Gleit-Zeit!

DIE ARBEIT AM LAGER – EINE FRAGE VON WERKSTOFFEN, LEGIERUNGEN UND LAUFSCHICHTEN

Gleitlager im Motor haben neben ihrer eigentlichen Funktion – der Lagerung sich bewegender Teile – noch eine weitere wichtige Aufgabe: die Aufnahme und das Einbetten des Abriebs. Dieser Abrieb entsteht beim normalen Motorbetrieb und besteht aus Teilen, die so klein sind, dass sie nicht über den Ölfilter separiert werden können, die jedoch groß genug sind, um – wenn sie nicht eingebettet werden – zu erhöhtem Verschleiß zu führen. Diese Schlüsselfunktion des Gleitlagers für Rundlauf und verschleißarmen Betrieb des Motors bedingt eine besondere Konstruktion.

Die Gleitlager im Motor unterliegen mehreren verschiedenen Reibungszuständen. Aus diesem Grund sind sie so aufgebaut, dass sie der verschleißintensiven Mischreibung, die beim Kaltstart des Motors herrscht, ebenso standhalten wie den hohen Drücken der Verbrennung. Aufgrund dieser verschiedenen Anforderungen bestehen Gleitlager meist aus mehreren Werkstoffen: Zum einen muss ein Material gewählt werden, das sehr verschleißfest ist, zum anderen muss die Einbettfähigkeit weiterhin gegeben sein.

AUF DAS MATERIAL KOMMT’S AN
MAHLE Gleitlager bestehen aus einer hochfesten Stahlstützschale, die je nach Anwendung mit mehreren unterschiedlichen Lagermetallen beschichtet ist. Die Lagerwerkstoffe werden so gewählt, dass sich die positiven Eigenschaften der unterschiedlichen Werkstoffe ergänzen und in der Kombination für den jeweiligen Anwendungsfall optimal sind. Die Materialentwicklung spielt also eine Schlüssel-rolle, um heutige und zukünftige Anforderungen am Gleitlager erfüllen zu können. Aufgrund langjähriger Entwicklungstätigkeit und Erfahrung steht MAHLE eine Vielzahl hochwertiger Lagerlegierungen zur Verfügung, unter anderem aus Aluminium und Bronze.

DIE ARBEIT IN SCHICHTEN
Festigkeit, guter Festsitz, gute Laufeigenschaften – das sind Anforderungen, die sich materialtechnisch widersprechen. Die Lösung: mehrschichtige Lager, aufge-baut nach dem Prinzip der Arbeitsteilung. Denn die Gebrauchseigenschaften der Lager, vor allem ihre dynamische Belastbarkeit, sind nicht nur durch den Werkstoff, sondern auch durch Aufbau und Dicke der Schicht sowie konstruktive Maßnahmen wie die Laufflächengestaltung zu beeinflussen. Basis eines MAHLE Gleitlagers ist eine hochfeste Stahlstützschale, die je nach Anwendung mit entsprechenden Lagermetallen beschichtet ist. Hier ein Überblick über die
Lagerbauarten.

Massivlager bestehen vollständig aus einer Metallart, zumeist einer harten Bronzelegierung. Diese Lager werden häufig in Großmotoren eingesetzt, finden jedoch auch noch in Pkw-Motoren Anwendung – als Kolbenbolzenbuchsen, Anlaufringe oder Nockenwellenlager.

Zweistofflager bestehen aus der Stahlstützschale, einer Zwischenschicht und einer Schicht Lagermetall. Als Lagermetall werden überwiegend Aluminium-legierungen verwendet. Zweistofflager kommen bei niedrig bis mittel belasteten Otto- und Saug-Dieselmotoren im Pkw-Bereich zum Einsatz – je nach Legierung als Kolbenbolzenbuchsen, Kipphebelbuchsen, Anlaufringe, Nockenwellenlager, Hauptlager oder Pleuellager.

Dreistofflager bestehen aus einer Stahlstützschale, einer Laufschicht, einer Sperrschicht und der Gleitschicht. Die Laufschicht ist zumeist auf Bleibronze-Basis erstellt und wird in der Regel galvanisch aufgebracht. Dreistofflager werden vorwiegend in höher belasteten Motoren eingesetzt – als große Kolbenbolzen-buchsen, Pleuellager, Hauptlager und Kurbelwellenlager.

		Massivlager Bestehend aus einem Lagermetall, hergestellt aus speziellen Legierungen.
		Zweistofflager Die Stahlstützschale wird mit einer Zwischenschicht und einer Schicht Lagermetall ergänzt – für niedrig bis mittel belastete Motoren.
		Dreistofflager Aufgebaut aus Stahlstützschale, Laufschicht, Sperrschicht und Gleitschicht (als Sputterlager mit spezieller Beschichtung) – eingesetzt beispielsweise in hoch aufgeladenen Motoren.
		Sicheres Zeichen für ein Sputterlager: der „Sputter“- Stempel auf dem Rücken.

Sputterlager zählen zu den anspruchsvollsten Lagertypen. Vom Aufbau sind diese ebenfalls Dreistofflager und bestehen aus denselben Materialien. Jedoch ist auf dem Lagermaterial eine extrem widerstandsfähige Aluminiumschicht aufge-bracht – durch ein spezielles Produktionsverfahren, das Sputtern (siehe Kasten „Sputterprozess“). Durch diese Beschichtung weisen diese Lager eine deutlich größere Härte und Verschleißfestigkeit auf. Sie eignen sich insbesondere für hoch belastete Motoren, wie beispielsweise Turbomotoren in Pkw und Nutzfahrzeugen, und werden dort vor allem im Pleuel- und Kurbelwellen-Bereich eingesetzt.

SPUTTERLAGER: PERFEKTE ARBEITSTEILUNG
Die gesputterte Gleitschicht ist extrem hart und verschleißfest, weist jedoch dadurch auch eine geringere Einbettfähigkeit für die eingangs erwähnten Abriebpartikel auf. Damit diese dennoch gewährleistet ist, wird bei Sputterlagern immer nur eine Lagerhälfte gesputtert. Die andere Lagerhälfte ist ein Dreistoff-lager mit herkömmlicher galvanischer Beschichtung, das die Schmutzpartikel optimal aufnimmt.

WICHTIG: WISSEN, WO OBEN UND UNTEN IST
Die gesputterte Lagerhälfte wird stets auf der höher belasteten Seite des Bauteils platziert. So muss beispielsweise beim Pleuel die gesputterte Lagerhälfte im oberen Halbkreis des großen Pleuelauges verbaut werden, da hier der Verbren-nungsdruck wirkt (siehe Abbildung 1). Bei der Kurbelwelle hingegen wirkt der Verbrennungsdruck auf die nach unten gerichteten Lagerhälften. Die gesputterten Lagerhälften sind an der Beschriftung „Sputter“ auf der Lageraußenseite zu erkennen. Oftmals sind die gesputterten Lager sicherheitshalber separat verpackt und verschweißt.

ACHTUNG, ÖLBOHRUNG!
Eine weitere Fehlerquelle beim Einbau von Gleitlagern ist die Montageposition. Bei den meisten Lagerschalenpaaren ist nur die eine Lagerhälfte mit einer Bohrung versehen. Wird die Lagerstelle über eine Ölbohrung (wie z. B. bei der Kurbel-welle) geschmiert, muss darauf geachtet werden, dass die Bohrung in der Lagerschale genau auf der Bohrung der entsprechenden Aufnahme liegt. Sollten hier die Lagerschalen vertauscht eingebaut werden, wird die Lagerstelle nicht oder nur unzureichend mit Schmieröl versorgt. Die Folge: heftige Fresser, die wiederum durch die enorme Hitzeentwicklung ein Verschweißen der Lager mit den Lagerzapfen auslösen können. (Abbildung 2 zeigt eine solche Verschweißung des Lagers mit der Kurbelwelle.)

		Im Pleuel wird die gesputterte Lagerhälfte im oberen Halbkreis verbaut, wo der Verbren-nungsdruck die höhere Belastung darstellt.
		Folge eines Einbaufehlers: Durch Vertauschen der Lagerschalen wurde die Ölbohrung abgedichtet – und es entstand ein Fresser mit extremer Hitzeentwicklung, die wiederum ein Verschweißen des Lagers mit der Kurbelwelle auslöste.