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Gegossene Kurbelwelle fiir Brennkraft- (Diesel)-, Dampfmasellinen u. dgl.
Geschmiedete und gegossene massive Kurbelwellen sind bekannt. Sie bieten nur den Vorteil homogenen Materials.
Hohle Kurbelwellen aus Blech sind bereits hergestellt worden. Eine Ausführungsform bestand darin, dass die Kurbelwelle parallel zu ihrer Längsrichtung in zwei Blechhälften zerlegt wurde. Jede Hälfte bildete eine flache Blechschale. Die symmetrischen Blechschalen wurden aufeinandergelegt und zusammengeschweisst. Bei dieser Anordnung sind erhebliche Nachteile vorhanden.
Zunächst muss zur Herstellung der Blechschalen Material verwendet werden, das überhaupt schweissbar ist. Dieses Material ist aber fast immer von geringer Festigkeit. Die Kurbelwelle wird daher schwer. Wenn aber Material hoher Qualität verwendet wird, dann wird es durch den Schweissprozess an den Schweissstellen einer chemischen Umwandlung unterworfen und wird dort minderwertig. An der Kurbelwelle sind also Stellen grösserer und Stellen geringerer Festigkeit und Härte. Dies ist ein weiterer grosser Nachteil.
Bei der vorerwähnten Kurbelwelle werden die Lagerschalen abwechselnd auf gesunden und geschweissten Stellen auflaufen, also auf Stellen ganz verschiedener Festigkeit und Härte. Dies sind sehr erhebliche Nachteile.
Ein weiterer Nachteil der vorerwähnten Art der Herstellung hohler Bleehkurbelwellen liegt darin. dass durch den Schweissprozess ein Verziehen der Kurbelwelle eintritt. Dies bedingt ein nachherige Richten der Kurbelwelle, was recht schwierig und teuer ist.
Ein weiterer sehr grosser Nachteil besteht darin, dass die zweiteilige Kurbelwelle aus Blech an allen Stellen gleiche Wandstärke hat. Da die Beanspruchungen aber ganz verschieden sind, werden einzelne Teile zu hoch, andere aber zu gering beansprucht. Von einem Körper gleicher Festigkeit ist also keine Rede. Die Kurbelwelle muss also schwer werden. Die Herstellung der Kurbelwelle wird ausserdem sehr teuer, da sehr viel Handarbeit aufgewendet werden muss.
Die Anwendung von inneren Rippen, die in die hohle zweiteilige Kurbelwelle eingeschweisst werden müssten, ist bisher nicht erfolgt, wohl wegen der mit einem solchen Arbeitsprozess verbundenen ausserordentlichen Herstellungsschwierigkeiten. Die beschriebene Kurbelwelle hat daher eine sehr geringe Formsteifigkeit, es wäre denn, dass sie ausserordentlich überdimensioniert wird. Dann aber vergrössern sich die vorher erwähnten Nachteile noch ganz erheblich.
Die andere Art der Herstellung hohler Kurbelwellen aus Blech besteht darin, sie senkrecht zur Längsrichtung zu teilen. Bei dieser Methode wird z. B. eine Vierzylinderkurbelwelle aus 13 Teilen zusammengesetzt. Dass diese Vielzahl mit ausserordentlichen Nachteilen verbunden ist, dass eine Genauigkeit überhaupt nicht erzielt werden kann, und dass dabei die bei der vorerwähnten Art der Herstellung aus nur zwei Teilen auftretenden Nachteile in erhöhtem Masse vorhanden sind, versteht sieh von selbst.
Aus diesen Gründen hat sich die Kurbelwelle aus Blech auch nicht durchzusetzen vermocht.
Alle diese Nachteile sind bei der vorliegenden Erfindung vermieden. Bei dieser wird die Kurbelwelle hohl (namentlich auch in den Kurbelarmen) und gegossen hergestellt.
Die Vorteile hiefür sind folgende : Die Kurbelwelle ist aus einem einzigen Stück hergestellt ; sie besteht durchwegs aus homogenem, gleichartigem Material und hat nicht Stellen von verschiedenen Festigkeitseigenschaften und Härten (wie dies bei geschweissten Kurbelwellen der Fall ist).
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Ferner kann in der Kurbelwelle parallel zu ihrer Längsachse eine innere Rippe vorgesehen werden, die erfindungsgemäss entlang der ganzen Länge der Kurbelwelle verläuft, wodurch die Kräfte direkt und auf kürzestem Wege weitergeleitet werden. Es können auch mehrere Rippen parallel oder senkrecht zur Längsachse der Kurbelwelle angeordnet werden, um die in den Wandungen auftretenden Kräfte direkt überzuleiten bzw. um die bei hohen Beanspruchungen auftretenden Formveränderungen, die bei geringen Wandstärken auftreten können, zu vermindern.
Die einzelnen Wandstärken sind entsprechend den auftretenden Grössen der Beanspruchungen an den verschiedenen Teilen der Kurbelwelle bemessen, um bei gegebenen Materialfestigkeitseigenschaften in den verschiedenen Wandungen der Kurbelwelle stets eine gleichmässige spezifische Materialbeanspruchung sicherzustellen, wodurch die grösste Leichtigkeit der Kurbelwelle erwirkt wird.
Die Bohrung in den Laufstellen wird koniseh ausgebildet, wobei die grössere Wandstärke zur Abnehmerseite der Arbeit zu liegt. Sofern die zulässige Beanspruchung des Gussmaterials auf Zug und Druck verschieden ist, wird der Hohlraum in den Laufstellen exzentrisch angeordnet.
Als Material wird Guss hoher Festigkeit verwendet, der veredelbar und an den Laufstellen härtbar ist.
An den Laufstellen können Ringe aus Stahl oder Bronze vorgesehen werden, die zweckmässigerweise auch härtbar sind, und die in die Kurbelwelle eingegossen sein können, wodurch die Möglichkeit gegeben ist, weichere Legierungen und solche geringerer Festigkeit, wie z. B. Aluminium-oder Magnesiumlegierungen (Elektron) u. dgl., zu verwenden.
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zapfen stetig nach der Schwungradseite bzw. nach der Seite, wo die Arbeit abgenommen wird, zunehmen.
Sinngemäss das gleiche zeigen die Wandstärken der Kurbelarme s 1, s 2, s'3, s 4, sJ, sss. Kurz gesagt, in dem Masse als die äusseren Kräfte und Momente zunehmen, nimmt in gleicher Weise die Wandstärke zu. Natürlich nehmen die Hohlräume bzw. die Bohrungen ab, da die Aussenmasse in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel an den gleichen Stellen gleich gross gehalten sind.
Fig. 1 zeigt auch eine Rippe R, die parallel zur Längsachse der Kurbelwelle entlang der ganzen Länge verläuft und zweekmässigerweise in ihrer Symmetrieebene liegt.
Fig. 2 zeigt im vergrösserten Massstabe einen Querschnitt durch die Kurbelwelle. Man sieht, dass die Bohrung exzentrisch angeordnet ist und dass dadurch zweierlei Wandstärken, eine kleine D 1 und eine grosse D 2, entstehen. Diese Konstruktion wird für den Fall gewählt, als die zulässige Beanspruchung des Gussmaterials auf Zug und Druck verschieden gross ist.
In der Fig. 2 sieht man auch die symmetrisch angeordnete Rippe R.
Fig. 3 zeigt auch eine konische Bohrung in den Laufstellen, wobei die grössere Wandstärke zur
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Die Fig. 3 und 4 zeigen innere Rippen, die senkrecht zur Längsachse der Kurbelwelle angeordnet sind. Dabei zeigt Fig. 3 zwei seitliche Rippen B 1 und B 2 und Fig. 4 eine mittlere Rippe C.
Bei beiden Figuren sieht man auch kurze Längsrippen RO, die ebenfalls zur Absteifung dienen.
Fig. 4 zeigt an der Laufstelle einen ungeteilten Ring L aus Stahl oder Bronze, in den die Kurbel-
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Lagerung der Kurbelkerne dienen.
Eine Kurbelwelle ist ein Gebilde, das sehr oft geknickt ist und als Hohlkörper ausgebildet, einem geknickten Schlauch gleicht, der keinerlei Formsteifigkeit besitzt. Die Umleitung der Kräfte an diesen Knickstellen stellt das konstruktive Problem dar. Hier schafft der Hohlguss grosse neue Möglichkeiten.
Die hohle Kurbelwelle wird erst durch Anwendung des Gusses ermöglicht, weil die Wandstärken nicht nach den am höchsten beanspruchten Stellen bemessen werden und weil die Rippen die erforderliche Umleitung der Kraft ermöglichen.
Aus dem Vorstehenden ergibt sieh, dass die Erfindung ein neues Gebilde, eine Kurbelwelle mit tragender Aussenhaut, schafft.
Die gegossene Kurbelwelle mit tragender Aussenhaut gibt die Möglichkeit, die Kurbelwelle überall. also auch in den Armen, die bisher massiv waren, hohl zu gestalten.
Es wird auch die Möglichkeit gegeben, die Aussenhaut an verschiedenen Stellen, u. zw. sowohl in den Kurbelarmen als auch in den-Lagern und-Zapfen, entsprechend den verschiedenen Beanspruchungen herzustellen, ohne dass eine besondere Bearbeitung oder Nacharbeit notwendig ist.
Der Guss gibt auch die Möglichkeit, die zur Formhaltung und Erhaltung der Formsteifigkeit der tragenden Aussenhaut notwendigen inneren Rippen zu schaffen.
Die Erfindung gibt ferner auch die Möglichkeit, die Veredelung des dünnwandigen Materials der tragenden Aussenhaut mit Genauigkeit und genau in dem gewollten Umfange herbeizuführen, was bei massivem Material bekanntlich nicht oder nur sehr schwer und dann sehr ungleiehartig erfolgen kann.
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Seit Beginn des Motorenbaues (namentlich des Flugmotorenbaues) laufen die Bemühungen dar- auf hinaus, eine durchgreifende Erleichterung der Kurbelwellen herbeizuführen. Diesbezüglich haben die Konstrukteure (abgesehen von den Erleichterungen durch Bohrungen in den Kurbelzapfen und-lagern, die seit langem bekannt sind) in den letzten Jahren Fortschritte im wesentlichen nur durch Anwendung von hochwertigem Material mit höheren Festigkeitsziffern gemacht. Die so erzielten Erleichterungen der Kurbelwellen sind also im grossen und ganzen nicht Erfolge der Konstrukteure, sondern der Metallurgen.
Diese Erleichterungen sind naturgemäss von geringem Umfange und wahrscheinlich dicht an die Grenze des Erreichbaren gekommen.
Die Erfindung erweitert diese Grenzen. Sie zeigt, wie man bei gegebenem Material weitere sehr erhebliche Gewichtserleichterungen erzielen kann, und schafft gegossene Kurbelwellen mit tragender Aussenhaut, wobei auch die bisher massiv gehaltenen Kurbelarme durch Hohlkörper ersetzt werden, die entsprechend den an den verschiedenen Stellen verschieden grossen Beanspruchungen genau bemessene, verschieden grosse Wandstärken erhalten.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Gegossene Kurbelwelle für Brennkraft- (Diesel)-, Dampfmaschinen u. dgl., dadurch gekennzeichnet, dass sie als Hohlgusskörper, namentlich auch in den Kurbelarmen, hergestellt ist, wodurch die ganze Kurbelwelle aus homogenem Material von gleichen Festigkeitseigenschaften besteht.