SPUTTERLAGER FÜR HOCHAUFGELADENE DIESELMOTOREN SPUTTER BEARINGS FOR HIGHLY CHARGED DIESEL ENGINES - SONDERDRUCK / OFFPRINT
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04
März 2015 | 76. Jahrgang
Sonderdruck / Offprint
aus / from MTZ 04|2015
Springer Vieweg
Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH
Sputterlager für
hochaufgeladene Dieselmotoren
Sputter Bearings for
Highly Charged Diesel Engines
05I2015 76. Jahrgang 1
Ent wicklung L agerung
Stetiger Anstieg bei Saugmotoren in den 1980er-Jahren. falls weiterentwickelt wurden. Dabei
der Leistungsdichte Die Kombination von Direkteinspritzung standen insbesondere die stangenseitigen
bei Dieselmotoren (DI) und Monoturbolader mit variabler Pleuellagerschalen im Fokus, da diese von
Turbinengeometrie (VTG) ermöglicht allen innermotorischen Gleitlagern die
Der Dieselmotor ist in Europa als Antrieb heute Leistungsdichten von 50 bis 80 kW/l. höchste Belastung erfahren. Waren bei
in Personenwagen äußerst beliebt. So Durch den Einsatz von Mehrfach-Turbo- Saugmotoren vor einigen Jahren hierfür
wird in Deutschland annähernd jeder aufladungskonzepten sind Leistungsdich- noch Lagerschalen aus bleihaltigem Bronze
zweite neue Pkw von einem Dieselmotor ten von 100 kW/l erreichbar, und dank lagermaterial mit ebenfalls bleihaltigen,
angetrieben [1], was nicht zuletzt zur neuer Aufladetechnologien, wie die der galvanisch abgeschiedenen Laufschichten
Erreichung des gesetzlichen Flottenver- elektrogetriebenen Strömungsverdichter ausreichend, so mussten für Dieselmoto-
brauchslimits von 95 g CO2/km im Jahr (E-Turbo), werden sich diese bei kommen- ren mit Turboaufladung und später mit
2020 beiträgt. Innovationen bei der Kraft- den Dieselmotorengenerationen noch Direkteinspritzung gänzlich neue Schicht-
stoffeinspritz- und der Aufladetechnik weiter steigern lassen. systeme für Gleitlager entwickelt werden:
haben die Kenndaten von Dieselmotoren Diese beeindruckende Anhebung der Anfang der 1980er-Jahre setzten einige
auf das heutige Niveau getrieben. Bild 1 Leistungsdichte konnte jedoch nur gelin- wenige Gleitlagerhersteller erstmals einen
veranschaulicht die Entwicklung der Leis- gen, indem alle im Energiefluss befind Sputterprozess zur Großserienbeschich-
tungsdichte, ausgehend von circa 20 kW/l lichen mechanischen Komponenten eben- tung von Pleuellagern für Dieselmotoren
2
Sputterlager für
hochaufgeladene Dieselmotoren
Durch die Einführung des Direkt
einspritzverfahrens und der Turbo Autoren
aufladung hat sich die spezifische
Leistung von Pkw-Dieselmotoren in
den vergangenen drei Jahrzehnten
verfünffacht. Insbesondere getrieben
durch neue Aufladungskonzepte Dr. Klaus Damm
ist Leiter des Bereichs
wird sich dieser Trend auch in Anwendungstechnik und Qualität
bei der KS Gleitlager GmbH
Zukunft fortsetzen. Damit werden in St. Leon-Rot.
auch die dynamischen Belastungen
der Pleuellager in Dieselmotoren
weiter zunehmen. Eine innovative
Sputterlagergeneration von Kolben-
Dr. Klaus Pucher
schmidt, basierend auf einer Direkt ist Leiter des Bereichs
Forschung und Entwicklung
sputterbeschichtung, trägt dieser bei der KS Gleitlager GmbH
Entwicklung Rechnung. in St. Leon-Rot.
ein. Mit der Ratifizierung der EU-Altauto- einer Lagerschale umgeformt, ihre
richtlinie Anfang des Jahrtausends musste endbearbeitete Lauffläche wird mittels
die Sputtertechnologie auf bleifreie Lager- Sputterverfahren mit einer 10 bis 20 µm Athanassios Skiadas
ist Leiter der Abteilung
materialen umgestellt werden. Heute ver- dicken Aluminiumlegierung beschichtet.
Anwendungstechnik – motorische
fügen weltweit nur wenige Hersteller über Um diesen Schichtverbund aus niedrigle- Gleitlager und Simulation
die zur Großserienfertigung von Sputter gierten Kupferlegierungen (zum Beispiel bei der KS Gleitlager GmbH
lagern notwendige Prozesstechnologie. Bronzen mit 4 bis 8 % Zinn) und zinn- in St. Leon-Rot.
haltigen Aluminiumlegierungen (zum
Beispiel AlSn20Cu1) thermisch zu stabili-
Kombination von Messing
sieren, muss eine Diffusionssperre zwi-
lagermaterial und direkt
schen Lagermaterial und Laufschicht ein-
gesputterter Laufschicht
gebracht werden [2]. Die hierfür in der
Konventionelle bleifreie Sputterlager, Regel eingesetzten Nickel- oder Nickel-
deren Aufbau in Bild 2 (links) schema- Chrom-Zwischenschichten weisen aller- Mario Witt
ist Leiter der Abteilung
tisch dargestellt ist, basieren auf einer dings ein sehr ungünstiges Fressverhal-
Tribologie und Prüfung
Kupferlegierung als Lagermaterial. Sie ten gegenüber der Stahlwelle auf, was die bei der KS Gleitlager GmbH
werden als Stahl-Verbund-Werkstoff zu Robustheit (etwa bezüglich Kantentrag in St. Leon-Rot.
05I2015 76. Jahrgang 3
Ent wicklung L agerung
120
Bleifreies Direktsputterlager KS X20V –– Des Weiteren kommt als Laufschicht
110 eine deutlich höher legierte Aluminium
110 legierung (AlSn25Cu2.5) zum Einsatz,
100 deren Zinnweichphasenanteil gegen-
100 über herkömmlichen Sputterschichten
90
Bleifreie Sputterlager konventionell um 25 % erhöht wurde, was sich posi-
80 tiv auf die Fresssicherheit auswirkt.
Leistungsdichte [kW/l]
80 80 Aufgrund des 2,5-fachen Kupfergehalts
70
und der damit verbundenen größeren
70
60 mechanischen Festigkeit zeigt sich
60 diese Sputterschicht sowohl höher
50 Bleihaltige Sputterlager
belastbar als auch verschleißfester.
50 Anzumerken bleibt, dass durch die
40
40
Legierungsbestandteile Al, Mn und Ni
30 das Sondermessing ein günstiges Korro
Bleihaltige Galvaniklager 30 sionsverhalten in Hinblick auf die Ver-
20
wendung von Biokraftstoffen und den
20
10 Einsatz niederviskoser Motorenöle mit
neuartigen Additivsystemen aufweist [3].
0
Sauger Turbo Turbo DI VTG Zweifachturbo Dreifachturbo
Turbo DI DI DI, E-Turbo
Sputterlager im Vergleich zu
Bild 1 Leistungsdichte unterschiedlicher Dieselmotorenbauarten anderen Laufschichtsystemen
und die dafür geeigneten Pleuellager-Schichtsysteme
Ein speziell bei Kolbenschmidt entwi-
ckeltes Lagerprüfstandskonzept dient
zur motornahen Erprobung von Gleit
oder Fremdpartikelverträglichkeit) von auf das Lagermaterial abgeschieden lagerwerkstoffen [4]. Mit diesem werden
konventionellen Sputterlagern limitiert. werden, Bild 2 (rechts). Dies hat die Lagerfunktionen Fresssicherheit,
Deshalb beschreitet Kolbenschmidt den Vorteil, dass der Welle über Anpassungsfähigkeit, Partikelverträg-
bei dem patentierten Gleitlagerkonzept die gesamte Motorlebensdauer ein lichkeit, Verschleißfestigkeit und Belast-
KS X20V neue Wege: tribologisch optimaler Reibpartner barkeit ermittelt.
–– Durch die Verwendung einer zur Verfügung steht. Dies gilt auch Im Fresstest mit 15 m/s Gleitgeschwin-
gegossenen Sondermessinglegierung bei erhöhtem K antentrag und bei digkeit wird eine statische Last stufen-
(CuZn20Al2Mn2Ni2Fe1) als Lager einer möglichen Laufschichtbeschä weise bis zum Fressen des Gleitlagers
material kann auf eine Diffusions- digung durch Fremdpartikel, womit erhöht. Bild 3 zeigt einen Vergleich der
sperre vollständig verzichtet und eine hohe Robustheit der Lagerstelle Fresssicherheit von unterschiedlichen
damit die Sputterlaufschicht direkt gewährleistet ist. Schichtsystemen (stets auf kupferbasier-
tem Lagermaterial) für ein Standardmoto
renöl SAE 5W30 und ein niedrigviskoses
Motorenöl SAE 0W20 (HTHS 2,6). Durch
Direktsputterlager KS X20V den Einsatz von niedrigviskosen Ölen steigt
der Mischreibungsanteil, damit sinkt bei
Konventionelles Sputterlager allen Schichtsystemen die Fresssicherheit.
Im Vergleich zu konventionellen Sputter-
Stahlrücken
schichten zeigt KS X20V mit beiden Moto-
Bronzelagermaterial
renölen eine um 10 % höhere Fresssicher-
Ni- oder NiCr-Diffussionssperre
AlSn20Cu1-Laufschicht heit, was auf den erhöhten Zinnweichpha-
senanteil zurückzuführen ist. Galvanik-
schichten haben aufgrund der geringeren
Temperaturbeständigkeit sogar eine um
20 % geringere Fresssicherheit. Die nied-
rigste Fresssicherheit und den stärksten
Abfall beim Übergang von der Viskositäts-
klasse 5W30 zu 0W20 zeigen die Polymer-
Stahlrücken schichten. Beim Vergleich der Lagertem-
Messinglagermaterial peraturen fällt auf, dass diese bei polyme-
AlSn25Cu2.5-Laufschicht ren Laufschichten stets um 10 bis 15 °C
höher liegen als bei metallischen Lauf-
Bild 2 Schematischer Aufbau eines konventionellen Sputterlagers schichten. Offensichtlich erzeugt die
(links) und von KS X20V mit Direktsputterbeschichtung (rechts) schlechte Wärmeleitung des Polymers
4
120
Bild 3 Fresssicherheit unterschiedlicher
Schichtsysteme in Abhängigkeit vom Motorenöl
110
100
Besser
Besser
100 100
Fresssicherheit [%]
90 90
80
80 80
Wie in Bild 5 (links) dargestellt, wird
60 65 dabei das Zweistofflager deckelseitig und
das Sputterlager stangenseitig verbaut.
40
Dies resultiert aus der unterschiedlichen
dynamischen Belastung der beiden Lager-
20
schalen, welche heutzutage mittels elasto-
hydrodynamischer Simulationsmethoden
0
Galvanik Polymer Konvent. KS X20V Galvanik Polymer Konvent. KS X20V (EHD-Simulation) ermittelt werden.
Sputter Sputter Bild 5 (rechts) zeigt beispielhaft das
Motorenöl SAE 5W30 (HTHS > 3,5) Motorenöl SAE 0W20 (HTHS 2,6) Ergebnis einer solchen EHD-Simulation:
Resultierend aus den Massenkräften
erfährt die deckelseitige Lagerschale
140 Sputterlager mit 120 MPa eine deutlich beim Gaswechsel-OT (oberer Totpunkt)
140
höhere Belastbarkeit als Galvanik- ihre maximale Belastung. Allerdings ist
120
oder Polymerlager mit 100 beziehungs- diese um ein Vielfaches niedriger als die
Belastbarkeit im Motor [MPa]
Besser
120
weise 105 MPa. Die Kombination eines maximale Belastung der stangenseitigen
100 105
100 Messinglagermaterials und der hoch Lagerschale beim Zünd-OT. Deshalb
80 legierten Direktsputterschicht bei KS kann auf der Deckelseite das Zweistoff
X20V weist mit 140 MPa die mit Abstand lager KS R25 eingesetzt werden, welches
60 höchste Belastbarkeit aller am Markt durch seine ausgezeichnete Einbettfähig-
verfügbaren Pleuellagerwerkstoffe auf. keit für Fremdpartikel und Anpassungs-
40 Im Dauerlauftest mit 120 MPa wird fähigkeit die Robustheit des gesamten
nach 2,5∙107 Lastwechseln der Pleuel Pleuellagersystems deutlich erhöht.
20 lagerverschleiß bestimmt, Bild 4 (unten). Neben dem Zünddruck beeinflusst
Nach diesem Lebensdauertest zeigen auch die dimensionale Auslegung (Lager-
0
Galvanik Polymer Konvent. KS X20V die Galvanik- und Polymerschichten durchmesser und -breite) die maximale
Sputter durch die hohe dynamische Belastung Belastung des Pleuellagers wesentlich.
Oberflächenzerrüttung. Der damit ein- Aber auch die Ölviskosität, die Wellen-
140 hergehende erosive Abtrag resultiert qualität und die elastische Vorformung
Besser
in einer um 20 beziehungsweise 25 % von Pleuel und Welle müssen berück
120 niedrigeren Verschleißfestigkeit gegen- sichtigt werden. Ausgehend von einem
125
120 über konventionellen Sputterschichten. modernen Dieselmotorenkonzept, wel-
100 Dagegen ist die Verschleißfestigkeit von ches reiboptimierte Lagerdimensionie-
100
Verschleiß [%]
KS X20V in diesem Lebensdauertest um rung, Pleuel- und Kurbelwellenleichtbau,
80 30 % erhöht, was durch den 2,5-fachen niedrige Ölviskosität und hohen Zünd-
Kupfergehalt und der damit verbundenen druck vereint, stellt man fest, dass kon-
60 70
hohen mechanischen Festigkeit der ventionelle Sputterlager im Bereich einer
Direktsputterschicht begründet ist. Leistungsdichte von circa 90 kW/l an
40
Infolge der sehr hohen Belastbarkeit ihre Leistungsgrenze stoßen, Bild 1.
20 von Sputterschichten können deutlich In Bild 6 sind die maximalen Leis-
höhere Schichtdicken realisiert werden, tungsdichten der Dieselmotoren euro
0 damit ergibt sich eine bessere Partikel päischer OEMs in Bezug auf das Jahr
Galvanik Polymer Konvent. KS X20V verträglichkeit im Vergleich zu Galvanik- des Produktionsstarts dargestellt [6].
Sputter
und Polymerschichten. Bei KS X20V wird Für den Zeitraum 2005 bis heute konnten
Bild 4 Belastbarkeit (oben) und Pleuellager diese Eigenschaft durch den V erzicht auf die maximalen spezifischen Belastungen
verschleiß (unten) unterschiedlicher die sehr harten Nickel- oder Nickel-Chrom- der stangenseitigen Pleuellager anhand
Schichtsysteme
Zwischenschichten weiter verbessert. der bekannten Auslegungsdaten ermit-
telt werden. Auch wenn diese Daten
für zukünftige Motorenkonzepte noch
Einsatz als Pleuellager
einen Wärmestau im Lager, der die Fress- nicht vorliegen, so kann man bereits
hochbelasteter Dieselmotoren
sicherheit markant reduziert. heute ein weiteres Ansteigen der spezifi-
Bei der im Dauerlauftest nach 2,5∙107 Im Pleuellager moderner Dieselmotoren schen Pleuellagerbelastung prognostizie-
Lastwechseln (Hochfrequenzpulsator) kommt das Direktsputterlager KS X20V ren, welche über den Leistungsbereich
ermittelten Belastbarkeitsgrenze, Bild 4 stets als Halbschalenkombination mit konventioneller Sputterlager hinausgeht.
(oben), haben bereits konventionelle dem Zweistofflager KS R25 zum Einsatz. Mit einer Belastbarkeit von 140 MPa
05I2015 76. Jahrgang 5
Ent wicklung L agerung
Pleuellagerbelastung weiter erhöhen
werden, besonders geeignet. Das Direkt
sputterlager kombiniert zudem eine hohe
dynamische Belastbarkeit mit hoher Fress
KS X20V
sicherheit sowie niedrigem Verschleiß.
Gaswechsel-OT
Es ermöglicht so einen deutlich größeren
Gestaltungsspielraum bei der reibopti-
mierten Auslegung des Grundmotors.
Die Paarung aus dem Direktsputterlager
KS X20V auf der Stangenseite mit dem
deckelseitig verbauten Zweistofflager
KS R25 garantiert eine hohe Robustheit
KS R25 der Pleuellagerung auch bei ungünstigen
Zünd-OT
Betriebsbedingungen, wie Kantentrag
Bild 5 Simulation der dynamischen Belastung der stangen- und deckelseitigen Pleuellagerschalen oder Verunreinigungen mit Restschmutz,
(geringe Belastung blau, hohe Belastung rot) und damit eine zuverlässige und lang
lebige Funktion.
140 140 Nachdem KS X20V in den vergange-
nen Jahren erfolgreich in die Großserie
130 überführt werden konnte, wird neben
120
der Weiterentwicklung des Direktsputter-
Maximale spezifische Belastung [MPa]
120
konzepts momentan die Möglichkeiten
Maximale Leistungsdichte [kW/I]
110 100 zur Anwendung dieser Technologie bei
Hochleistungs-Ottomotoren untersucht,
100 die bereits heute in Kleinserie Leistungs-
80
dichten von 130 kW/l erreichen.
90
60
80
70 40
Literaturhinweise
60 [1] Zulassungsstatistik des Kraftfahrtbundesamts
20 (www.kba.de)
50 [2] Damm, K.; Höne, W.; Reinicke, R.; Skiadas, A.:
Gleitlager im Automobil. Verlag Moderne Industrie,
2009, S. 46 ff.
40 0
2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 [3] Dies, K.: Kupfer- und Kupferlegierungen in
der Technik. Springer-Verlag, 1967, S. 344 ff.
Produktionsstart [Jahr] [4] Damm, K.; Skiadas, A.; Witt, M.; Schwarze, H.:
Bild 6 Trend der maximalen Leitungsdichte und der maximalen spezifischen Pleuellagerbelastung Gleitlagererprobung anhand der Forderungen des
Automobilmarkts. In: ATZextra „100 Jahre Kolben-
schmidt Pierburg“, 2010, S. 54-63
[5] Berg, M.; Skiadas, A.; Schubert, W.: Ölkreislauf
von Verbrennungsmotoren II. Expert-Verlag, 2007,
eignet sich das Direktsputterlager KS Zusammenfassung S. 146 ff.
X20V einerseits für diesen Hochleis- und Ausblick [6] Analyse auf Basis IHS-Motorendatenbank
(www.ihs.com)
tungsbereich. Andererseits ermöglicht es
auch eine reiboptimale Dimensionierung Das Direktsputterlager KS X20V wurde
des Pleuellagers bei Volumenmotoren für hochbelastete Pleuellager moderner
mit niedr igeren Leistungsdichten. Damit Dieselmotoren entwickelt. Aufgrund sei- Download des Beitrags
erlaubt es den M otorentwicklern auch ner sehr hohen dynamischen Belastbar- www.springerprofessional.de/MTZ
in den kommenden Jahren eine konse- keit von 140 MPa ist es für kommende
quente Weiterentwicklung des Diesel Dieselmotorengenerationen, deren Auf
Read the english e-magazine
motors in Bezug auf Leistungsfähigkeit ladungskonzepte (zum Beispiel E-Turbo) order your test issue now:
und Effizienz. die Leistungsdichte und damit auch die springervieweg-service@springer.com
6Ich bin das K und das S.
Ich bin das P und das G.
ich bin das A und das O ihres Motors.
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dann tun wir das mit Herzblut. Ihr Antrieb ist unser Motor. Und Ihre
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Pierburg und Motorservice arbeiten wir an der Mobilität der Zukunft.
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Unser Herz scHlägt
für iHren Antrieb.De velo pment Be aring
Steady Increase in the Power The combination of direct injection (DI) subject to heavier loads than any other
Densit y of Diesel Engines and mono turbochargers with variable plain bearings in the engine. In naturally
turbine geometry (VTG) enables power aspirated engines, bearing shells made
In Europe, diesel engines are an densities in the 50 to 80 kW/l range. of a lead bronze lining material with a
extremely popular means of powering With multi-turbocharger concepts, a lead-based, electroplated running layer
passenger vehicles. For example, nearly power density of 100 kW/l is attainable, sufficed just a few years ago. However,
half of all new cars in Germany have a while new turbocharging technologies diesel engines with turbocharges and
diesel engine [1], a trend that is helping such as electrically driven compressors later with direct fuel injection required
manufacturers meet the mandatory fleet (e-turbo) will lead to yet further the development of entirely new bearing
consumption limit of 95 g CO2/km in increases in power density. layer systems: At the beginning of the
2020. Innovations in fuel injection tech- These impressive gains in power den- 1980s, a sputter process was used for
nology and turbocharging have pushed sity would have been impossible without coating con-rod bearings for diesel
the performance of diesel engines to the simultaneous improvement of every engines for the first time on a large scale.
their current high level. Figure 1 illus- mechanical component involved in the Ratification of the EU End-of-Life Vehicle
trates the trend in power density since transmission of the power generated. Directive in the early years of the 21st
the 1980s, beginning at approximately This is particularly true of the upper century made a shift to sputter technol-
20 kW/l with naturally aspirated engines. con-rod bearing shells, since these are ogy using lead-free lining materials an
8Sputter Bearings for
Highly Charged Diesel Engines
Over the past three decades, the
introduction of direct fuel injection
and turbocharging has resulted
Authors
in a five-fold increase in the power
density of passenger car diesel
engines. Owing in particular to
new turbocharging concepts,
this trend is set to continue in the
Dr. Klaus Damm
future, meaning that the dynamic is Vice-President Application
Engineering and Quality
load on the con-rod bearings in at the KS Gleitlager GmbH
in St. Leon-Rot (Germany).
diesel engines will increase. An
innovative sputter bearing from
Kolbenschmidt, based on a direct
sputter coating, meets the require-
ments of the latest engine designs. Dr. Klaus Pucher
is Vice-President Research and
Development at the KS Gleitlager
GmbH in St. Leon-Rot (Germany).
imperative. Today very few manufactur- In order to thermally stabilise this com-
ers worldwide possess the necessary posite coating consisting of a low-alloyed
process technology for producing sputter copper alloy (e.g. bronze with 4 to 8 %
bearings on a large-scale. tin) and tin-containing aluminium alloy
Athanassios Skiadas
(e.g. AlSn20Cu1), a d iffusion barrier must is Senior Manager Application
be applied between the lining material and Engineering – Engine Bearings and
Combination of Brass Lining Simulation at the KS Gleitlager
the running layer [2]. However, the nickel
Material and Directly GmbH in St. Leon-Rot (Germany).
or nickel-chrome normally used for these
Sputtered Running Layer
interlayers reveals high seizure behav-
A conventional lead-free sputter bearing, iour, when exposed, against a steel shaft,
whose design is schematically depicted thus limiting the robustness of conven-
in Figure 2 (left), is based on a copper tional sputter bearings for example with
alloy lining material, formed as a steel edge loading or embeddability of foreign
composite material into a bearing shell, particles. This weakness of the conven-
Mario Witt
with a finished running surface coated tional sputter bearing lead Kolbenschmidt
is Senior Manager Tribology and
by means of a sputtering process with to adopt a new approach with its patented Testing at the KS Gleitlager GmbH
a 10 to 20 µm-thick aluminium alloy. KS X20V plain bearing concept: in St. Leon-Rot (Germany).
05I2015 Volume 76 9De velo pment Be aring
120 In the seizure test with 15 m/s slid-
Lead-free direct sputter bearing KS X20V
ing speed, a static load is gradually
110
increased until the bearing seizes.
110
100 F igure 3 depicts a comparison of the
100 seizure resistance of different layer sys-
90
Lead-free sputter bearings conventional tems, always on a copper-based lining
80 material, for SAE 5W30 standard engine
oil and SAE 0W20 (HTHS 2.6) low-vis-
Power density [kW/l]
80 80
70
cosity engine oil. The use of low-viscos-
70
60 ity oils increases the mixed friction
60 regime, thus reducing seizure resistance
50 Leaded sputter bearings
of all coating systems. Compared with
50
40 conventional sputter layers, KS X20V
40 displays 10 % higher seizure resistance
30 with both engine oil types. This is due
Leaded electroplated 30
20 bearings to the increased content of the soft tin
20 phase. Moreover, owing to their lower
10 thermal stability, electroplated coatings
0 offer 20 % lower resistance to seizure.
Naturally Turbo Turbo DI VTG Bi-turbo Tri-turbo DI, Polymer layers display the lowest resist-
aspirated turbo DI DI E-turbo
ance to seizure and the greatest decline
Figure 1 Power density of different types of diesel engine and suitable con-rod bearing when going from 5W30 to 0W20. When
layer systems the bearing temperatures are compared,
it is evident that the polymer running
layers are always between 10 and 15 °C
higher than the metal running layers.
–– By using a special cast brass Sputter Bearings Evidently, the poor conductivity of poly-
(CuZn20Al2Mn2Ni2Fe1) as the lining Compared with other mer results in heat build-up in the bear-
material, it is possible to dispense Running Layer Systems ing, leading to a marked reduction in
entirely with a diffusion barrier, seizure resistance.
meaning that the sputter running layer A bearing test rig concept specially devel- At the load limit determined under
can be applied directly onto the lining oped by Kolbenschmidt enables t rials of sustained operation in a test after 2.5∙107
material, Figure 2 (right). This has the plain bearing materials to be conducted load changes (high-frequency pulsator),
advantage of assuring that the shaft in an engine-like environment [4]. It is Figure 4 (top), even conventional sputter
has a tribologically optimal partner used for determining the seizure resist- bearings display significantly higher
surface throughout the entire engine ance of bearings as well as their adapta- load capability at 120 MPa, than electro-
life time, even in the case of heavy bility, wear resistance, particle compati- plated or polymer bearings with 100 or
edge loading or possible damage due bility and load capability. 105 MPa, respectively. At 140 MPa, the
to foreign particles, thus assuring the
robustness and durability of the bear-
ing system.
Direct sputter bearing KS X20V
–– Furthermore, a significantly higher-
alloyed aluminium alloy (AlSn25Cu2.5)
Conventional sputter bearing
is used for the running layer, whose
soft tin phase share is increased by Steel back
25 % compared with conventional Bronze lining material
Ni or NiCr diffusion barrier
sputter layers, which also has a posi-
AlSn20Cu1 running layer
tive impact on seizure resistance.
Owing to the 2.5 times copper content
and the resulting enhanced mechani-
cal strength, this direct sputter layer
has both higher loadability and more
resistance to wear.
It should be noted that due to the pres-
ence of the alloying elements alumin-
Steel back
ium, manganese and nickel, the special Brass lining material
brass displays favourable corrosion AlSn25Cu2.5 running layer
behaviour with respect to biofuels and
Figure 2 Schematic depiction of a conventional
the use of low-viscosity engine oils with sputter bearing (left) and of the KS X20V with
new additive systems [3]. direct sputter layer (right)
10120 Figure 5 (right) is an example of an
EHD simulation. Resulting from the
100 110 inertial forces, the bearing shells on the
Better
Better
100 100 lower side experience their maximum
Seizure resistance [%]
80 90 90 load during the gas exchange upper dead
80 80 centre (UDC). However, this is many
60 times lower than the maximum load on
65
the bearing shell on the upper position
at the ignition upper dead centre. This
40
means that the KS R25 bi-metal bearing
can be used on the lower side, whose
20
excellent embedding capability for for-
eign particles and adaptability substan-
0
Electro- Polymer Convent. KS X20V Electro- Polymer Convent. KS X20V tially improves the robustness of the
plated sputter plated sputter entire con-rod bearing system.
Engine oil SAE 5W30 (HTHS > 3.5) Engine oil SAE 0W20 (HTHS 2.6) Besides the ignition pressure, the bear-
Figure 3 Seizure resistance of various layer systems relative to different engine oils ing diameter and width mainly influ-
ences the maximum load on the con-rod
bearing. But other factors such as the
140 con-rod bearing materials available oil viscosity, shaft quality and the elastic
140
on the market. bending of the con-rod and shaft must
120
Load capability in engine [MPa]
In a test sustained at 120 MPa, con- also be taken into account. Given mod-
Better
120
necting rod bearing wear is determined ern diesel engine concepts that combine
100 105
100 after 2.5∙107 load cycles, Figure 4 (bottom). friction-optimised bearing dimensions,
80 After this full life-time test, the electro- lightweight connecting rods and crank-
plated and polymer coatings suffered shafts, low oil viscosity and high igni-
60 from surface erosion due to the high tion pressure, it is evident that conven-
dynamic load. The erosion resulted in tional sputter bearings reach their per-
40 20 and 25 % lower wear resistance formance limits at a power density of
compared with conventional sputter approximately 90 kW/l, Figure 1.
20 layers. Conversely, the wear resistance Figure 6 depicts the maximum power
of KS X20V in this life-time test rose by density of diesel engines of European
0 30 % due to the 2.5 times copper content OEMs with regard to the year introduced
Electro- Polymer Convent. KS X20V
plated sputter and accompanying high mechanical [6]. For the period 2005 until today, the
strength of the direct sputter layer. maximum specific loads of the upper
Owing to the very high stability of con-rod bearings have been determined
140
Better
sputter coatings, significantly thicker using the known design data. Even if
120 layers can be applied than electroplated such data is not yet available for future
125
120 and polymer coatings, resulting in bet- engine concepts, it is possible today to
100 ter particle compatibility. In the case of predict a further increase in specific con-
100 KS X20V this characteristic is further rod bearing load that exceeds the perfor-
improved by dispensing with the very mance limits of conventional sputter
Wear [%]
80
hard Ni or NiCr interlayers. bearings. On the one hand, with a load
60 70 capacity of 140 MPa, the KS X20V direct
sputter bearing is suitable for such high-
40
Application for Highly Loaded
performance designs but on the other
Diesel Engine Con-Rods
hand, it also enables friction-optimised
20
In the con-rod bearings of modern diesel dimensioning of the con-rod bearings in
engines, the KS X20V direct sputter bear- high-volume engines with lower power
0
Electro- Polymer Convent. KS X20V ing is always used as a half-shell combina- densities, thus giving future engine
plated sputter tion with a KS R25 bi-metal bearing. Here, designers freedom for the systematic
Figure 4 Load capability (top) and con-rod wear as depicted in Figure 5 (left), the bi-metal enhancement of diesel engines with
(bottom) of various layer systems bearing is installed on the lower cap shell respect to performance and efficiency.
position, while the sputter bearing is
installed on the upper rod side. The two
Summary and Outlook
different materials are used as a conse-
combination of a brass lining material quence of the different dynamic loads on The KS X20V bearing was developed for
and a high-alloyed direct sputter layer in both bearing shells, which today is deter- highly loaded con-rod bearings in mod-
the KS X20V bearing demonstrates by mined by means of electro-hydro dynamic ern diesel engines. On account of its very
the far the highest load capability of all simulation methods (EHD simulation). high dynamic load capability of 140 MPa,
05I2015 Volume 76 11De velo pment Be aring
KS X20V Gas exchange upper
dead centre
Figure 5 Simulation of the dynamic
load on con-rod bearing shells on
the upper and lower position
KS R25 Ignition upper (low stress blue, high stress red)
dead centre
140 140
130
120
120
Maximum power density [kW/l]
110 100
Maximum unit load [MPa]
100
80
90
60
80
70 40
60
20
50
Figure 6 Trend in maximum power density
40 0 and maximum rod bearing unit load
2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030
SOP [year]
it is especially well suited to future gener- antees a highly robust system which even References
ations of diesel engines whose turbo- under unfavourable operating conditions [1] Registration statistics of the Federal Motor
Vehicles Office (www.kba.de)
charger concepts (e.g. e-turbo) will lead to such as edge loading or contamination
[2] Damm, K.; Höne, W.; Reinicke, R.; Skiadas, A.:
a further increase in power density and, with foreign particles, gives a reliable and Gleitlager im Automobil. Publisher Moderne Indus-
with it, higher load for the con-rod bear- long life-time function. trie (2009), pp. 46 ff.
ings. The direct sputter bearing combines With the KS X20V bearing having suc- [3] Dies, K.: Kupfer- und Kupferlegierungen in der
Technik. Publisher Springer (1967), pp. 344 ff.
a high dynamic load capability with a cessfully entered large-scale series produc-
[4] Damm, K.; Skiadas, A.; Witt, M.; Schwarze, H.:
high degree of seizure resistance as well tion in recent years, engineers, besides Gleitlagererprobung anhand der Forderungen des
as low wear, thus enabling significantly working to enhance the direct sputter con- Automobilmarkts. In: ATZextra „100 Jahre Kolben-
greater freedom of action in the low-fric- cept, are now examining possibilities for schmidt Pierburg“, 2010, pp. 54-63
tion design of the basic engine. Coupling applying this technology in high-perfor- [5] Berg, M.; Skiadas, A.; Schubert, W.: Ölkreislauf
von Verbrennungsmotoren II. Publisher expert
the KS X20V direct sputter bearing on the mance gasoline engines, which, manufac- (2007), pp. 146 ff.
rod side with the KS R25 bi-metal bearing tured in small production series, already [6] Analysis based on HIS engine data base
on the cap side of a diesel con-rod guar- reach a power density of 130 kW/l. (www.ihs.com)
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