinder waarin de lagerschalen worden gelegd - het lagerhuis - is zelden een echte cilinder. Twee afgeknotte kegels, aan weerszijden van een dikke verticale rib of rug is de meest voorkomende vorm. Om de zijdelingse (axiale) stijfheid te vergroten, kun je onder dit lagerhuis ook langsribben leggen. Essentieel is dat de lagerhuizen voldoende stijf zijn, ook onder maximale belasting. Het is verstandig, de lagerhuizen strikt symmetrisch te houden, zodat bij het aantrekken van de kapbouten geen asymmetrische vervorming kan optreden. Op het deelvlak breng je een vlakke flens aan, waarop de lagerkappen kunnen worden aangetrokken. De flens wordt op hoogte en stand gevlakt, zodat de deling exact op de hartlijn ligt, en dat voor de hele rij lagerbokken.

De lagerkappen leggen de (per lager) twee dunne lagerschalen vast in hun grondboring. De lagerschalen hebben elk een iets grotere (halve) buitenomtreklengte dan de boring, ze steken dus aanvankelijk iets boven (onder) het deelvlak uit. Bij het aantrekken van de kapbouten worden ze samengedrukt tot de juiste voorspanning.

Op DEZE pagina zagen we, dat de lagerschalen van olie worden voorzien vanuit een ringvormig kanaal in de grondboring. Dit ringkanaal moet ruim zijn, zeker wanneer de olie voor de kruklagers OOK hierdoor wordt aangevoerd.

Je ziet in de rechterfiguur ook de uitsparingen, waarin de nokken van de lagerschaal vallen. Deze worden gefreesd, waarbij de maten uit onderstaande Tabel 2 worden aangehouden.

Tabel 2. Afmetingen van de nok-uitsparingen in een grondboring
d  (mm)	< 35	35-75	75-120	120-150	150-200	200-250	250-300
a  (mm)	4	5	7	7	9	12	18
e  (mm)	4	5	7	7	9	12	18
f  (mm)	1,5	1,5	2	2	2,5	2,5	3

Wanneer de lagerkap niet in exact de juiste positie zou worden aangebracht en de kapbouten aangetrokken, dan liggen ook de lagerschalen niet in de juiste positie. Ze zijn immers voor vorm en vormvastheid helemaal afhankelijk van hun directe ondersteuning. Misplaatsing mag vanzelfsprekend niet voorkomen. Daarom worden de kappen voorzien van paspennen, of pasbouten, of pasranden. De laatste hebben het voordeel van meerdere duurzaamheid; paspennen en -bouten zijn gevoeliger voor montagefouten, zeker na herhaaldelijke revisies. De kapbouten worden aangehaald met een torsie (meet) sleutel, zodat ze precies op de gewenste (berekende) spanning staan.

De vorm van de lagerkappen is in sterke mate bepalend voor hun stijfheid. Maar ook de vorm en vlakheid van de top van de lagerbok speelt een belangrijke rol. Bij het aanhalen van de kapbouten - in voorgeschreven volgorde - mogen hoegenaamd geen vervormingen van de grondboring ontstaan - die zouden direct doorwerken in de lagerschalen.

Enkele constructieve mogelijkheden voor het pasleggen van lagerkappen

1. kap heeft twee pasbouten, een aan elke kant van de as
2. kap heeft vier bouten, twee zijn pasbouten
3. kap heeft twee pf vier bouten, alle met speling, en twee paspennen
4. kap heeft twee of vier bouten, alle met speling, en twee aanslagranden

Een goed ontworpen lagering van de krukas